不同结构层间接触状态下路面的应力响应分析

陶国星

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430000)

0 引 言

随着我国基础建设不断完善，人们出行时，交通越来越便利，公路的建设带来了经济的发展，人民生活水平的提高，基本上做到了村村通公路，截至到2019年底我国公路里程数量为501.25万km，相比2010年公路总里程增加了25%，然而现有的公路在设计年限内出现了不同程度的损坏，结合现场情况，利用计算分析软件，分析路面内部的应力特点，为路面后期的养护设计提供依据。

1 研究背景以及意义

蔡大线在蔡甸区公路系统中是通往城区的主要干道，位于武汉市蔡甸区南部，京珠高速以西。蔡大线起于蔡甸城关与省道蔡城线连接，止于大集街的天鹅湖路，是连接蔡甸城关与后官湖生态新区的主要公路。

为及时了解和准确掌握蔡大线路面技术状况，提高养护管理决策的科学性，利用自动化检测设备对路面技术状况进行了自动化检测，利用Cics多功能路况检测车在不影响正常交通的情况下一次性完成路面损坏状况、路面平整度、路面车辙等多项技术指标的检验工作。采用丹麦生产的Dynatest8000落锤式弯沉仪完成了路面结构强度检测，各项检测结果见表1。

表1 技术状况评定各指标汇总

表1中PCI为路面损坏状况指数，RQI为路面行驶质量指数、RDI为路面车辙深度指数、PWI抗滑性能指数、PBI为路面跳车指数、PSSI为路面结构强度指数。根据检测结果可知，路面破损状况和路面车辙深度两项技术指标评价为良，其他技术指标评价为优，路面破损状况指数PCI的值相比其他技术指标值相对较低。根据《公路沥青路面养护设计规范》JTG 5421—2018中的规定，一级公路路面破损状况指数PCI<85时，应该采取修复性养护的方式。为了提升路面质量，提高路面服务水平，提高路面破损状况指数PCI，在确定针对性的养护方案之前，需要研究路面损坏的根本原因，现场针对路面损坏部位进行了钻孔取芯，钻芯取样的统计结果和现场取芯的情况如表2所示。

表2 钻芯取样一览表

由表2可知，钻孔取芯的结果，沥青混凝土面层、水稳上基层、水稳下基层之间多处于分离的状态，路面各个结构层之间不能形成良好的整体，超载和层间接触比较差给路面造成了严重的损坏[1]。为了研究路面各个结构层层间层间接触状态的改变，路面内部应力的变化规律，后续将借助BISAR3.0软件从力学的角度分析路面在不同工况下的应力响应。

2 弹性层状连续体系理论

到目前为止，为了设计和分析沥青路面结构厚度，但是均需假设路面材料为同向异性，采用弹性分层体系理论。路面结构将分为多层位于路基上，路基处于无限深的地基上。

2.1 层状弹性体系理论分析软件——BISAR

BISAR计算机主程序于壳牌公司研发，BISAR1.0计算程序发布，但是对于当时来说，程序计算复杂，BISAR2.0的问世，基本实现主程序的所有功能，BISAR3.0发布，使得程序可以在Windows系统环境下运行，这样BISAR3.0程序不仅可以计算应力、应变情况，还可以对挠度，层与层之间的滑动进行多维度的综合计算，只需要采用人工的方式输入材料属性、结构层厚度、加载大小和方式就能计算出对应工况下的应力和应变。

为了表示不同的层间接触状态，BISAR3.0提供了剪切弹簧柔量模型，该模型用ALK(简化的剪切弹性模量)表示层间接触状态的参数，ALK的定义，见公式(1)

(1)

式中：ALK为剪切弹性模量；∂为层间滑动系数；α为荷载作用的半径，m。

苏轼在《奏浙西灾伤第一状》中表达了这样的思想:“臣闻事豫则立，不豫则废，此古今不刊之语也。至于救灾恤患，尤当在早。若灾伤之民，救之于未饥，则用物约而所及广，不过宽减上供，粜卖常平，官无大失，则人人受赐，今岁之事是也。若救之于已饥，则用物博而所及微，至于耗散省仓，亏损课利，官为一困，而已饥之民，终于死亡，熙宁之事是也。”他的观点是，及早赈灾，花费少而效果好；拖延时日，花费大而效果差。

2.2 路面结构及响应点位的选择

应用弹性层状体系理论对路面不同结构层之间接触状态的改变对沥青路面内部水平纵向剪应力、水平正应力和竖向剪应力的影响。

采用BISAR3.0力学计算程序，荷载采用双圆均布垂直荷载，单圆荷载为P=25 kN，当量圆半径为0.106 5 m，轮隙之间的间距为0.319 5 m，考虑水平荷载的影响，汽车在紧急制定的情况下，路面产生的摩擦系数μ=0.5，这样单圆水平荷载的大小为μP=12.5 kN，路面结构参数和路面荷载示意图如图1、见表3及表4。

图1 选用计算结构示意图

表3 设计轴载参数

表4 实际主体工程路面结构

计算点选在标准圆心正下方，沿深度方向排布，总共10个点，计算点的坐标一览表见表5。

表5 计算点一览表

2.3 计算结果分析

(1)不同剪切弹性模量下，沥青混凝土路面下面层层底正应力的变化规律[2-5]。

连续状态下路面沿深度方向的正应力如图2所示。

图2 沥青面层内正应力随深度的变化图

从图2和表2可知，在路面各个结构层之间处于粘结完好的状态，即各个结构层之间处于连续状态，路面从0～12 cm深度范围之内处于受压的状态，对于沥青混凝土路面面层鉴于其抗压性能相对良好，而且深度为12 cm处所受压力相对较小，在深度为12 cm处所受的压应力仅为深度为1 cm处所受的压应力18%。当沥青混凝土面层与水稳上基层之间剪切弹性模量ALK为10a时，沥青混凝土面层从顶面的受压状态变成了底面的受拉状态，沥青混凝土底面所受的拉应力为0.23 MPa。当沥青混凝土面层与水稳上基层之间剪切弹性模量ALK为100a时，沥青混凝土面层在h=1 cm处所受的压应力0.46 MPa，在h=12 cm处所受的拉应力为0.26 MPa，所受的拉应力相比半滑动状态之下增加了11.5%，当沥青混凝土面层底面拉应力增加时，再加上车辆荷载反复作用下，容易造成沥青面层开裂[6]。

(2)沿路面深度方向水平纵向剪应力的变化规律

连续状态下路面沿深度方向的水平纵向剪应力如图3所示。

图3 路面内水平纵向剪应力随深度的变化图

从图3可知在连续状态下，路面所受的水平纵向剪应力沿深度方向，在沥青混凝土面层，沥青混凝土面层所受的剪应力迅速下降，在深度h=1 cm时，水平纵向剪应力为0.30 MPa，在深度h=12 cm时，水平纵向剪应力为0.03 MPa，水平纵向剪应力仅为h=1 cm时的10%。在水稳上基层、下基层和底基层内的剪应力变化相对比较平缓。

(3)连续状态下沿路面深度方向竖向剪应力的变化规律

连续状态下路面沿深度方向的竖向剪应力如图4所示。

图4 路面内竖向剪应力随深度的变化图

从图4可知在连续状态下，路面所受的竖向剪应力沿深度方向，在沥青混凝土面层，沥青混凝土面层所受的剪应力迅速下降，在深度h=1 cm时，竖向剪应力为0.0123 4 MPa，在深度h=12 cm时，竖向剪应力为0.005 8 MPa，竖向剪应力仅为h=1 cm时的47.19%。在水稳上基层、下基层和底基层内的剪应力变化相对比较平缓。

(4)相同剪切弹性模量下，路面结构层竖向剪应力的变化规律。

不同深度和不同结构层间接触条件变化时的竖向剪应力一览表如表6所示。

表6 不同深度和不同结构层间接触条件变化时的竖向剪应力一览表

当路面深度为1 cm，剪切弹性模量ALK=100a，同一深度，不同结构层之间发生滑动时，竖向剪应力的变化图如图5所示。

图5 h=1 cm处竖向剪应力随不同结构层之间滑动的的变化图

在路面深度为h=1 cm处，当路面不同层位之间发生相对滑动时，路面竖向剪应力会发生显著的变化，相比较之下，二三层之间的部分滑动对该处竖向剪应力的影响最大，四五层之间的部分滑动对该处竖向剪应力的影响最小，二三层之间的部分滑动导致该处竖向剪应力增加了99.35%，四五层之间的部分滑动导致该处竖向剪应力增加了8.85%。

在路面深度为3 cm、6 cm、9 cm和12 cm处沥青混凝土面层内部竖向剪应力随路面不同结构层间滑动的变化规律与路面深度为1 cm时类似，均可以得到以下的结果：二三层之间的部分滑动对沥青混凝土面层内部竖向剪应力的影响最大，四五层之间的部分滑动对沥青混凝土面层内部竖向剪应力的影响最小。

3 透层油质量保证措施

鉴于沥青混凝土面层与水稳上基层之间粘结的重要性，应该选择渗透性好的透层油，常用的透层油为改性乳化沥青，乳化沥青的选择应该符合相应的技术要求。在洒布机、渗透性试验后，参照试验结果，调整沥青与水的比例。洒布量需要经过现场试验后确定，施工时严格按《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004中相应的要求执行。为了评价透层油在水稳上基层试件上的渗透能力，应该以一定比例的水泥剂量成型试件进行渗透性能试验，测试养生3 d后的渗透情况。

4 结 论

(1)沥青混凝土下面层和水稳上基层之间的接触状态对沥青混凝土面层内竖向剪应力的影响是最大的。

(2)路面结构层之间，尤其是沥青混凝土下面层和水稳上基层之间接触状态的改变，将改变沥青混凝土面层底的受力状态，使该处由原先的受压状态，变为受拉状态，鉴于沥青混凝土路面抗拉能力比较差，极容易造成路面产生横向裂缝。

(3)在路面施工过程，应该确保透层油的质量和粘结层的施工工艺，让沥青混凝土面层和水稳上基层之间保持良好的粘结状态。