路面结构受力分析及疲劳寿命预估

路面结构受力分析及疲劳寿命预估

摘要：在本文中，笔者计算了两种路面结构在基层模量的变化下对面层影响，并得出水泥稳定碎石及二灰碎石层适宜的模量及厚度。相比之下，模型A在应力控制方面明显优于模型B，为今后工程提供借鉴经验。

关键词：基层模量 水泥稳定碎石 应力控制 路面结构的受力分析

半刚性基层材料不同于沥青混合料，在重复荷载作用下其力学性质具有本身的特征。半刚性材料层的特点是，其控制应力或控制应变的是拉，并通常位于半刚性层的底面[1]。根据半刚性材料的力学特性和车轮荷载在路面中产生的应力的分析，可以知道，当半刚性基层下的底基层也是半刚性材料时，在半刚性基层底面产生的拉应力往往较小，相对于半刚性基层材料的弯拉强度，只是一个小的应力水平，通常不会引起半刚性基层产生弯拉疲劳破坏；直接位于土基上的半刚性底基层的底面却往往可能遭受较大的车轮荷载引起的拉应力，特别在土基较软的情况下拉应力更大，也就是底基层的底面会遭受到较大的力反复作用，从而引起弯拉疲劳破坏[2~4]。因此，往往需要检验半刚性底基层是否可能遭受弯拉疲劳破坏。

本课题对振动成型设计方法的半刚性基层沥青路面进行结构的受力分析，把个面层层底、基层层底及底基层层底的拉应力做为分析指标，采用公路路面设计系统(HPDS 2006)来计算各结构层的层底拉应力。

路面结构设计应采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计算，并假定各结构层间接触为完全连续。

路面结构层的设计

将前面进行疲劳试验的振动成型方式的水泥碎石及二灰碎石混合料应用于路面结构中，本课题设计的路面结构采用六层体系，分别为：细粒式沥青混凝土（AC－13）上面层，中粒式沥青混凝土（SUP－20）中面层，粗粒式沥青混凝土（SUP－25）下面层，半刚性基层，二灰土底基层和土基。

本课题采用了两种路面结构类型：

（1）水泥稳定碎石做上基层，二灰碎石做底基层，为结构类型A，如表6.1；

（2）二灰碎石做上基层，水泥稳定碎石做底基层，为结构类型B，如表6.2。

本章主要分析水泥稳定碎石基层的厚度和抗压回弹模量变化及其处于不同层位对结构层层底拉应力的影响。

表1半刚性沥青路面结构形式A

表2 半刚性沥青路面结构形式B

水泥稳定碎石基层模量的影响

通过调节级配和改变水泥剂量，可以使水泥稳定碎石基层的抗压回弹模量在一个较大范围内变化，从而相应的使路面各结构层的受力状态有所改变，所以只改变水泥稳定碎石基层的抗压回弹模量（1000MPa～3000MPa），其它各结构层参数不变。对于结构模型A，水稳基层厚度设为20cm，其结果见图1。对于结构模型B，水稳基层厚度也设为20cm，其结果见图2，其中拉应力为正，压应力为负。

图1 结构模型A中，水稳基层回弹模量对各结构层层底拉应力的影响

图2 结构模型B中，水稳基层回弹模量对各结构层层底拉应力的影响

从图1中可以看出，在结构模型A中，水泥稳定碎石基层模量变化对二灰碎基层的层底拉应力影响最小，随水泥碎石基层的模量增加，自身层底拉应力逐渐增大，并且增幅较大。沥青混凝土下面层层底拉应力在水泥碎石模量为1250MPa时，由拉应力转成压应力，然后随水泥碎石基层模量增加而增大。

从图2中可以看出，在结构模型B中，水泥碎石基层模量的变化，对沥青混凝土下面层的层底拉应力几乎没有影响，但自身层底拉应力逐渐增大，二灰碎石基层的层底拉应力在水泥碎石基层模量为2000MPa时由拉应力转为压应力，然后随水泥碎石基层模量增加而增大。

水泥稳定碎石基层厚度的影响

水泥碎石基层的适宜铺筑厚度为18cm～20cm，对结构类型A进行分析时，水泥碎石基层模量设为1600MPa，厚度在20cm～40cm范围内变化，其它结构层参数不变，其结果见图3；对结构模型B进行分析时，水泥碎石基层模量设为1600MPa，保持半刚性基层总厚度40cm不变，水泥碎石基层厚度在10cm～30cm变化，分别代入结构中进行计算，其结果见图4。

图3结构模型A中，水稳基层厚度对各结构层层底拉应力的影响

图4结构模型B中，水稳基层厚度对各结构层层底拉应力的影响

从图3可以看出，在结构模型A中，随水泥碎石基层厚度在设定范围内变化，沥青混凝土下面层的层底应力为压应力且几乎不变；随水泥碎石基层厚度在20cm～40cm内逐渐增加，自身层底拉应力变小，但降幅很小；二灰碎石基层层底拉应力随水泥碎石基层厚度增加也减小，并且降幅也不大。

从图4可以看出，在结构模型B中，随水泥碎石基层厚度逐渐增加（相对二灰碎石基层厚度逐渐减小），二灰碎石基层层底拉应力逐渐减小，在水泥碎石基层厚度变为25cm时，二灰碎石基层层底应力由拉转为压，并随水泥碎石基层厚度继续增加，层底应力逐渐增大。水泥碎石基层厚度的变化对自身层底拉应力几乎无影响；水泥碎石基层厚度在10cm～18cm范围变化时，计算显示沥青混凝土下面层层底应力为0，当水泥碎石基层厚度在18cm～30cm范围内变化时，沥青混凝土下面层层底应力为压，且逐渐增大，但幅度较小。

结论

1、在结构模型A中，随水泥碎石基层的回弹模量增加，其自身层底拉应力增大，位于其下的二灰碎石基层层底拉应力几乎未受影响；而位于其上的沥青混合土下面层的层底拉应力却逐渐减小，且在水稳基层模量达到1250 MPa时，层底应力由拉转变为压。因此，对于结构模型A，水稳基层回弹模量宜在1250 MPa左右。同时，在固定水泥碎石基层回弹模量为1600 MPa时，随它的厚度在设定范围内增加，其自身的层底拉应力变化不明显；位于其下的二灰碎石基层的层底拉应力随之减小，并且当水泥碎石基层厚度大于30cm后，二灰碎石基层层底拉应力减小幅度很小；而位于其上的沥青混凝土下面层层底受压应力且几乎无变化；因此，对于结构类型A，水泥碎石基层厚度宜取25cm～30cm之间。

2、在结构模型B中，随水泥碎石基层的回弹模量增加，其自身层底拉应力增大；而位于其上的二灰碎石基层层底拉应力逐渐减小，并且在水稳回弹模量达到2000MPa时，其层底应力由拉变为压；沥青混凝土下面层层底应力几乎无变化，且其值为零左右。因此，综合考虑，对于结构模型B，水稳基层模量宜在1500MPa左右。同时，在固定水泥碎石基层回弹模量为1600 MPa时，保持半刚性基层总厚度不变，水泥碎石基层厚度在设定范围内增加，其自身层底拉应力几乎不变，保持在0.09MPa左右；位于其下的二灰碎石基层层底拉应力逐渐减小，并且在水泥碎石基层厚度为23cm左右，二灰碎石基层层底应力由拉变为压；而沥青混凝土下面层层底拉应力几乎未受影响，且其值为零左右。因此，对于结构模型B，水泥碎石基层厚度宜取23cm左右。

3、对于两种结构模型，水泥碎石基层的厚度和回弹模量在其最宜取值范围内，其层底拉应力相比较，结构模型A要小于结构模型B，且结构模型A的最宜回弹模量较低，相应的水稳基层混合料中水泥剂量有所降低，这也有利于减少干缩裂缝；因此，二灰碎石基层位于水泥碎石基层下面也有利于提高路面的抗疲劳能力。综合考虑两结构模型，本课题得出结论，结构模型A要优于结构模型B。

参考文献

[1] 中华人民共和国行业标准．公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）[S]．北京：人民交通出版社，1997

[2] 王捷，陈飞．水泥稳定碎石无侧限抗压强度与抗压回弹模量的关系[J]．公路，2007

[3] 沙庆林．高等级道路半刚性路面[M]．北京：中国建筑工业出版社1993，2

[4] 张嘎吱．考虑抗裂性的水泥稳定类材料配合比设计方法研究[D]．西安：长安大学研究生部，2001