我國當(dāng)前的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是建立在彈性層狀體系理論上的,依據(jù)車輛荷載反復(fù)作用而發(fā)生結(jié)構(gòu)層材料疲勞破壞決定使用年限的耐久性設(shè)計方法，主要包括路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計與路面結(jié)構(gòu)層厚度計算，路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計主要是選取結(jié)構(gòu)層材料及所在層位的組合形式；路面結(jié)構(gòu)層厚度計算是采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性連續(xù)體系理論。結(jié)構(gòu)層模量和厚度是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)，二者的變化對于瀝青路面的使用性能有很大的影響，是造成瀝青路面損壞的內(nèi)在因素。因而要對路面結(jié)構(gòu)厚度和模量變化時的結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)變化趨勢進(jìn)行分析。
1.結(jié)構(gòu)層模量對路面結(jié)構(gòu)的影響
1.1面層模量
根據(jù)近幾年來許多研究者進(jìn)行的大量計算成果，分析得出，隨面層模量值的增加面層層底受到的壓應(yīng)力減小，逐漸向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化；當(dāng)面層材料的面層模量值超過1600MPa(20℃)時，對減輕路表車轍的作用并不明顯，反而路面耐疲勞性能大大降低；基層層底拉應(yīng)力隨著面層模量值的提高而逐漸降低。最大剪應(yīng)力峰值隨著面層模量的增加而減少(最高減幅達(dá)36.0%),而最大彎沉值隨著面層模量的增加而同樣呈現(xiàn)減少趨勢，路表彎沉逐漸降低，但降低的速率較為緩慢，總體上來說面層模量對路表彎沉的影響不是很大。溫度升高,瀝青混凝土的抗壓回彈模量減小,分析顯示,當(dāng)面層模量減少時,所承受的最大剪應(yīng)力峰值是增加的,這說明路面結(jié)構(gòu)的抗剪能力在夏天最為不利。面層材料抗壓回彈模量值在20℃和l5℃時的模量差值愈大，面層層底拉應(yīng)力愈大。l5℃時面層材料抗壓回彈模量值愈大，上層層底拉應(yīng)力愈大。
因此，在滿足承載能力要求的情況下，應(yīng)盡量使面層模量降低，從而延緩裂縫發(fā)展；同時應(yīng)降低面層、基層的溫縮系數(shù)，以減小溫縮應(yīng)力。以往路面疲勞壽命設(shè)計只注重行車荷載對其壽命的影響而忽略溫度疲勞作用是不符合實際的，這往往會導(dǎo)致路面計算疲勞壽命偏高，因此有必要運(yùn)用斷裂力學(xué)的有關(guān)理論對路面在溫度和荷載共同作用的情況下疲勞壽命進(jìn)行驗算.
1.2基層模量
隨著交通量的快速增長需要采用強(qiáng)度大、穩(wěn)定性好的基層。采用半剛性基層可以有效減小瀝青面層底面形成拉應(yīng)力的可能性，并可以大大減小路基頂面壓應(yīng)力的大小，保護(hù)路基的穩(wěn)定,但基層強(qiáng)度和模量的大大增加也帶來了一些問題，通過對已建成通車的高速公路的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，即使路面材料完全按照瀝青路面設(shè)計規(guī)范的要求進(jìn)行設(shè)計，仍然會出現(xiàn)一些早期破壞。
用彈性層狀理論體系和有限元方法分析均可得出：基層模量的增大可以減小路表彎沉，從而降低路面的總厚度，不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性車轍。但隨著模量的增加，彎沉減小的速度明顯減小；基層模量的增大，可以有效減小面層底面的拉應(yīng)力,瀝青混凝土層底彎拉應(yīng)變迅速下降，基頂壓應(yīng)變還會變小，面層和基層內(nèi)的壓應(yīng)力增大，但變化幅值不是很大。
采用高模量的半剛性基層材料,可以獲得較低的彎沉值,從而有利于順利通過竣工驗收。這可能是當(dāng)前我國半剛性基層高級瀝青路面竣工時驗收合格,卻仍然容易出現(xiàn)早期損壞的原因之一。在底基層模量較低的情況下,基層模量的增大會增加基層底面的拉應(yīng)力,且縱向拉應(yīng)力會比水平拉應(yīng)力大。
然而過大的基層模量會導(dǎo)致面層內(nèi)過大的壓應(yīng)力,會使瀝青混凝土產(chǎn)生壓密變形,會導(dǎo)致車轍,同時會使基層底面出現(xiàn)拉應(yīng)力。并且，基層模量的增大，面層中的剪應(yīng)力也會增大，使路面產(chǎn)生剪切破壞的概率增大。研究表明高模量半剛性基層引起的瀝青表面層最大剪應(yīng)力值明顯高于規(guī)范所推薦模量值的半剛性基層引起的最大剪應(yīng)力值。
基層模量在1O00MPa～3000MPa范圍內(nèi)，對路面彎沉、基層層底彎拉應(yīng)力和底基層層底彎拉應(yīng)力等三個考核指標(biāo)的影響不大，因此在進(jìn)行半剛性材料的組成設(shè)計中，應(yīng)該重視半剛性材料的變形和穩(wěn)定性方面的性能，不必以高模量來指導(dǎo)材料的組成設(shè)計，綜合考慮基層的模量應(yīng)該保持在一個適中的范圍，以0.8～1.2GPa為宜。
另外，有計算結(jié)果表明,增加基層剛度可減小路面車轍破壞,但可能加速裂縫的產(chǎn)生，增加基層厚度雖可減小路表彎沉，但對抗車轍能力的提高則不太明顯。所以在路面設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)對這兩個因素，加以認(rèn)真的研究,以獲得合理的設(shè)計方案。
1.3底基層模量
底基層模量對路面彎沉的影響較大，底基層模量的增大會有效減小路表彎沉和基層底面拉應(yīng)力，且底基層模量對土基頂面壓應(yīng)變比較敏感。底基層的模量增加時，面層底面溫度最大拉應(yīng)力減小，但幅度很有限(小于1%),最大荷載拉應(yīng)力減小。由此可知采用回彈模量高的底基層材料對提高路面荷載疲勞壽命有一定的好處。
隨著底基層彈性模量的增大，瀝青面層層底應(yīng)力會明顯地減小。因此底基層彈性模量的增大，對防治因車輛荷載引起的剪切型反射裂縫有一定的好處。由于半剛性路面的底基層也采用了半剛性材料，減小了基層底面的拉應(yīng)力，使得底基層底面的拉應(yīng)力略大于基層底面的拉應(yīng)力，增大了路面的整體承載能力。
1.4土基模量
土基模量對路面表面彎沉的影響最大，土基模量的增大能有效減小路面結(jié)構(gòu)的整體彎沉，但彎沉降低的速率隨著土基回彈模量值的增加而逐漸降低，其次是對底基層底部拉應(yīng)力的影響，對基層底部拉應(yīng)力的作用不大。隨著土基回彈模量值的逐漸提高，面層層底壓應(yīng)力逐漸降低并逐漸轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力；隨土基值的提高基層層底承受的拉應(yīng)力逐漸減小。在實際工程中，應(yīng)該重視對土基狀況的改善，以獲得路面性能的較大改善，在考慮到土基處理經(jīng)濟(jì)合理的基礎(chǔ)上，土基模量宜取50MPa～100MPa之間。
2.結(jié)構(gòu)層厚度對路面結(jié)構(gòu)的影響
2.1面層厚度
面層越厚，輪隙彎沉隨著面層的增加而減少的越多。面層厚度為4～8cm時，面層越厚，底基層底面的彎拉應(yīng)力隨著面層模量的增加越小，但彎拉應(yīng)力的變化差越大。隨著面層厚度的增加，面層層底由受壓狀態(tài)逐漸向受拉狀態(tài)轉(zhuǎn)化，而底基層層底拉應(yīng)力逐漸降低。上面層厚度變化對路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力峰值的影響相對基層來說要顯著些，但也并不十分突出。
隨著面層厚度的增加，車轍量逐漸降低，可見增厚瀝青層有利于改善車轍變形。有研究認(rèn)為路基為砂土材料時，面層厚度對車轍影響很大，面層較薄時車轍較深，而且主要是由路基的變形引起的；面層較厚時，路基變形很小或者基本不產(chǎn)生車轍。當(dāng)路基為剛性，半剛性等強(qiáng)度剛度較大的材料時，宜采用薄瀝青面層，面層越厚車轍越深，面層越薄車轍越淺；而當(dāng)路基和基層材料強(qiáng)度剛度較弱時，應(yīng)適當(dāng)增加面層厚度，以減輕車轍深度，也有助于抑制基層裂縫的擴(kuò)展。
2.2基層厚度
基層厚度的變化對彎沉的影響要比面層厚度變化對其的影響要顯著，有研究表明，基層厚度改變對其影響均超過10%，而面層厚度改變對其影響的最大值也僅4.66%。隨著基層厚度的增加，瀝青路面的彎沉值逐漸變小，但是當(dāng)基層厚度達(dá)到一定的值時,彎沉值的變化較小。
基層厚度變化對半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層最大彎拉應(yīng)力、面層層底應(yīng)力有較為明顯的影響。隨著基層厚度逐漸增加,瀝青路面面層底部的拉應(yīng)力逐漸減小，因此基層厚度的增加對面層的彎拉應(yīng)力有利。增加基層厚度可以減輕基層的開裂程度。從分析結(jié)果看來，半剛性基層對厚度的敏感性很大，增加其厚度能夠有效地增加其疲勞壽命，因此，對于半剛性基層路面的設(shè)計，應(yīng)采用較厚的設(shè)計方案。
半剛性基層的厚度達(dá)到0.50m左右(路面結(jié)構(gòu)總厚度達(dá)到0.88m左右),高速公路半剛性基層瀝青混凝土路面才有可能具有較長的使用壽命。粗粒式瀝青混凝土上基層的厚度達(dá)到0.30m左右(路面結(jié)構(gòu)總厚度達(dá)到0.80m左右),高速公路粗粒式瀝青混凝土上基層與半剛性下基層復(fù)合瀝青混凝土路面才有可能具有較長的使用壽命。
在一定的范圍內(nèi)基層厚度的變化，不管是半剛性基層還是柔性基層，也無論荷載分布形式如何，對路面最大剪應(yīng)力的影響并不明顯。盡管基層厚度對最大剪應(yīng)力的影響不太明顯，但仍有一定的變化規(guī)律，即隨著基層層厚的增加，路面所承受的最大剪應(yīng)力峰值呈微弱增大的趨勢，且其位置均處于上面層。
2.3底基層厚度
底基層厚度的變化對瀝青路面彎沉值和面層層底應(yīng)力的影響均非常顯著。隨著底基層厚度的增加,瀝青路面的彎沉值和面層層底應(yīng)力都有很大程度的減小。適當(dāng)增加底基層的厚度,可以提高路面的強(qiáng)度和它的使用壽命，有助于降低基層裂縫的擴(kuò)展。
2.4厚度組合
不同厚度的瀝青層和基層組合,影響表面層局部剪切破壞的最大剪應(yīng)力值和瀝青層底疲勞開裂的最大彎拉應(yīng)變值有較大的變化。半剛性基層瀝青路面,由于基層具有很高的強(qiáng)度,能滿足汽車的行駛而不破壞,瀝青面層不起強(qiáng)度作用只起功能作用。因此,瀝青面層厚度可適當(dāng)減薄,對全國大多數(shù)地區(qū)(中冰凍區(qū)～非冰凍區(qū))來講,高等級公路半剛性基層瀝青路面之瀝青面層的合理厚度為12～6cm。
厚瀝青面層路面受力時，面層的最大剪應(yīng)力減小，這有利于表面層抗剪切破壞能力的提高，面層的層底彎拉應(yīng)變減少，這對于防止瀝青層底疲勞開裂是有利的，即厚瀝青層有利于路面結(jié)構(gòu)抵抗整體破壞能力的提高，整體抗變形能力指標(biāo)——彎沉和路基抗變形能力指標(biāo)——基頂壓應(yīng)變變化很小。
3.結(jié)語
通過以上對瀝青路面結(jié)構(gòu)層的各層模量和厚度的變化對結(jié)構(gòu)層內(nèi)部剪應(yīng)力、彎拉應(yīng)力應(yīng)變、層底拉應(yīng)力和彎沉產(chǎn)生的影響的分析可知，在瀝青路面設(shè)計中，確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)對達(dá)到路面早期損壞的減少、提高路面壽命和道路良好的使用性能有積極的作用。由以上分析亦可知，適當(dāng)增加各結(jié)構(gòu)層的厚度可以提高路面的結(jié)構(gòu)性能。
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