李炜 李峰 吴俭

由于沥青路面表面平整无接缝、柔性好，提高行车车速，降低油耗，行车舒适，路面耐磨强，扬尘少等优点，沥青道路在我国发展至今，在高等级公路中占有很重要的地位(约占全部数量80%～90%)。半刚性基层板体性能好，给沥青路面整体均匀受力，在沥青混凝土路面中得以广泛运用。

沥青路面疲劳性:路面在反复荷载作用下抵抗破坏的能力，长期使用过程中压应力、拉应力均存在，且处于两种应力交迭变化状态，当荷载重复作用超过路面面层材料所能承受的疲劳次数后，就会使结构强度抵抗力下降，产生疲劳破坏。

1 沥青路面面层疲劳损伤机理

理论和实践表明:在行驶车轮的荷载作用下(如图1所示)，路面结构内各点均处于复杂的应力应变状态中，图1中B点σ，ε随着车轮滚动而变化(B点σ随时间变化曲线如图2所示):当车轮作用于B点正上方时，B点受到三向拉应力作用;当车轮行驶过后B点应力方向转变，数值变小，并有剪应力产生;当车轮驶过一定距离后，B点则承受主压应力作用。路面表面 A点则相反，车轮驶近时受拉，车辆直接作用时受压，长期处于应力(应变)交替循环变化的状态。

路面材料的抗压强度≫抗拉强度，而且B点在车轮下所受的压应力≫A点在车轮驶近或驶过后产生的拉应力，因此路面疲劳裂缝通常从面层底部开始，路面疲劳设计也应该以面层底部的拉应力、拉应变作为控制指标。

2 沥青路面疲劳设计方法

我国沥青路面设计规范采用层底拉应力指标进行验算，充分考虑结构层材料的疲劳性，利用结构强度系数K与材料的劈裂强度得出结构层底面的容许拉应力，具体如下:层底拉应力σm≤容许拉应力σR，则厚度满足。即:

其中，σR为沥青稳定基层材料的容许拉应力，MPa;σSP为沥青稳定基层材料的劈裂强度，MPa;KS为抗拉强度结构系数;Ac为公路等级系数;Ag为沥青混合料级配系数;Ne为标准轴载当量轴次。

3 沥青稳定基层与半刚性基层疲劳设计方法

沥青稳定材料是一种粘弹性材料，在荷载作用下具有较好的柔性，对拉应力的变化具有较好的适应性;而半刚性材料的刚度较大，有较大的抗拉强度，但同时对拉应力的变化较为敏感。

根据我国沥青路面设计规范，在计算沥青混合料与半刚性材料的结构强度系数KS=B0Nc时，采用的系数c分别为0.22和0.11。

半刚性材料疲劳寿命为:

沥青混合料疲劳寿命为:

4 疲劳寿命对轴重的敏感性分析

由理论分析得知，单后轴双轮组不同轴载应力比的简化公式为:

其中，σ1，σ2均为基层底面拉应力;P1，P2均为轴载总量。

与基层材料的疲劳规律相联系，基层材料的疲劳规律为:

其中，σ0为该材料的抗拉强度;σ为某轴载作用N次的疲劳拉应力。

由上面两个式子可以得到以基层底面拉应力等效时的轴载换算公式为:

半刚性基层中b=0.84，c=0.11;沥青稳定基层中 b=0.84，c=0.22，则有:

半刚性基层:N1/N2=(P2/P1)7.64。

沥青稳定基层:N1/N2=(P2/P1)3.82。

由以上计算公式计算标准轴载作用一次为1次，其他轴载重分别相当于标准轴载次数N，其结果见表1。

5 工程实例

利用BISAR程序计算浙江某道路路面结构层，其路面结构层如下:

路面结构1:5 cm AC-16C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+7 cm AC-25C粗粒式沥青混凝土(E=1 200)+34 cm 6%水泥粉煤灰稳定碎石(E=1 800)+20 cm石灰稳定土(E=600)+土基(E=1 400，μ=0.35)，E的单位为MPa，泊松比 μ除标明，其余均为0.25。

表1 当量轴载作用次数 kN

路面结构2:4 cm AC-13C细粒式沥青混凝土(E=1 400)+6 cm AC-20C中粒式沥青混凝土(E=1 400)+16 cm沥青稳定碎石(E=1000)+46cm 3%水泥粉煤灰碎石(E=1000)+土基(E=1 400)，E的单位为MPa，泊松比 μ除标明，其余均为0.25。

经计算:路面结构1水泥粉煤灰稳定碎石基层层底拉应力σ=0.12 MPa，则有 Ne=1.9×108次;路面结构2中16 cm 沥青稳定碎石基层层底拉应力σ=0.02 MPa，则有 Ne=2.8×109次。分析得:水泥粉煤灰稳定碎石的劈裂强度较大，所以水泥粉煤灰稳定碎石基层的疲劳寿命稍微大一些。

6 结语

1)经过对沥青稳定基层与半刚性基层两种不同材料基层的疲劳寿命计算与分析:该两种基层中沥青稳定基层底拉应力对厚度变化敏感性较差，但疲劳寿命对厚度的敏感性较大(厚度越大，差异越明显)。从疲劳设计及经济合理的角度看，增加半刚性基层的厚度可以快速提高路面疲劳寿命;增加沥青稳定基层厚度则较小提高路面疲劳寿命，所以使用沥青稳定基层时，应该从加强对地基的处理，提高地基强度，减小基层底面的拉应力，从而提高路面疲劳寿命。2)通过以上的计算和分析:半刚性基层路面轴载敏感性很大，即半刚性基层路面上的超载车辆增多，导致路面很快损坏;而沥青稳定基层路面轴载敏感性小，对超载车辆的适应性较强，适合于超载较多的道路。3)通过以上的计算和分析:当道路上交通量以小型车辆为主时(占交通量80%以上)，采用半刚性基层路面，其疲劳寿命更长;但当重轴车辆一次性作用远超过路面(轴重远大于路面结构抗力导致路面破损后)，不再对其进行正常疲劳寿命分析。

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