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論文導(dǎo)讀：用于鋪筑瀝青混凝土路面基層。人們特別對于采用瀝青穩(wěn)定柔性基層是否會出現(xiàn)嚴(yán)重車轍存在疑慮。因此需要對瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面的工作特性進行研究分析。英國45條密級碎石基層道路調(diào)查結(jié)果顯示。車輪荷載的剪應(yīng)力超過了瀝青混合料的抗剪強度。
關(guān)鍵詞：道路，瀝青穩(wěn)定基層，瀝青混凝土路面，剪應(yīng)力，車轍

　　 采用瀝青材料作為結(jié)合料，在熱態(tài)或冷態(tài)下與砂石集料拌和而成混合料，用于鋪筑瀝青混凝土路面基層，雖然在國外已經(jīng)有大量的研究成果和工程實踐，然而我國還缺乏對它的系統(tǒng)研究和認(rèn)識，人們特別對于采用瀝青穩(wěn)定柔性基層是否會出現(xiàn)嚴(yán)重車轍存在疑慮。然而要科學(xué)正確地回答這些問題是很困難的，因此需要對瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面的工作特性進行研究分析。
　　1、國外對柔性基層瀝青混凝土路面抗車轍性能的評述
　　對于瀝青穩(wěn)定柔性基層瀝青混凝土路面，一般來說整個瀝青混凝土層的厚度將要達到25-35 cm，甚至達到40-50 cm，因此人們擔(dān)心是否會出現(xiàn)嚴(yán)重車轍。瀝青混合料是粘彈性材料，在荷載作用下具有明顯的蠕變特性，因此而產(chǎn)生永久變形。然而，國外許多研究認(rèn)為，瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面并沒有像想象中那樣出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍，反而認(rèn)為當(dāng)瀝青混凝土層厚度大于18 cm時，出現(xiàn)車轍的速率會迅速降低。英國45條密級碎石基層道路調(diào)查結(jié)果顯示，當(dāng)瀝青混凝土層厚度為18-36 cm時，車轍率與厚度無明顯的關(guān)系。科技論文，剪應(yīng)力。同時認(rèn)為厚瀝青混凝土層道路，大部分車轍發(fā)生在表層，此時的車轍不表示道路的整體結(jié)構(gòu)強度不足，不生結(jié)構(gòu)性變形。然而，國外對于柔性基層瀝青混凝土路面車轍為什么不是想象中那么嚴(yán)重的原因何在，尚未見詳細(xì)的報道。為此本文就這一問題進行如下理論分析。
　　2 、瀝育混凝土層中剪應(yīng)力分布的理論分析
　　2.1 瀝青混凝土層中最大剪應(yīng)力的位置
　　瀝青混凝土層的粘性流動通常是在路面溫度較高的情況下，車輪荷載的剪應(yīng)力超過了瀝青混合料的抗剪強度，致使瀝青混凝土層出現(xiàn)了剪切變形。剪切變形的積累，則逐漸形成大的變形，即產(chǎn)生了車轍。顯然在材料模量一定的情況下，剪應(yīng)力越大，所產(chǎn)生的剪切變形也越大。
　　就目前瀝青混凝土路面設(shè)計規(guī)范按靜力荷載計算應(yīng)力的方式(不考慮行車荷載的水平力)，尋找最大剪應(yīng)力出現(xiàn)的位置，為此需計算不同位置和不同深度(層位)的剪應(yīng)力。在計算車輪荷載時是將后軸雙輪簡化成兩個當(dāng)量直徑為21. 3 cm的圓形均布荷載，其壓強為0.7 MPa，兩圓的中心距為1.5X21.3=31.95 cm。假設(shè)的路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)列于表1,
　　表1 路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)
　　

采用殼牌公司開發(fā)的層狀彈性體系計算軟件BISAR 3. 0，計算距離雙圓荷載中心不同位置的剪應(yīng)力。計算的層位(深度)分別為5 cm和10 cm，這是因為在這樣的層位受到的剪應(yīng)力可能達到最大;計算的橫向距離分別至雙圓中心0 cm, 10. 65 cm,21. 3 cm和31.95 cm。計算結(jié)果列于表2。
　　表2 不同位里的剪應(yīng)力
　　

由表2可見，在雙圓荷載的中心處，幾乎不產(chǎn)生剪應(yīng)力，而隨著離開雙圓中心距離的增大，剪應(yīng)力增大。當(dāng)距離中心21.3cm，即在單圓荷載中心處，剪應(yīng)力達到最大值，這樣就確定了最大剪應(yīng)力的位置�？萍颊撐�，剪應(yīng)力。下文討論不同情況下的最大剪應(yīng)力均為此位置。
　　2.2 瀝青層不同深度下的最大剪應(yīng)力
　　由表2看出，在距離雙圓中心21. 3 cm處，深度10 cm比深度 5 cm受到的剪應(yīng)力要大。由于剪應(yīng)力沿深度分布關(guān)系到瀝青混凝土路面車轍產(chǎn)生的深度和層次，為此本研究對剪應(yīng)力沿深度方向數(shù)值變化進行計算分析。計算的路面結(jié)構(gòu)同表1，但瀝青穩(wěn)定基層的厚度分別為10cm,20 cm和30 cm，計算的層位深度分別為3cm, 5 cm, 8 cm, 12 cm, 15 cm,18 cm,22 cm和25 cm。計算結(jié)果列于表3，以便直觀地進行觀察和分析。
　　表3 最大剪應(yīng)力沿深度的變化
　　

表3表明，在靜力荷載作用下接近路面表面剪應(yīng)力并不大，而隨著深度的增加剪應(yīng)力增大，直至深8 cm處達到最大值。然后隨著深度的進一步增大剪應(yīng)力進一步減小，至18cm深度其剪應(yīng)力降低不足0. 1 MPa,由表可見剪應(yīng)力大于0.1 MPa主要發(fā)生在15 cm深度以內(nèi)，因此車轍主要可能發(fā)生在10cm以內(nèi)瀝青結(jié)構(gòu)層中，下層出現(xiàn)車轍的可能性較小。同時就同一深度而言(如在深度8 cm處)，當(dāng)基層厚度增大時其剪應(yīng)力也隨之降低。這說明增加基層厚度有利于剪應(yīng)力降低，也就是說厚瀝青層出現(xiàn)車轍的可能性反而降低。
　　2.3 剪應(yīng)力與基層厚度的關(guān)系
　　為了進一步考察基層厚度對剪應(yīng)力的影響，擬將結(jié)構(gòu)層中剪應(yīng)力達到峰值層位處，即深度8 cm和12 cm處的剪應(yīng)力與基層厚度的關(guān)系列在表4中加以比較。
　　表4 不同墓層厚度瀝青層中剪應(yīng)力計算值
　　

從表4清楚地看出，基層厚度增加，在層位8 cm和12 cm的剪應(yīng)力都隨之降低，而且降低的幅度較大。這表明增加基層厚度有助于瀝青混凝土面層剪應(yīng)力的降低，從而能有效地防止出現(xiàn)車轍。由此可見，采用瀝青穩(wěn)定碎石等材料鋪筑基層，適當(dāng)增加基層厚度，并不一定會增加出現(xiàn)車轍的危險性，相反，由于基層厚度的增加，面層剪應(yīng)力降低，從而可以減少車轍的發(fā)生，這與國外觀察結(jié)果是一致的，本文則通過理論分析得到了證明。交通部公路科學(xué)研究院曾對柔性基層瀝青混凝土路面進行了加速加載試驗，以模擬實際現(xiàn)場交通情況下路面工作狀態(tài)，同時與半剛性基層路面結(jié)構(gòu)比較，結(jié)論認(rèn)為對于柔性結(jié)構(gòu)加厚面層在抗車轍性能上是不必?fù)?dān)憂的。
　　3、 材料性質(zhì)對面層剪應(yīng)力的影響
　　3.1 基層模量對面層剪應(yīng)力的影響柔性基層與半剛性基層雖然在規(guī)范中其模量基本上差不多，但是實質(zhì)上兩者有著明顯的區(qū)別。就材料模量而言，規(guī)范中的模量與實際測試值有很大的差別，現(xiàn)場半剛性基層施工，業(yè)主與監(jiān)理都會要求不得少用水泥或石灰，施工單位為了在竣工驗收時路面彎沉能滿足要求，往往也增加水泥或石灰的用量，
　　以獲得高模量的基層，達到降低表面彎沉的目的。有文獻認(rèn)為半剛性基層的模量約為 (7-28)X103MPa,泊松比變動于0.1-0.2 之間�？梢哉f實際上半剛性基層的模量比規(guī)范值要高得多。為了研究基層模量對瀝青混凝土面層中剪應(yīng)力的影響，計算不同基層模量條件下瀝青混凝土面層中的剪應(yīng)力�；鶎幽Ａ糠謩e取1 400 MPa,2 000 MPa,3 000 MPa,
　　4 000 MPa和5 000 MPa，計算在層位8cm、12cm和15 cm處最大剪應(yīng)力，計算結(jié)果列于表5中。科技論文，剪應(yīng)力。
　　表5 不同基層模量條件下瀝青層中的最大剪應(yīng)力
　　

分析表5可以得知，增大基層模量，層位8 cm處的最大剪應(yīng)力隨之降低，對于瀝青混凝土面層是有利的;層位12 cm處剪應(yīng)力與基層模量關(guān)系不大，基本上保持原來的水平，成為一個過渡層位;層位15 cm處剪應(yīng)力則隨著基層模量的增大而增大，于路面結(jié)構(gòu)不利。一般來說，瀝青混凝土面層厚度大都為15-17 cm，所以當(dāng)基層剛度很大時，對瀝青混凝土面層的穩(wěn)定性并不有利，因此半剛性基層比柔性基層反而容易引發(fā)瀝青混凝土面層出現(xiàn)車轍，其原因即在于此。
　　3.2 應(yīng)用硬質(zhì)瀝青對瀝青混凝土層抗車轍的作用
　　為了提高瀝青混凝土路面的抗車轍性能，近年來一些國家，如法國、英國等國家采用高模量的瀝青混合料作為瀝青混凝土面層。如英國采用針入度為50號甚至30號的硬質(zhì)瀝青，也有的采用改性瀝青;國內(nèi)有的省份修建高速公路，其上、中面層，甚至包括下面層全采用改性瀝青。硬質(zhì)瀝青和改性瀝青的應(yīng)用明顯地提高了材料的性能，表征其剛度的回彈模量與普通瀝青混合料相比，也有了大幅提高。高模量瀝青混合料作為面層，對于抗車轍性能有怎樣的貢獻，試做以下計算分析。設(shè)高模量瀝青混凝土面層路面結(jié)構(gòu)的厚度與材料參數(shù)如表6所示。采用高模量瀝青材料與普通瀝青材料的面層，其最大剪應(yīng)力和最大剪應(yīng)變隨層位深度的分布。
　　表6 高模量瀝青混凝土面層路面結(jié)構(gòu)與參數(shù)
　　

在12 cm處高模量瀝青混凝土面層內(nèi)，其最大剪應(yīng)力比普通瀝青混凝土層有所增大，而最大剪應(yīng)變明顯減小，與普通材料的面層相比，最大剪應(yīng)變約減小3000，這說明采用高模量瀝青混凝土面層將能有效地提高抗車轍性能。有文獻研究也表明，采用粘度高的瀝青混合料能大幅提高路面材料的耐流動性。而在下層剪應(yīng)力與剪應(yīng)變略有降低，說明采用高模量材料鋪筑面層對下層受力沒有明顯改善作用�？萍颊撐模�剪應(yīng)力。
　　4、復(fù)合基層對瀝青混凝土面層抗剪性能的影響
　　鑒于我國在高等級道路建設(shè)中已經(jīng)積累了鋪筑半剛性基層的很多經(jīng)驗，而且半剛性基層成本比較低廉，所以在路面設(shè)計中采用復(fù)合基層還是可取的方案，即上基層采用瀝青穩(wěn)定柔性基層，下基層采用半剛性基層，以達到減薄瀝青基層厚度的目的。但這種想法是否合理，需要通過實踐加以考察驗證，但也可以通過理論計算進行分析。路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)列于表7中。計算半剛性基層在不同厚度情況下瀝青混凝土面層中層位8 cm,12 cm處的最大剪應(yīng)力，計算結(jié)果見表8表明，當(dāng)復(fù)合基層的半剛性下基層厚度增大時，瀝青混凝土面層中的剪應(yīng)力隨厚度增加而有所減小，雖然減小的程度并不十分顯著，但由于能使瀝青混凝土面層的剪應(yīng)力降低，有助于改善路面結(jié)構(gòu)層的受力狀況，減少出現(xiàn)車轍的可能性。因此，在瀝青穩(wěn)定柔性基層下面設(shè)置一定厚度的半剛性下基層，不僅可降低成本，而且有利于改善路面結(jié)構(gòu)的受力條件，因而這種復(fù)合基層結(jié)構(gòu)是一種可取的路面結(jié)構(gòu)方案。
　　表7 復(fù)合基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)與參數(shù)
　　

表8 不同半剛性基層厚度下瀝青混凝土面層的剪應(yīng)力MPa
　　

5 結(jié)論
　　(1)分析表明，瀝青層中的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距離路表面8 cm處，18 cm深度以下剪應(yīng)力已降低至很小值，瀝青混凝土路面車轍主要發(fā)生在深度10 cm以內(nèi)，因此采用瀝青穩(wěn)定基層不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍。
　　(2)理論分析證明，較厚的瀝青穩(wěn)定碎石基層并不會增加車轍的危險性，正是由于基層厚度的增加可以使面層剪應(yīng)力降低，從而減少車轍的發(fā)生，這與國外研究結(jié)果是一致的�？萍颊撐模�剪應(yīng)力。
　　(3)基層剛度增大對瀝青混凝土面層的穩(wěn)定性不利，故半剛性基層比柔性基層容易使瀝青混凝土面層出現(xiàn)車轍�？萍颊撐�，剪應(yīng)力。
　　　　(4)瀝青混凝土面層采用高模量瀝青混合料，有利于降低面層的剪應(yīng)變，可以收到減輕車轍的效果。
　　(5)在瀝青穩(wěn)定基層下面設(shè)置半剛性下基層，有利于提高路面結(jié)構(gòu)的受力條件，故采用復(fù)合基層結(jié)構(gòu)是可行的方案。

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