韩晓洲 张剑 吴亮

0 引言

半刚性基层沥青路面是我国沥青路面的主要结构形式，我国沥青路面设计是以设计弯沉、沥青层层底拉应力以及半刚性材料层拉应力为设计指标。沥青路面结构层厚度的确定是结构层设计中最重要的部分，它不但包括路面的基本受力分析，还涉及到实际交通轴载状况和当地经济因素。因此，对不同的沥青路面结构，其各层位厚度的确定要与相应结构的设计理论和设计方法相匹配，结构层厚度应满足相应设计指标的要求。

本文针对我国路面主要结构形式，拟定了几种路面结构，采用不同沥青层、半刚性基层厚度，而且路面材料模量也不同，利用Bisar3.0软件，对各结构沥青路面的半刚性层层底拉应力、基层顶面压应变，以及沥青结构层剪切应力进行计算。根据计算结果，分析沥青层厚度的改变对各力学指标的影响。

1 计算模型的建立

本文应用弹性层状连续体系理论来分析沥青层厚度对路面应力分布的影响。文中采用Bisar3.0力学计算程序，荷载方式采用双圆均布荷载，标准轴载100 kN，当量圆半径为10.65cm，轮隙间距为1.5r，考虑水平荷载的影响，其表面摩擦系数f=0.2，荷载作用如图1所示。

2 路面结构拟定及计算参数确定

根据我国常用半刚性路面结构形式，拟定了路面结构组合，见表1。

3 力学分析

根据Bisar3.0计算结果，主要分析沥青层厚度对结构层中半刚性结构层层底拉应力、基顶压应变以及沥青层内剪应力的影响，从而得出决定沥青层厚度设计的关键控制指标。

表1 半刚性基层沥青路面结构组合及材料参数

3.1 对半刚性结构层层底拉应力影响

根据已有研究成果及计算结果可知，半刚性结构层最大拉应力出现在荷载中心处，故在对如表1所示结构进行分析时，主要对比结构层不同厚度对荷载中心处拉应力的影响。

对不同沥青层厚度下半刚性结构层层底拉应力进行分析，可知:

1)随着沥青结构层厚度的增加，半刚性结构层层底拉应力逐渐减小。沥青层厚每增加5cm，半刚性结构层层底拉应力减小幅度也不同，但变化范围均在10%～17%;半刚性结构层越厚，其减小幅度越小。这是由于半刚性层厚增加后，对路面的承载能力的贡献也会增大，起到主导作用，此时，单是沥青层厚度的改变，对结构层整体受力模式影响程度将减小。

2)增加沥青层的模量，可以减小半刚性层底拉应力，但减小幅度较小。沥青层模量每增加400mPa，半刚性结构层底拉应力仅减少约3%～6%，减小幅度很小，且沥青层越厚，其模量变化对半刚性层底拉应力影响越大。这是因为当沥青层厚度增加，对路面的承载力贡献加大，当模量增大时，其可消散大部分的应力，使得半刚性结构层底拉应力减小。

3)对于采用两层半刚性材料做沥青路面基层时，半刚性材料厚度一般在30cm～40cm范围内，那么，根据半刚性基层层底拉应力所确定的最小沥青层厚也应在17cm～28cm之间，若混合料模量低于1400mPa，则需要的沥青层厚度应更大。因此，在相同设计要求下，采用高模量沥青混凝土可减小沥青层厚度。

3.2 对基顶压应变的影响

半刚性沥青路面结构基顶压应变在XOY平面内分布不同于半刚性层底拉应力的分布，其最大值出现在轮迹内侧，并未出现在轮隙中心，如图2所示。

对不同沥青层厚度下半刚性结构层层底拉应力进行分析，可知:

1)半刚性类基层沥青路面基顶压应变随沥青层厚度的增加而减小。在15cm～40cm范围内，沥青层每增加5cm，基顶压应变减少幅度均在10%～18%之间，对于半刚性基层厚度较大的路面结构，基顶压应变随沥青层厚变化的幅度较小。

2)基顶压应变随着沥青结构层模量的增大而减小，但减小幅度很小，沥青混凝土模量在1400mPa～2200mPa之间每增加400mPa，半刚性类基层沥青路面基顶压应变减少约3%～8%。沥青材料模量对基顶压应变的影响模式同拉应力，即厚的沥青结构层随模量增加，基顶压应变的减小幅度较大。

3.3 对沥青结构层最大剪应力影响

由于剪应力对路面结构的影响主要是沿深度方向，故对结构层剪应力分析时，仅对路面深度方向剪应力分布进行研究。以路面横断方向为XX方向，结构层深度方向为ZZ方向，重点分析XOZ方向沥青结构层剪应力分布，在深度方向，半刚性结构沥青层剪应力分布如图3所示。

当沥青层厚度在15cm～40cm范围内变化时，结构层剪应力均随深度的增加先增加，达到峰值后则开始减小。当沥青层厚度超过25cm后，沥青层内剪应力已趋于稳定，不足沥青结构层内最大剪应力的1/3，这说明，沥青结构层剪切破坏主要集中在剪应力峰值分布位置周围。

4 结语

1)半刚性基层沥青路面基层层底拉应力、基顶压应变以及面层剪应力，都随沥青层厚度的增大而减小，但在同一深度增大的幅度各不相同。

2)虽然沥青层厚度增加能使沥青层底拉应变和路基顶面压应变减小，但沥青层厚度不能无限增加，要考虑工程实际和经济性。可通过采取其他措施，如采用改性沥青来提高沥青层的极限拉应变，强化土基或铺垫层来减小路基顶面压应变，从而使路面结构整体强度满足要求。

3)各个参数对每个力学指标的影响都不尽相同，路面结构不应只决定于其中某个指标，而应平衡各个指标的关系以得到最佳结构，综合考虑各指标的有利影响。

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