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第 3 9卷 , 第 5期 2 0 1 4年 1 0月 公 路 工 程 Hi g h wa y Eng i n e e r i n g Vo 1 . 3 9,No . 5 Oct. ,2 0 1 4 沥青稳定碎石排水基层沥青路面结构力学行为分析 付军明 , 孔令伟 , 柯昌波 ,党高峰 ( 1 . 武汉大学 土木 建筑 工程学院 , 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ; 2 .湖北省交通 规划设计院 , 湖北 武汉4 3 0 0 5 1 ) [ 摘要】开级配沥青稳定碎石排水基层 沥青路面结构 受力特性 与传 统半 刚性基层 沥青路 面不 同, 应用基 于 多层弹性层状体系理论 的 B I S A R软件通过改变各个结构层 的厚度 和模量两个 因素 , 计算得到 了路面层底 应力 、 最 大剪应力和弯沉等力学指标 的变化规律 , 对确定合理沥青稳定碎石排水基层 沥青路面结构具有一定指导意义。 [ 关键词 ]开级配沥青稳定碎石排水基层 ;沥青路面 ; 路 面结构 ; 力学反应 [ 中图分类号 ]U 4 1 6 . 2 1 7 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 】1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 5 — 0 1 4 5 — 0 4 M e c h a n i c s An a l y s i s o f As p h a l t Tr e a t e d Pe r m e a b l e Ba s e Pa v e m e nt FU J u n mi n g ,KONG Li n g we i ,KE Ch a n g bo ,DANG Ga o f e n g ( 1 . S c h o o l o f C ML E n g i n e e r i n g , Wu h a n U n i v e r s i t y , Wu h a n , H u b e i 4 3 0 0 7 2, C h i n a ; 2 . H u b e i C o m m u — n i c a t i o n P l a n n i n g D e s i g n I n s t i t u t e ,Wu h a n ,H u b e i 4 3 0 0 5 1 , C h i n a ) [ A b s t r a c t ]T h e me c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f A s p h a l t t r e a t e d p e r m e a b l e b a s e ( A T P B) i s d i f f e r e n t f r o m o n e o f t h e t r a di t i o n a l s e mi - r i g i d b a s e a s p h a l t pa v e me n t .T hr o u g h t h e r a n g e o f p a v e me n t t hi c k n e s s a n d mo d u l u s t h e P a v e me n t s t r e s s e s,Ma x i mu m s h e a r s t r e s s a n d d e f l e c t i o n a r e c a l c u l a t e d b y BI S AR.Th e c h a n g e l a w o f me c h a ni c a l c h a r a c t e r i s t i c s o f ATPB a s p h a l t p a v e me n t i s o b t a i n e d i n t h i s p a p e r .I t c a n b e r e - f e r t o d e t e r mi n e t h e ATPB a s p h a l t p a v e me n t s t r uc t u r e p a r a me t e r . [ Ke y w o r d s ]A s p h a l t T r e a t e d P e r me a b l e B a s e ; A s p h a l t P a v e me n t ; P a v e m e n t S t r u c t u r e ; M e c h a n i c s An a l y s i s 1 概述 2 力学计算 我国新建半刚性基层沥青路面投入运营后先后 出现不同程度的唧浆 、 剥落、 松散及坑槽等早期水损 害现象 I 2 。一般认为 自由水 的存在是路面发生水 损坏 的前 提条 件 , 针 对这 一 国际难 题 , 学者 们将 研究 目光 开始 转 向排水性 路 面 。 1 9 6 2年 , 美 国学 者 L o v - e r i n g , W. R和 Ha m y R . C e d e r g r e n 首先提 出了沥青 稳定 碎石 作 为 排 水 基 层 ( A s p h a l t T r e a t e d P e r m e a b l e B a s e , 简称 A T P B ) 的可行性 , 并 阐述 了路面 内部 排 水 的必 要性 、 排水 过 程 和排 水 系统 设 计 等 内容。 1 9 9 7年 , 采用 A T P B的路 面 内 部 排 水 系统 也 被 引 入 我 国的路 面设 计 规 范 和 排 水 规 范 。 由于 A T P B 属于柔性基层的范畴 , 其空隙率大 , 强度较低 , 与 我国传统“ 强基薄面” 的半刚性基层路面存在较大 差别 , 因此有必要研究设 置 A T P B后传统沥青路面 结构力学反应的变化。 本文 通过 改 变主要 结构 层 的厚度 和模 量 2个 因 素 , 应 用基 于多层 弹性 层状 体 系理论 的 B i s a r 软件 计 算不同路 面结 构组合下 沥青面层层 底应力 、 A T P B 层底应力 、 最大剪应力和路面弯沉值等力学指标 , 分 析 A T P B沥青 路 面受 力特性。计算参 数见 表 1所 示 , 标准轴载为 B Z Z一 1 0 0 , 厂=2 5 k N, 当量圆半径为 1 0 . 6 5 c m 。 表 1 路面计算参数表 T ab l e 1 Ta b l e o f t h e p av e me nt c a l c ul a t i o n pa r a me t e r s 项 目 沥青 面层 A T P B一 2 5 水稳层 二灰土 土基 泊松 比0 . 3 5 0 . 3 5 0 . 2 0 . 2 0 . 4 0 垡量 竺 ! : ! : : : 竺 2 . 1 沥青面层厚度及模量对 沥青面层底拉应力/ 变 的影 响 在改变沥青面层厚 度和模量 , 其它路面结构参 数为: 1 0 c m A T P B、 模 量 8 0 0 MP a , 3 5 c m水稳层 、 模 [ 收 稿日期 ]2 0 1 3 一 O 9 — 2 2 [ 作者简介]付军明( 1 9 7 5 一) , 男 , 湖北广水人 , 博士在读 , 高级工程 师 , 主要从 事高速公路工程 咨询工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 6 公路工程 3 9卷 量 1 5 0 0 MP a , 2 0 c m二灰 土、 模量 7 5 0 M P a的条件 下 , 计算结果见图 1 。由图 1可知 : 当沥青面层模量 小于 1 0 0 0 MP a时 , 沥青面层底处于压应力状态 ; 当 沥 青层 模 量大 于 1 0 0 0 MP a时 , 沥 青 面层 底 均 处 于 受拉的不利状态 , 且沥青面层底拉应力随沥青面层 模量的增加而增大, 随沥青层厚度的增大而减小 。 日 、 倒 磷 衄 喽 暄 怔 螨 沥青 面层等效 厚度 / e m 图 1 沥青面层层底应 力随沥青面层厚度和模量变化 的趋 势示意图 Fi g u r e l S c he ma t i c d i a g r a m o f t h e a s p h a l t s u r f a c e fle x u r a l s t r e s s as t h e c h a n g e o f as p h a l t s u rfa c e t h i c kn e s s a n d mo d ul u s 2 . 2 沥青面层厚度及模量对 沥青面层 最大剪应力 .的影响 在改变沥青面层厚度和模量 , 其它路面结构参 数为 : 1 0 c mA T P B 、 模量 8 0 0 MP a , 3 5 e m水稳层、 模 量 1 5 0 0 MP a , 2 0 e m二灰土、 模量 7 5 0 MP a的条件 下, 计算结果如图 2所示 。由图 2可知 : 沥青面层模 量为 5 0 0 M P a时 , 沥青 面层最 大剪 应 力在 h=1 4 c m 处 出现 突变 。 因为沥 青 面 层模 量 低 时 , 最 大 剪应 力 出现在荷载边缘处, 而其它组合下最大剪应力值 均 出现在双圆荷载正下方。当沥青面层模量不变时, 最大剪应力随沥青 面层厚的增加而减小 , 但减小的 幅度 不一 样 , 当沥 青层模 量 为 1 0 0 0 MP a时 , 最 大 剪 应力 变化 随 沥青层 厚 度 的 改 变可 忽 略 不 计 ; 当沥青 层模量大于 1 0 0 0 MP a时, 最大剪应力值 突然变大, 但仍 然 随沥青 层 厚 度 的增 大 而 减 小 。此 外 , 当沥 青 层模 量 为 2 0 0 0 MP a 、 h为 1 0 c m 时沥青 面 层最 大 剪 应力最大, 约为最小值的 2倍 , 并有如下公式成立。 T( E:1 0 0 0 MP a 、 h=1 4 c m) 丁( E=1 5 0 0 MP a 、 h=2 2 c m)< 7( E:2 0 0 0 MP a 、 h=2 2 c m) 。 2 . 3 沥青稳定碎石层厚度及模量对沥青面层底拉 应 力/变 的 影 响 在 改变 A T P B厚 度 和 模 量 , 其 它 路 面 结 构 参 数 为 : 1 8 c m 沥青 面层 、 模量 1 0 0 0 MP a , 3 5 c i n水稳 层 、 模量 1 5 0 0 MP a , 2 0 C I T I 二灰土、 模量 7 5 0 MP a的条 苫 、 . R 霜: 嘣 D ll 5 旧 撇 沥青 面层等 效厚度 / c m 图2 沥青面层最大 剪应 力随沥青面层厚度和模 量变化 的趋 势示意图 Fi g u r e 2 S c h ema t i c di a gra m o f t h e a s p ha l t l a y e r ma x i mum s he a r s t r e s s a s t h e c ha ng e o f a s p h a l t s u r f a c e t h i c — k ne s s a n d mo du l us 件下 , 计算结果如图 3所示 。由图 3可知 : 沥青面层 底 出现拉应 力 的不 利 情 况 , 这 是 由 于 A T P B的模 量 均小于沥青面层和半刚性基层 , 在路 面结构 中形成 “ 软 弱夹层 ” , 导致 沥 青 面 层底 拉应 力 增 大 。 当 A T - P B厚度为 8 c m、 模量约为 7 0 0 MP a时, 沥青 面层底 开始表现为压应力状态。 日 岂 、 世 嗵 加 1 { 旧 征 爝 ATP B层 模 量 / MP a 图 3 沥青面层层底应力随 A T P B厚度和模量变化的 趋势示意图 Fi g u r e 3 S c h e ma t i c d i a gra m o f t h e ATPB fle x u r a l s t r e s s a s t he c h a n g e o f ATPB t h i c k ne s s a n d mo d ul u s 2 . 4 沥青面层厚度及模量对 A T P B层底拉应力/ 变 的影响 在 改 变沥 青 面 层厚 度 和 模 量 , 其 它 路 面 结 构计 算 参数 为 : 1 0 c m A T P B、 模 量 8 0 0 MP a , 3 5 c m 水 稳 层 、 模量 1 5 0 0 MP a , 2 0 c m二灰土、 模量 7 5 0 MP a的 条件下 , 计算结果如图 4所示。由图4可知: 沥青稳 定碎石层底拉应力随沥青 面层模量的增加而增 大, 当模量一定时, 沥青稳定碎石层底拉应力随沥青面 层 厚度 的增 加呈 现 先 减小 后 增 大 的 现 象 , 约 在 沥青 面层厚 度 为 1 4 c m处 出现 最小值 。 2 . 5半 刚性 基层 厚 度 及 模 量 对 沥 青 面 层底 拉 应 力 的影 响 在改变半刚性基层厚度 和模量, 其它路面结构 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5期 付军 明, 等 : 沥青稳定碎石排水基层沥青路面结构力学行为 分析 1 4 7 、 倒 磴 嗵 ∞ 沥青 面层等效 厚度 / c m 图 4 AT P B层底应 力随沥青面 层厚度和模量变化的 趋 势示意图 Fi g u r e 4 S c h ema t i c di a g r a m o f t he ATPB fle x u r a l s t r e s s a s t h e c h a n g e o f a s ph a l t s ur f a c e t hi c k ne s s a n d mo d u l u s 计算参数为: 1 4 ( 1 8 ) c m 沥青面层、 模量 1 0 0 0 M P a , 1 0 mA T P B 、 模 量 8 0 0 MP a , 2 0 c m二灰土、 模量 7 5 0 MP a的条件下 , 计算结果如图 5所示 。由图 5可知 : 当沥青面层厚度一定 时, 沥青面层层底拉应力随着 半刚性基层厚度的增 大而增 大, 随着半 刚性基层模 量的增大而减小。半 刚性基层厚度增加 1 0 c m, 沥 青面层底拉应力增 大约 2倍左右 ; 而半 刚性基层模 量 每增 大 5 0 0 MP a , 沥 青 面层 底 拉 应 力 减 小 2 0 % 一 3 0 %左 右 。 譬 、 倒 世 啮 趟 暄 搬 蜉 5 O O l 0 0 0 l 5 0 0 20 0 0 5 0 0 l O O 01 5 0 020 0 0 半 刚性基层 模量 / M P a 半刚性 基层模 量 / MP a ( a ) 沥青面层 等效 厚度 1 4 c m ( b )沥 青面层 等效厚 度 1 8 c m 图 5 沥青面层底应 力随半刚性基层厚度和模量的变化 趋 势示意 图 F i g ur e 5 S c h e ma t i c di a g r a m o f t he a s p ha l t s ur f a c e fle x ur a l s t r e s s a s t he c h a n g e o f s e mi — r i gi d ba s e t hi c kn e s s a n d mo d ul u s 2 . 6半刚性基层厚 度及模 量对 沥青面层最大剪应 力 的影 响 在改变半刚性基层厚度和模量 , 其它路面结构 计算参数为 : 1 4 ( 1 8 ) c m沥青面层 、 模 量 1 0 0 0 MP a , 1 0 m A T P B 、 模量 8 0 0 MP a , 2 0 c m二灰土、 模 量 7 5 0 MP a的条件下 , 计算结果如图 6所示。由图 6可知 : 当沥青面层厚度一定 时, 只要半刚性基层模量达到 1 0 0 0 MP a , 沥青面层最 大剪应力值均 相差不 多, 半 刚性基层厚度对最大剪应力的影响微乎其微。 葛 、 瓠 略 Ⅲ l { 旧 枉 嚣 5 0 0 l 0 0 01 5 0 020 0 0 半刚性基层模量 / M P a ( a )沥青面层等效厚度 1 4 c m 5 0 0 l 0 0 0l 5 00 2o o O 半刚性基层模量 / MP a ( b )沥青面层等效厚度 1 8 c m 圈 6 沥青面层最大剪应 力随半刚性基层厚度和模量 变化的趋势示意图 Fi g ur e 6 S c h ema t i c di a g r a m o f t he a s p ha l t l a y e r ma x i mu m s h e a r s t r e s s a s t h e c ha n g e o f s emi - r i g i d b a s e t hi - ck n es s a nd mo du l u s 2 . 7 沥青面层厚度和 沥青稳定碎 石层厚度对 弯沉 值 的影 响 在改变沥青 面层厚度 和 A T P B层厚度 , 其 它路 面结构计算参数为 : 沥青面层模量 1 0 0 0 MP a 。 A T P B 模 量 8 0 0 MP a , 3 5 c m 水稳 层 、 模 量 1 5 0 0 MP a , 2 0 c m 二灰土、 模量 7 5 0 MP a的条件下 , 计算结果如图7所 示。由图 7可知 : 设沥青稳定碎石排水基层后 , 路面 弯沉值减小 , 路面结构承载力提高 , 但增大的趋势不 大。沥青面层厚度一定时 , 沥青稳定 碎石层厚度增 大 4 c m, 弯沉值约减小 5 %, 自身层底弯拉应力增大 约 1 5 % ~ 2 0 % , 每公里路面造价约增长 1 5 %; 沥青 稳定碎石厚度一定 , 沥青 面层厚度增加 4 c m时, 弯 沉值约减小 5 . 5 % , 每公里路面造价约增长 1 0 %。 圈 7 路面弯沉值随沥青面层和 A T P B厚度变化的 趋 势示意图 Fi g ur e 7 S ch e ma t i c di a g r a m o f t h e de fl ec t i o n v a l u e a s t h e c h an g e o f ATPB t h i c k n e s s a nd mo du l us 3 结论 根据以上结果和图表进行综合分析 , 得到 以下 结 论 : ① 沥青面层厚度和模量、 A T P B层厚度和模 量 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 8 公路工程 3 9卷 与半刚性基层厚度和模量的变化均对沥青面层底应 力有影响 , 其中沥青面层厚度和模量相比, 沥青面层 模量的作用更为突出, 沥青面层模量在 l 0 0 0 MP a 为宜。设置 A T P B后 , 沥青路 面结构 出现 “ 软弱夹 层” , 导致沥青面层底出现拉应力增 大的现象 , A T P B 模量宜达到 7 0 0 MP a为宜。而半刚性基层厚度和模 量对沥青面层层底拉应力的影响相反 , 沥青面层厚 度 达 到 1 8 a m后 , 半 刚 性 基层 厚 度 对 沥 青 面层 层 底 拉 应力 的影响越 来越 小 , 半 刚性基 层模 量达 到 1 0 0 0 MP a时 , 沥 青面层 层底 出现 压应力 。 ② 与传统 1 8 c m半 刚性 基层沥青 路面相 比, A T P B沥青路面可适当减少沥青面层厚度约 4 c m。 ③ 增大沥青面层和 A T P B层厚度 , 路面弯沉值 减小不明显, 而工程成本却大幅增加, 因为路面结构 荷载仍主要 由半刚性基层承担。 [ 参考文献] [ 1 ] 沈金安 , 李福普 , 陈景 .高速公路 沥青路面早期 损坏分析 与防 治对策 [ M] .北京 : 人民交通 出版社 , 2 0 0 4 . 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