吴奇帆

（中建南方投资有限公司 深圳 518022）

0 引言

沥青路面的破坏形式主要包括裂缝、坑槽等，其中裂缝是沥青路面最为主要的病害形式。依据裂缝产生根原划分类型，可将其分为非荷载、荷载类型两类。对于荷载型裂缝，其产生原因大多是反复车辆荷载下，沥青路面的比面层更易产，开裂破坏将在基层底部迅速展开，致使路面出现反射裂纹。

国内外专家学者就沥青路面裂缝的形式和变化机理开展了较多的研究。Jiwon Kim 等人［1］利用有限元计算，发现对路面微裂缝产生贡献最大的是汽车轮胎边缘荷载所产生的拉应力，而温缩应力使微裂缝扩展成由上而下的纵向裂缝。李清富等人［2］基于路面结构的三维有限元模型，通过计算发现路面的表层是结构分布最集中处，导致半刚性路面产生裂缝的主要原因正是最大剪切应力大于沥青混合材料抗剪强度。沥青路面的破坏除了与荷载、温度有关，还受到路面结构间层的粘结状态的影响。朱耀庭等人［3］结合Godman模型分析了路面结构间层粘结状态，基于BISAR3.0路面结构软件对互异粘结状态下的路面结构受力情况进行了计算和对比分析，发现沥青面层的疲劳寿命大幅下降与层间粘结的脱离有紧密联系，持续竖向荷载作用下，将增加90%。Lubinda 等人［4］的研究表明，层间粘结情况与路面受荷破坏程度有重要关系，路面结构内的相关力学指标（应力、应变等）受到粘结状态影响，沥青磨耗层纵向、横向拉应变增加。彭妙娟等人［5］利用有限元软件计算不同粘结状态下沥青路面结构的力学特性，结果表明持续荷载增加的情况下，路面结构车辙变形程度与层间粘结状态优劣呈正相关影响。目前，国内高速公路大多采用半刚性基层沥青路面，其材料特性决定了在使用过程中不可避免产生温度收缩和干缩开裂，进而致使路面破坏。而复合式、沥青路面的投入，又使得路面结构具有良好的承载变形性能。有别于不同的路面结构形式，三种沥青路面所表现的路面性能、耐久性均不相同，有必要对三者的结构力学变形特性进行深入研究。

鉴于此，本文选用公路工程沥青路面常用的路表弯沉和层间弯拉应力作为研究指标，基于BISAR3.0路面计算软件，针对半刚性、复合式、柔性基层沥青路面不同结构构建分析模型，研究不同路面结构的沥青路面力学指标（弯沉值、拉弯应力和应变）的变化规律，可为沥青路面结构选取与施工设计提供更为准确和完善的参考依据。

1 典型沥青路面结构及参数选择

三种典型的沥青路面结构形式如表1所示，依据《公路沥青路面设计规范：JTG D50-2006》要求，选取路面材料的设计参数，泊松比可选取美国规范中SHRP LTPP 的推荐值［1］。

表1 不同典型沥青路面结构分层和参数选择Tab.1 Structure Layering and Parameter Selection of Different Typical Asphalt Pavement

路面计算荷载采用国家现行规范BZZ-100 标准轴载，按照双轮垂直设置均布荷载来构建层状路面结构，单轮传压面当量圆直径为21.3 cm，轮胎触地压强为 0.7 MPa，双圆中心距位 1.5d cm［6-8］。假设计算过程中路面个结构层间完全连续，X 方向为路面横断面方向，Y 方向为行车方向，Z 方向为路面结构深度方向。双轮垂直施加荷载时（不考虑轮胎对地面的水平作用），此时路面结构受力最不利的区域必定在X-Z 平面上。因此，在模型分析时，以该平面为研究对象计算X-Z 平面内应力、应变及竖向变形，并在X 方向上取19 个不同的研究点，如表2所示。

2 路表弯沉分析

青路面的竖向受荷变形的综合反映为路表弯沉。这不仅是路面结构整体刚度的体现，还是我国沥青路面结构设计的重要指标之一［9］。本文应用BISAR3.0 计算上述三种路面结构方案下的横断面路表弯沉，详细计算结果如表3所示。

表2 路面结构力学分析取点分布Tab.2 Distribution of Points for Mechanical Analysis of Pavement Structures

表3 三种路面结构路表弯沉值计算结果（0.01mm）Tab.3 Calculated Results of Surface Seflection of Three Pavement Structures（0.01mm）

为更加直观地分析路表弯沉的空间分布，将半刚性基层沥青路面弯沉值得计算结果三维化（见图1），并对三种不同路面结构路表弯沉值进行对比分析，如图2所示。

图1 半刚性路基沥青路面弯沉分布Fig.1 Deflection Distribution of Semi-rigid Subgrade Asphalt Pavement

分析图2可知，三种形式的路面结构计算结果显示在标准荷载下的弯沉随X 坐标的分布总体相似，但由于所选三种路面结构的结构层厚度和数值参数不同，导致路表弯沉值趋势线的起伏程度和数值并不相同。此次分析模型建立过程中，所选复合式、半刚性基层沥青路面均为厚度相当的无机结合料稳定材料，而复合式沥青路面结构较半刚性沥青路面多加铺一层碎石柔性层作为，因此弯沉值最小。而柔性基层沥青路面结构整体弯沉值较大，弯沉盆半径也最小。

图2 不同结构基层弯沉变化趋势Fig.2 Deflection Trend Chart of Different Structural Base Layers

然而，在沥青路面结构评价中路表弯沉值只是反映路面性能的综合指标之一，很难准确反映路面各结构层及破坏类型［10］。理论研究表明，路面弯沉的受路基控制，而设计弯沉值却没有考虑土基的影响。另外，由于不同路面结构可采用不用弯沉值设计标准，使得弯沉值并不能较为准确反映出路面损坏的本质。因此，为了更为准确地反映出路面损坏本质，弥补弯沉值指标的局限性，在规范中又增加了沥青层及其他结构层底面的弯拉力作为设计指标。

3 拉弯应力分析

对以上三种结构中垂直于行车方向和平行行车方向的弯拉应力（σx、σy）进行了计算，并将计算结果三位化，如图3～图5所示。

图3 半刚性基层沥青路面弯拉应力结构Fig.3 The Structure Diagram of Flexural-tensile Stress of Semi-rigid Base Asphalt Pavement

三种不同路面结构沥青路面在标准荷载作用下，水平面内的σx、σy弯拉应力的三维空间分布相似，而各结构层厚度及材料强度导致起伏程度及峰值大小有所不同。弯拉应力较大区域在距离轮隙中心在0.08～0.24 m之间，大致以单轮施加荷载点为中心，左右两侧各约1个荷载圆半径。从X向及Z向综合分析可以发现，三种结构均以单圆荷载中心处受力最为不利。在所取道路计算宽度内，沥青层材料基本上完全处于受压状态，以荷载圆中心为最大，向两侧递减。而半刚性基层结构基层处于拉应力状态，上部为压应力状态。且在层底存在σx＜σy的关系，分析此关系是半刚性基层多发生横向开裂的重要因素之一；车轮荷载作用下，柔性路面的中心压应力最大，结构深度的增加伴随着压应力的迅速减少；复合式沥青路面基层结构弯拉应力大小变化介于半刚性基层与柔性基层沥青路面之间。

图4 复合基层沥青路面弯拉应力结构Fig.4 The Structure Diagram Bending and Tensile Stress of Composite Base Asphalt Pavement

图5 柔性基层沥青路面弯拉应力结构Fig.5 The Structure Diagram of Flexible Base Asphalt Pavement Bending-tension Stress

4 拉弯应变分析

在单向应力条件下，应力和应变满足式⑴，则可以认为应力应变关系分析结果是等效的［9］。

然而，沥青路面在荷载作用时常处在复杂的三向应力状态。三个方向的应力与应变状态遵循广义虎克定律公式⑵，使路面的受力和变形相差很大。

因此，对三种不同路面结构开展了弯拉应变的数值模拟计算。图6～图8为计算结果弯拉应变分布图。

图6 半刚性基层沥青路面弯拉应变Fig.6 Bending Tensile Strain of Semi-rigid Base Asphalt Pavement

图7 复合基层沥青路面弯拉应变Fig.7 Bending and Tensile Strain of Composite Base Asphalt Pavement

图8 柔性基层沥青路面弯拉应变Fig.8 Bending Tensile Strain of Asphalt Pavement of Flexible Base Asphalt Pavement

由图6～图8分析结果可知，三种不同沥青路面结构在标准荷载作用下，拉弯应变εx、εy的三维空间分布相似，而由于各结构层厚度及各层材料强度不同，使得计算模型曲面起伏程度及数值大小不同。另外，三种沥青路面结构应变较大区均以单圆荷载中心为中心，分布区域在0.08～0.24 m之间，且单轮荷载施加点处始终为最不利变形点。半刚性基层沥青路面荷载圆下深度在0.06～0.08 m、复合式基层沥青路面荷载圆下深度在0.06～0.14 m之间，路面材料处于最不利的变形状态；柔性基层弯拉应变沿基层垂直向下深度范围内，后随深度增大有再次明显增大趋势。三种结构沥青面层从应力分析来看虽然都处于受压状态，但经过计算说明确实有拉应变区域存在，且有εx＞εy，此为沥青混合料的不利变形形式，与所观测沥青路面常见的纵向荷载型裂缝有直接关系［11］。

5 结论

⑴半刚性基层沥青路面、复合式基层沥青路面、柔性基层沥青路面三类路面结构类型在标准竖向荷载作用下，其弯沉值随X坐标的分布总体相似，但随路面结构基层厚度和数值参数不同，导致路表弯沉值趋势线的起伏程度和数值存在差异。

⑵三种不同沥青路面结构在竖向标准荷载下，弯拉应变εx、εy、σx、σy弯拉应力的三维空间分布相似；X向及Z向分析，结构内部的弯拉应力及拉弯应变最不利位置在单轮荷载接触点中心；荷载作用下三种沥青结构均处于压缩状态，且层底拉应力σx＜σy、弯拉应变有εx＞εy，使得路面材料的不利变形类型，与所观测沥青路面常出现的纵向荷载型裂缝有直接关系。

⑶复合式基层沥青路面受力变形状态介于半刚性基层和柔性基层路面之间，力学特性上吸收二者优点，在沥青公路设计中应予以优先采用。