沥青稳定基层沥青混凝土路面

论文导读：用于铺筑沥青混凝土路面基层。人们特别对于采用沥青稳定柔性基层是否会出现严重车辙存在疑虑。因此需要对沥青稳定基层沥青混凝土路面的工作特性进行研究分析。英国45条密级碎石基层道路调查结果显示。车轮荷载的剪应力超过了沥青混合料的抗剪强度。
关键词：道路，沥青稳定基层，沥青混凝土路面，剪应力，车辙

 

采用沥青材料作为结合料，在热态或冷态下与砂石集料拌和而成混合料，用于铺筑沥青混凝土路面基层，虽然在国外已经有大量的研究成果和工程实践，然而我国还缺乏对它的系统研究和认识，人们特别对于采用沥青稳定柔性基层是否会出现严重车辙存在疑虑。然而要科学正确地回答这些问题是很困难的，因此需要对沥青稳定基层沥青混凝土路面的工作特性进行研究分析。

1、国外对柔性基层沥青混凝土路面抗车辙性能的评述

对于沥青稳定柔性基层沥青混凝土路面，一般来说整个沥青混凝土层的厚度将要达到25-35 cm，甚至达到40-50 cm，因此人们担心是否会出现严重车辙。沥青混合料是粘弹性材料，在荷载作用下具有明显的蠕变特性，因此而产生永久变形。然而，国外许多研究认为，沥青稳定基层沥青混凝土路面并没有像想象中那样出现严重的车辙，反而认为当沥青混凝土层厚度大于18 cm时，出现车辙的速率会迅速降低。英国45条密级碎石基层道路调查结果显示，当沥青混凝土层厚度为18-36 cm时，车辙率与厚度无明显的关系。科技论文，剪应力。同时认为厚沥青混凝土层道路，大部分车辙发生在表层，此时的车辙不表示道路的整体结构强度不足，不生结构性变形。然而，国外对于柔性基层沥青混凝土路面车辙为什么不是想象中那么严重的原因何在，尚未见详细的报道。为此本文就这一问题进行如下理论分析。

2 、沥育混凝土层中剪应力分布的理论分析

2.1 沥青混凝土层中最大剪应力的位置

沥青混凝土层的粘性流动通常是在路面温度较高的情况下，车轮荷载的剪应力超过了沥青混合料的抗剪强度，致使沥青混凝土层出现了剪切变形。剪切变形的积累，则逐渐形成大的变形，即产生了车辙。显然在材料模量一定的情况下，剪应力越大，所产生的剪切变形也越大。

就目前沥青混凝土路面设计规范按静力荷载计算应力的方式(不考虑行车荷载的水平力)，寻找最大剪应力出现的位置，为此需计算不同位置和不同深度(层位)的剪应力。在计算车轮荷载时是将后轴双轮简化成两个当量直径为21. 3 cm的圆形均布荷载，其压强为0.7 MPa，两圆的中心距为1.5X21.3=31.95 cm。假设的路面结构及其参数列于表1,

表1 路面结构及其参数

采用壳牌公司开发的层状弹性体系计算软件BISAR 3. 0，计算距离双圆荷载中心不同位置的剪应力。计算的层位(深度)分别为5 cm和10 cm，这是因为在这样的层位受到的剪应力可能达到最大;计算的横向距离分别至双圆中心0 cm, 10. 65 cm,21. 3 cm和31.95 cm。计算结果列于表2。
 

表2 不同位里的剪应力

由表2可见，在双圆荷载的中心处，几乎不产生剪应力，而随着离开双圆中心距离的增大，剪应力增大。当距离中心21.3cm，即在单圆荷载中心处，剪应力达到最大值，这样就确定了最大剪应力的位置。科技论文，剪应力。下文讨论不同情况下的最大剪应力均为此位置。

2.2 沥青层不同深度下的最大剪应力

由表2看出，在距离双圆中心21. 3 cm处，深度10 cm比深度 5 cm受到的剪应力要大。由于剪应力沿深度分布关系到沥青混凝土路面车辙产生的深度和层次，为此本研究对剪应力沿深度方向数值变化进行计算分析。计算的路面结构同表1，但沥青稳定基层的厚度分别为10cm,20 cm和30 cm，计算的层位深度分别为3cm, 5 cm, 8 cm, 12 cm, 15 cm,18 cm,22 cm和25 cm。计算结果列于表3，以便直观地进行观察和分析。

表3 最大剪应力沿深度的变化

表3表明，在静力荷载作用下接近路面表面剪应力并不大，而随着深度的增加剪应力增大，直至深8 cm处达到最大值。然后随着深度的进一步增大剪应力进一步减小，至18cm深度其剪应力降低不足0. 1 MPa,由表可见剪应力大于0.1 MPa主要发生在15 cm深度以内，因此车辙主要可能发生在10cm以内沥青结构层中，下层出现车辙的可能性较小。同时就同一深度而言(如在深度8 cm处)，当基层厚度增大时其剪应力也随之降低。这说明增加基层厚度有利于剪应力降低，也就是说厚沥青层出现车辙的可能性反而降低。

2.3 剪应力与基层厚度的关系

为了进一步考察基层厚度对剪应力的影响，拟将结构层中剪应力达到峰值层位处，即深度8 cm和12 cm处的剪应力与基层厚度的关系列在表4中加以比较。

表4 不同墓层厚度沥青层中剪应力计算值

从表4清楚地看出，基层厚度增加，在层位8 cm和12 cm的剪应力都随之降低，而且降低的幅度较大。这表明增加基层厚度有助于沥青混凝土面层剪应力的降低，从而能有效地防止出现车辙。由此可见，采用沥青稳定碎石等材料铺筑基层，适当增加基层厚度，并不一定会增加出现车辙的危险性，相反，由于基层厚度的增加，面层剪应力降低，从而可以减少车辙的发生，这与国外观察结果是一致的，本文则通过理论分析得到了证明。交通部公路科学研究院曾对柔性基层沥青混凝土路面进行了加速加载试验，以模拟实际现场交通情况下路面工作状态，同时与半刚性基层路面结构比较，结论认为对于柔性结构加厚面层在抗车辙性能上是不必担忧的。

3、 材料性质对面层剪应力的影响

3.1 基层模量对面层剪应力的影响柔性基层与半刚性基层虽然在规范中其模量基本上差不多，但是实质上两者有着明显的区别。就材料模量而言，规范中的模量与实际测试值有很大的差别，现场半刚性基层施工，业主与监理都会要求不得少用水泥或石灰，施工单位为了在竣工验收时路面弯沉能满足要求，往往也增加水泥或石灰的用量，

以获得高模量的基层，达到降低表面弯沉的目的。有文献认为半刚性基层的模量约为 (7-28)X103MPa,泊松比变动于0.1-0.2 之间。可以说实际上半刚性基层的模量比规范值要高得多。为了研究基层模量对沥青混凝土面层中剪应力的影响，计算不同基层模量条件下沥青混凝土面层中的剪应力。基层模量分别取1 400 MPa,2 000 MPa,3 000 MPa,

4 000 MPa和5 000 MPa，计算在层位8cm、12cm和15 cm处最大剪应力，计算结果列于表5中。科技论文，剪应力。

表5 不同基层模量条件下沥青层中的最大剪应力

分析表5可以得知，增大基层模量，层位8 cm处的最大剪应力随之降低，对于沥青混凝土面层是有利的;层位12 cm处剪应力与基层模量关系不大，基本上保持原来的水平，成为一个过渡层位;层位15 cm处剪应力则随着基层模量的增大而增大，于路面结构不利。一般来说，沥青混凝土面层厚度大都为15-17 cm，所以当基层刚度很大时，对沥青混凝土面层的稳定性并不有利，因此半刚性基层比柔性基层反而容易引发沥青混凝土面层出现车辙，其原因即在于此。

3.2 应用硬质沥青对沥青混凝土层抗车辙的作用

为了提高沥青混凝土路面的抗车辙性能，近年来一些国家，如法国、英国等国家采用高模量的沥青混合料作为沥青混凝土面层。如英国采用针入度为50号甚至30号的硬质沥青，也有的采用改性沥青;国内有的省份修建高速公路，其上、中面层，甚至包括下面层全采用改性沥青。硬质沥青和改性沥青的应用明显地提高了材料的性能，表征其刚度的回弹模量与普通沥青混合料相比，也有了大幅提高。高模量沥青混合料作为面层，对于抗车辙性能有怎样的贡献，试做以下计算分析。设高模量沥青混凝土面层路面结构的厚度与材料参数如表6所示。采用高模量沥青材料与普通沥青材料的面层，其最大剪应力和最大剪应变随层位深度的分布。

表6 高模量沥青混凝土面层路面结构与参数

在12 cm处高模量沥青混凝土面层内，其最大剪应力比普通沥青混凝土层有所增大，而最大剪应变明显减小，与普通材料的面层相比，最大剪应变约减小3000，这说明采用高模量沥青混凝土面层将能有效地提高抗车辙性能。有文献研究也表明，采用粘度高的沥青混合料能大幅提高路面材料的耐流动性。而在下层剪应力与剪应变略有降低，说明采用高模量材料铺筑面层对下层受力没有明显改善作用。科技论文，剪应力。

4、复合基层对沥青混凝土面层抗剪性能的影响

鉴于我国在高等级道路建设中已经积累了铺筑半刚性基层的很多经验，而且半刚性基层成本比较低廉，所以在路面设计中采用复合基层还是可取的方案，即上基层采用沥青稳定柔性基层，下基层采用半刚性基层，以达到减薄沥青基层厚度的目的。但这种想法是否合理，需要通过实践加以考察验证，但也可以通过理论计算进行分析。路面结构及参数列于表7中。计算半刚性基层在不同厚度情况下沥青混凝土面层中层位8 cm,12 cm处的最大剪应力，计算结果见表8表明，当复合基层的半刚性下基层厚度增大时，沥青混凝土面层中的剪应力随厚度增加而有所减小，虽然减小的程度并不十分显著，但由于能使沥青混凝土面层的剪应力降低，有助于改善路面结构层的受力状况，减少出现车辙的可能性。因此，在沥青稳定柔性基层下面设置一定厚度的半刚性下基层，不仅可降低成本，而且有利于改善路面结构的受力条件，因而这种复合基层结构是一种可取的路面结构方案。

表7 复合基层沥青混凝土路面结构与参数

表8 不同半刚性基层厚度下沥青混凝土面层的剪应力MPa
 

5 结论

(1)分析表明，沥青层中的最大剪应力出现在距离路表面8 cm处，18 cm深度以下剪应力已降低至很小值，沥青混凝土路面车辙主要发生在深度10 cm以内，因此采用沥青稳定基层不会出现结构性车辙。

(2)理论分析证明，较厚的沥青稳定碎石基层并不会增加车辙的危险性，正是由于基层厚度的增加可以使面层剪应力降低，从而减少车辙的发生，这与国外研究结果是一致的。科技论文，剪应力。

(3)基层刚度增大对沥青混凝土面层的稳定性不利，故半刚性基层比柔性基层容易使沥青混凝土面层出现车辙。科技论文，剪应力。

(4)沥青混凝土面层采用高模量沥青混合料，有利于降低面层的剪应变，可以收到减轻车辙的效果。

(5)在沥青稳定基层下面设置半刚性下基层，有利于提高路面结构的受力条件，故采用复合基层结构是可行的方案。

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