基层的模量与厚度对路面使用性能的影响

(1.赤峰市敖汉旗公路管理工区，内蒙古 赤峰 024300；2.内蒙古工业大学 ；3.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010051)
摘 要： 利用路面结构设计计算出了各层层底的应力，并通过图示系统分析了基层的模量和 厚度对各层层底应力、疲劳寿命、弯沉值的影响，得出了基层模量取800～1 200MPa为宜， 基层厚度取20～30cm为宜的结论。
关键词：基层模量；基层厚度；弯沉值；疲劳寿命
中图分类号：U416.23⁺1.01  文献标识码：A  文章 编号：1007—6921(2008)23—0081—06

目前我国高等级公路路面基层的结构形式主要是半刚性基层，在半刚性基层沥青路面中，由 于半刚性基层是半刚性基层沥青路面的主要的受力结构层，因此半刚性基层的好坏对沥青路 面的使用寿命有非常大的影响。鉴于此，研究半刚性基层的厚度和模量的变化对沥青路面的 影响以及提出相应的改进措施有非常重大的意义。
1 路面结构参数的确定

沥青路面的结构参数包括各层厚度、模量、泊松比3个方面。通过研究发现，其中任何一个 结构参数发生变化将会对路面的路用性能产生很大的影响，在这里将围绕基层的模量和厚度 展开讨论。
1.1 基层厚度范围的确定

路面结构中采用了收缩性小，表面不会软化和抗冲刷能力强的水泥稳定粒料为基层。从消除 半刚性基层软化来说，稳定粒料不需要有多大的厚度。从尽可能消除冲刷唧浆现象来说，就 稳定粒料基层而言，主要是混合料本身的抗冲刷能力。但稳定粒料基层的厚度对其稳定细料 土底基层的冲刷现象有影响。稳定粒料基层愈薄，稳定细料土底基层愈接近表面，表面水透 入后行车荷载产生的动水压力就愈大，底基层混合料形成冲刷唧浆现象的可能性也就增加。 从国内外半刚性路面上发现冲刷唧浆现象分析，主要是半刚性基层受冲刷。建议路面结构中 采用稳定粒料基层最小厚度18cm，加上沥青面层9cm或12cm，稳定细粒土底基层处在路表27c m或30cm以下，已避免冲刷现象。由于稳定细粒土的收缩性大，还需要考虑底基层产生收缩 裂缝的可能性。如果底基层碾压时的含水量是符合施工规范要求的，那么受到至少27cm或30 cm沥青面层和半刚性基层保护的底基层，其混合料含水量的损失是相当缓慢的，损失的量也 是不大的（在特别干旱地区例外）。因此，在路面使用期间底基层一般不会再干缩裂缝。如 果铺筑基层时，底基层已经开裂，则铺筑基层和面层后底基层的含水量不会再明显损失，即 不会由于干缩而使原裂缝明显扩展，也就不会引起基层在相同位置产生裂缝。由于底基层所 处位置低，受温度变化的影响明显减小，在温差作用下裂缝反复张开的幅度很小，也就不易 引起基层开裂和进一步引起面层上的反射裂缝。但在重冰冻地区，为了保护底基层不因低温 而开裂或原裂缝不因低温而明显增宽，宜增加半刚性基层的最小厚度。此外，稳定细粒土的 冰冻稳定性明显不如稳定级配集料基层。为使高等级公路半刚性基层沥青混凝土路面的承载 能力的季节变化性小，在非冰冻地区半刚性基层的最小厚度应是20cm～25cm。在重车比例大 和超载车辆多的特殊道路上，半刚性基层的合适厚度可能需要25cm～30cm。
1.2 基层模量范围的确定

基层模量是沥青路面结构设计的重要参数之一。在我国高等级公路的实践中，普遍采用半刚 性基层材料，半刚性基层具有良好的抗整体变形能力，但半刚性基层材料种类繁多，模量变 化范围非常大。研究表明，基层模量的增加对路面使用寿命有2种不同的影响趋势，一方面 可以减少沥青层层底弯拉应变，从而增加沥青路面的疲劳寿命；另一方面，表面层最大剪应 力呈明显的增大趋势，容易产生路表面局部早期损坏。在此基础上，给出基层模量的合理范 围建议值为800MPa到1 200MPa。
2 基层的模量对沥青路面性能的影响分析
2.1 路面结构和计算方法

以东北地区（Ⅱ₁）半刚性基层典型沥青路面结构为例路面结构模型如表1所示。

在保持其他结构层参数不变的前提下，设置水泥稳定砂砾基层。各结构层的设计参数根据公路沥青路 面设计规范（JTJ014-97）推荐范围选取，应用沥青路面设计程序系统（HPDS2003）分析沥 青混凝土面层、半刚性基层、底基层层底最大应力等控制指标。层间接触条件采用完全连续 体。
2.2 基层模量对各层层底应力的影响

在分析水泥稳定砂砾基层模量对路面各结构层层底最大应力的影响时，保持其他各层的模量 和厚度不变，只改变基层的模量和厚度。基层厚度分别取10cm、15cm、20cm、25cm、30cm， 水泥稳定砂砾基层模量从600MPa到1 400MPa，各结构层层底最大应力计算结构见图1～5（拉 应力为正，压应力为负）。应用沥青路面设计程序系统（HPDS2003）计算数据如表2：

从图1～５可以看出无论水泥稳定砂砾基层的模量和厚度取何值，路面结构上面层层底处于 压应力状态；下面层层底（水泥稳定砂砾基层顶面）随基层模量的增加，下面层底的受力状 态从受拉变成受压，在基层模量小于980MPa时受拉，在大于980MPa时受压，改善了面层层底 的受力，且应力值随基层模量变化较大。由此可见过大的基层模量对改善面层低部的受力状 态已不起作用；水泥稳定砂砾基层、二灰土底基层底始终处于受拉状态，对基层层底受力不 利。水泥稳定砂砾基层其应力值随基层模量增大而增大，土基顶的应力随基层模量变化略有 起伏。当基层模量取得过大，会导致基层底的拉应力超过容许拉应力而引起开裂，进而影响 到路面结构。所以基层模量在保证面层受力有利的前提下，不可太大。
3.3 基层模量对沥青路面疲劳寿命的影响

面层沥青混合料的疲劳性能以及基层层底的受力状态决定了路面的疲劳寿命。假定面层采用 沥青混合料，其疲劳方程采用由同济大学在沥青混合料动态性能参数标准总报告中提出的疲 程：

N＝402.5σ^－4.17(1)

式中：N——荷载重复作用次数；

σ——重复加载应力。

根据(1)式以及不同基层模量时层底拉应力的大小，可以得出不同基层模量时路面的疲劳寿 命，结果见表3，由表3可见，对于同一种路面基层材料，当其模量增大时，其疲劳寿命降低很快，依据高速公路的交通量和设计年限，当基层模量在800～1 200MPa时，可以满足要求。

3.4 基层模量对沥青路面表面弯沉的影响

改变基层模量分别取500、1 500、2 500MPa，其余各层模量保持不变，得到了不同基层模量 下的路表弯沉，计算结果见图6：

由图6可见，基层模量的增加可以有效地减小路面弯沉，从而降低路面的总厚度，但随着模 量的增加，弯沉减小的速度明显减小，此时再提高基层模量就不经济，有关研究表明，对于 柔性路面而言，50%～80%以上的弯沉由路基提供。取基层模量为500、1 500、2 500MPa，土 基模量分别取30、50、80MPa，得到的路表弯沉变化如图7。 由图7可见，土基模量一定，路表弯沉随基层模量的变化曲线都比较平缓，进一步说明了基 层模量增大对路表弯沉减小有一定的作用。反之土基模量增加，路表弯沉有很大程度的降低 ，如土基模量从30MPa增大到50MPa，路表弯沉减小了约40%，当土基模量由50MPa增加到80MP a时，效果相当于基层模量从500MPa增加到1500MPa。因此，减小路面总弯沉最有效的途径是 适当提高路基的模量，高速公路应该保证土基的强度。
4 基层的厚度对沥青路面性能的影响分析
4.1 基层厚度对各层层底应力的影响

选取基层模量为600MPa、800MPa、1 000MPa、1 200MPa、1 400MPa，分别分析基层厚度变化 对路面各结构层层底最大应力的影响（基层厚度10cm变化到30cm），其结果见图8～13。应 用沥青路面设计程序系统（HPDS2003）计算数据如表４：

随基层厚度的增加，从图8～13可以看出：水泥稳定砂砾基层、二灰土底基层应力减小，但 变化幅度不大；路面上面层层底最大应力变大；面层层底应力当模量＜1 000MPa时呈现拉 应力，且随着基层厚度的增加略有变化，但幅度不大；当基层模量＞1 000MPa时呈现压应力，且随着基层厚度的增加有减小的趋势。
4.2 基层厚度对沥青路面疲劳特性的影响

根据有关资料表明：半刚性基层沥青路面的寿命（达到疲劳破坏所需的荷载反复作用次数） 对半刚性基层的厚度的变化很敏感。半刚性基层的厚度少量增加，可使产生的疲劳破坏所需 的荷载反复作用的次数大量增加。这一结论可从如下结果分析说明。
4.2.1 由于半刚性基层材料的疲劳寿命与荷载作用内力的关系很密切（S1=a+bLgN_f）， 半刚性基层的厚度少量增加，可使产生的疲劳破坏所需的荷载反复作用的次数大量增加。有 关资料疲劳试验结果表明，当基层的厚度从11.8cm增加到19cm时，能经受的重复荷载的次数 从1.44×10⁴增加到70×10⁴次，疲劳寿命约增长50倍。
4.2.2 在环道试验中，基层厚度大的路面，其疲劳开裂少。厚度为15cm左右的路段在环道 运行的初期即开裂；厚度为18～21cm的路段，基层开裂的荷载作用次数为27次；厚度为23cm 的路段，基层开裂的荷载作用次数为55次以上，根据最后对沥青表面裂缝数量的观测，基层厚度在20cm以上的路段，其裂缝数量较之厚度为15cm左右的路段少69%～91%。
5 基层的模量与厚度对其沥青路面性能的综合影响分析
5.1 正交法进行综合影响分析

从以上分析可以得出：水泥稳定砂砾基层的模量与厚度对路面各结构层层底应力均有影响， 特别是对面层层底应力影响较大。为了进一步分析基层模量、厚度综合作用，进行正交试验 。

选取影响因素为基层模量和厚度，模量分为600MPa、800MPa、1 000MPa三个水平，厚度分为 10cm、20cm、30cm三个水平。选取面层底、基层底、土基顶最大应力为评价指标。试验方案 和试验结果见表5。将试验结果按照正交试验的直观分析法进行直观分析，以比较各影响因 素对考核指标的影响大小。直观分析的结果见表5。

从表5、表6可以看出，对路面面层层底最大应力各因素影响顺序为：基层模量A＞调差列C＞ 基层厚度B；基层层底最大应力各因素影响顺序为：基层模量A＞基层厚度B＞调差列C；对土 基顶最大应力各因素影响顺序为：基层厚度B＞基层模量A＞调差列C。


5.2 分析得出结论

综合以上分析可以得出以下主要结论：
5.2.1 基层模量从600MPa增加到1 400MPa时，面层压应力均增加，随着基层模量的变大， 增加的幅度变小。
5.2.2 在同一基层厚度下随着基层模量的增加对改善面层底部的受力状态有利。当基层在9 80MPa以上时，面层应力转为受压状态，但过大的基层模量对改善面层底部的受力状态已不 明显。在同一基层模量下，水泥稳定砂砾基层选用较薄的厚度比较有利。
5.2.3 在水泥稳定砂砾基层厚度的取值范围内，使得面层层底最大拉应力不超过0.1MPa的 基层模量应大于600MPa。提高基层的模量可以有效地减小面层底部的拉应力，但较高的基层 模量将导致面层中较大的竖向压应力，对于路面的抗车辙性能有不利的影响。基层的模量应 该保持在一个适中的范围，以800MPa～1 200MPa为宜。
5.2.4 影响设置水泥稳定砂砾基层沥青路面性能指标的主要因素是基层模量，厚度影响相 对较小。
6 总结

提高基层的模量可以有效地减小面层底部的拉应力并减小路面总的弯沉，从而可以减薄路 面厚度；较高的基层模量导致面层中较大的竖向压应力，对于路面的抗车辙性能有不利的影 响；较高的基层模量对基层底面的受力状态不利，抗疲劳能力下降。通过对典型路面结构的 计算分析认为，基层的模量应该保持在一个适中的范围，以800～1 200MPa为宜；对于同一 种路面基层材料，当增大基层模量时，其疲劳寿命降低很快；对半刚性基层来说，厚度少量 增加可使产生的疲劳破坏所需的荷载反复作用的次数大量增加，就是说适当的增加基层的厚 度可以减轻路面的破坏。
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