沥青路面级配碎石基层强度控制标准研究

李如敏 孙明山

(河北省高速公路石黄管理处，河北 石家庄 050006)

0 引言

随着重载交通的不断发展，传统以多层弹性理论为基础的路面结构设计方法正面临着严峻考验[1]。对于当前复杂的路面病害状况，以应力应变为主的路面结构设计指标已难以满足设计需求，也未能充分考虑力学响应规律和材料特性，从而导致沥青路面耐久性严重不足[2]。目前沥青路面的各结构层基本上按全功能要求进行设计，但结果很难与沥青各结构层力学和功能要求相适应。本文基于重交通沥青路面损坏机理、路面荷载响应规律及材料特性等，从力学响应入手，开展倒装沥青路面级配碎石基层的强度控制标准研究。

1 研究方法

1.1 力学计算参数

基于BISAR3.0程序，分析沥青路面结构层材料参数及荷载的变化对路面结构应力的影响。在分析过程中，本文将路面结构均视为线弹性层状体系[3]。以河北寒区某倒装沥青路面为例，其路面结构和计算参数如表1所示。

表1 路面结构及参数

基于JTG D50—2017公路沥青路面设计规范，荷载及计算点采用双圆均布竖向荷载作为计算荷载，如图1所示。

1.2 强度指标选取

根据现场调研可知，沥青路面结构的损坏类型主要有面层的开裂和车辙以及基层的剪切破坏[4]。级配碎石基层发生剪切破坏的实质是由于其结构内部的剪应力超过其抗剪强度而发生的剪切变形。因此，宜采用反映剪切变形能力的抗剪强度作为其强度控制指标。本文分别选取CBR和抗压强度作为级配碎石基层材料的强度设计指标。

2 结果与讨论

2.1 级配碎石基层的力学响应分析

对于级配碎石结构层，由于路表拉应力即使在较大荷载作用下数值仍然较小，故后文不再对设配碎石过渡层的沥青路面进行荷载作用下的路表拉应力研究[5]。考虑级配碎石容易发生塑性变形，故研究0.7 MPa荷载作用下级配碎石基层剪应力分布规律，如图2所示。

图2表明， 级配碎石层剪应力最大值出现在级配碎石层顶部O2点，故选O2点作为级配碎石层剪应力研究点位。不同荷载作用下O2点级配碎石层剪应力分布规律见图3。由图3可知，级配碎石层最大剪应力随荷载的增加线性增大。

2.2 级配碎石基层对各结构层力学指标的影响

为了便于计算与分析，选取级配碎石厚度范围为12 cm～20 cm，模量范围为300 MPa～800 MPa。级配碎石基层厚度和模量对面层层底拉应力、级配碎石基层剪应力及基层层底拉应力最大值的影响规律如图4～图6所示。

由图4可知，级配碎石模量在300 MPa～800 MPa之间变化时，最大可降低面层层底拉应力约58%。当级配碎石层厚度不变，模量为700 MPa时，所产生的面层层底拉应力最小。由图5可知，当级配碎石层厚度不变时，随着级配碎石层模量的增加，级配碎石层的剪应力增大约17%。当级配碎石层厚度为18 cm时，所产生的自身剪应力相对最小。由图6可知，当级配碎石层厚度不变时，级配碎石层模量的变化对半刚性基层层底拉应力无显著影响。当级配碎石层厚度由12 cm增大到20 cm时，可降低基层层底拉应力约31%。结合上述力学计算结果和现场施工要求，推荐该区域现场施工时级配碎石层最佳模量为700 MPa，最佳厚度取18 cm。

2.3 级配碎石基层的强度控制标准

利用表1中的路面结构和基本计算参数，计算路面结构的压应力；运用数理统计方法，计算柔性基层的压应力水平；由累计当量轴次计算不同交通等级下的抗压强度结构系数，并根据公路等级和交通等级的关系，计算重交通公路等级下，级配碎石基层材料的抗压强度要求；综合考虑现场施工要求与计算结果，得到柔性基层材料的抗压强度标准，并根据CBR与抗压强度的关系，制定CBR标准。

1)压应力水平计算。

依据表1中的路面结构和计算参数，现场调研该地区重交通公路对应的累计当量轴次，采用ABQUES软件计算所选路面结构级配碎石层的压应力，并将结果平均值作为压应力水平，结果如表2所示。

表2 级配碎石层的压应力水平

2)强度标准的建立。

在车辆荷载的作用下，级配碎石材料的最大压应力δmax超过材料的容许压应力δR时，级配碎石基层就会产生过大的永久变形，发生破坏。故级配碎石基层最大压应力应不大于容许压应力[6]。根据最不利临界条件，假定最大压应力σmax等于容许压应力σR，则可得级配碎石要求的抗压强度δf:

δf=δmax×Ku

(1)

其中，δf为抗压强度；δmax为最大压应力；Ku为抗压强度结构系数。

根据现场交通量调研以及沥青路面设计规范[7]，计算河北寒区不同交通等级下的抗压强度结构系数代表值，结果如表3所示。

表3 河北寒区不同交通等级下的抗压强度结构系数代表值

本项目依托工程为重交通路面，在表3中对应的抗压强度结构系数为2.37。根据式(1)可得级配碎石在该区域重交通等级下的抗压强度要求为1.01 MPa。

利用CBR与抗压强度的关系，可将抗压强度要求转化为CBR要求。根据室内试验结果，CBR值与无侧限抗压强度之间具有如下关系[8]：

CBR=366Rc-33.9

(2)

其中，CBR为加州承载比，%；Rc为抗压强度，MPa。

上述求得抗压强度为1.01 MPa，将该值代入式(2)，得出河北寒区重交通公路级配碎石的CBR标准为335.76%。

3 结语

当级配碎石层厚度不变，模量为700 MPa时，所产生的面层层底拉应力最小。当模量不变时，随着级配碎石层厚度的增大，级配碎石层的剪应力变化不大。结合BISAR3.0力学计算结果和现场施工技术标准，推荐级配碎石层的最佳模量为700 MPa，厚度为18 cm。计算得出级配碎石基层在重交通公路等级下的抗压强度标准为1.01 MPa，CBR强度标准为335.76%。