結(jié)構(gòu)層厚度和模量對(duì)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響

韓思宇

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

法國(guó)路面設(shè)計(jì)理論采用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀理論體系，與我國(guó)路面設(shè)計(jì)不同之處在于參數(shù)的選擇上，法國(guó)以單軸雙輪130 KN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接地壓強(qiáng)為0.662 MPa，當(dāng)量圓半徑為0.125 m，材料參數(shù)以15 ℃、10 Hz動(dòng)態(tài)復(fù)合模量為瀝青混合料的材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

法標(biāo)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)以瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變?chǔ)舤和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變?chǔ)舲為控制指標(biāo)，瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變可以反映材料的疲勞和應(yīng)力應(yīng)變情況，路面承臺(tái)的層頂壓應(yīng)變可以更好的反映路面的總變形量。

1.2 應(yīng)變分析方案

本文采用法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，利用法國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)軟件ALIZE進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析全厚式瀝青混凝土路面不同厚度處的應(yīng)變變化規(guī)律。部分設(shè)計(jì)參數(shù)取自于沾臨高速，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)結(jié)構(gòu)路網(wǎng)VRS道路(高速公路)卡片中全厚式瀝青路面的常用材料，磨耗層選擇BBME2瀝青混合料、聯(lián)結(jié)層選擇BBSG3瀝青混合料、基層選擇GB4瀝青混合料、底基層選擇GB3瀝青混合料，材料性能見表2。

表2 材料性能表

1.3 正交試驗(yàn)方案

(1)模量的影響

根據(jù)法國(guó)規(guī)范中的各結(jié)構(gòu)層材料的選擇及各材料的性能參數(shù)，列出各層材料模量參數(shù)表，如表3所示。

表3 模量參數(shù)表

采用正交試驗(yàn)法，各結(jié)構(gòu)層選取其中4組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，按照3因素4水平的正交試驗(yàn)安排試驗(yàn)表。選取模量時(shí)，為了更直接有效的反映其中關(guān)系，本文選取面層和基層模量時(shí)以整數(shù)單位選取，正交試驗(yàn)表見表4。參考結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)所提供的結(jié)構(gòu)，厚度選取磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層12 cm+底基層12 cm。

表4 3因素4水平模量變化正交試驗(yàn)表L16(43)

(2)厚度的影響

法標(biāo)中，各結(jié)構(gòu)層和材料都有一個(gè)厚度范圍，如表5所示。

表5 材料厚度規(guī)范表

進(jìn)行正交設(shè)計(jì)時(shí)，將磨耗層、聯(lián)結(jié)層和基層一起組成3因素4水平正交試驗(yàn)表，見表6。參考各結(jié)構(gòu)層材料規(guī)范，選取各結(jié)構(gòu)層模量，磨耗層7 000 MPa+聯(lián)結(jié)層9 000 MPa+基層、底基層11 000 MPa+路面承臺(tái)120 MPa。

表6 3因素4水平厚度變化正交試驗(yàn)表L16(43)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變結(jié)果與分析

利用ALIZE軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出瀝青層底拉應(yīng)變?chǔ)舲adm為240.2 με，承臺(tái)層頂壓應(yīng)變?chǔ)舤adm為52.8 με，并確定路面厚度為磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層16 cm+底基層16 cm。不同厚度處彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。

圖1 彎拉應(yīng)變沿深度變化圖

從圖1可以看出，初始時(shí)應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，到9 cm深度處開始轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，面層和基層的應(yīng)變沿深度變化的變化率近乎相似。在荷載作用下，面層主要為拉應(yīng)變，基層主要為壓應(yīng)變，拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在磨耗層層底位置，壓應(yīng)變最大值出現(xiàn)在路面承臺(tái)頂部。瀝青層的拉應(yīng)變值較小，路面承臺(tái)壓應(yīng)變值較大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮路面承臺(tái)的壓應(yīng)變。

2.2 模量的影響結(jié)果與分析

按照表3的正交試驗(yàn)表，利用ALIZE軟件計(jì)算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表7所示。

表7 拉、壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出各個(gè)因素水平下的指標(biāo)之和，計(jì)算平均值然后求極差，極差值越大，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。分析結(jié)果如表8、表9所示。

表8 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表9 承臺(tái)層頂壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

由表8結(jié)果可以看出，路面承臺(tái)模量的極差值是面層的10倍，是基層的3倍，表明路面承臺(tái)模量是瀝青層層底拉應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量的影響最小。由表9結(jié)果可以看出，路面承臺(tái)模量的極差值是面層的11倍，是基層的5倍，表明路面承臺(tái)模量同樣也是路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量對(duì)承臺(tái)層頂壓應(yīng)變的影響最小。模量對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

2.3 厚度的影響結(jié)果與分析

將表5的數(shù)據(jù)輸入軟件，計(jì)算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表10所示。

表10 拉、壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表11、表12所示。

表11和表12結(jié)果顯示，基層厚度的極差值是磨耗層和聯(lián)結(jié)層的1.9倍，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度的極差值幾乎相等，表明基層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響顯著，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響結(jié)果相同。厚度對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

表11 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表12 承臺(tái)頂面壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)全厚式瀝青路面面層和基層應(yīng)變沿深度變化的變化率相近，拉應(yīng)變出現(xiàn)在面層，壓應(yīng)變出現(xiàn)在基層。拉應(yīng)變較小，壓應(yīng)變較大，最大應(yīng)變出現(xiàn)在路面承臺(tái)頂部。

(2)路面承臺(tái)模量是設(shè)計(jì)指標(biāo)的重要影響因素，遠(yuǎn)大于基層模量和面層模量對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響。

(3)基層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響顯著，其次是磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響結(jié)果相同。

(4)模量和厚度對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。