半刚性基层沥青路面设计中强度指标分析

罗宁

摘要：随着基础设施和运输网络的不断完善，公路工程的建设速度也在加快，而国内80%以上的道路结构都是用沥青混凝土铺装的。但是在车辆荷载和气候、环境等诸多因素作用下，【但是在车辆荷载和气候、环境等诸多因素作用下】，沥青路面的基层材料选用不当，容易产生裂缝等病害【容易产生裂缝等病害】。在此基础上，本文结合贵州某高速公路工程实例【本文结合贵州某高速公路工程实例】，运用 ANSYS软件，对沥青路面结构设计中半刚性基层强度指标进行了研究【建议修改为“对沥青路面结构设计中半刚性基层强度指标进行了研究”】。

关键词：半刚性基层；沥青路面；强度指标

半刚性基层由于具有良好的强度和良好的防水性能，在沥青路面的设计中得到了广泛的应用。目前，有关半刚性基层的研究多集中在基层材料、级配优化等方面，而对半刚性基层强度指标的研究却很少。而在设计半刚性基层沥青路面时，由于对其强度指标的变化规律掌握不够全面【措词是否妥当?】，采用工程仿真方法，对其疲劳寿命有很大的影响。因此，对半刚性基层路面强度指数的变化规律进行分析，将对其在实际工程中的运用起到一定的指导作用。

1 半刚性基层沥青路面荷载修正

《公路沥青路面设计规范》JTGD50-2017对该沥青路面进行了设计，其轴载为100 kN，轮胎承受0.7 MPa的地面压力，21.3 cm的单轮等效直径，而中心间隔=3×轮胎接地半径。然而，以上汽车标准轴载在普通情况下适合于沥青混合料路面的设计，当轴载大于130 kN时，路面材料的使用性能会发生非线性的变化[1]。在这种情况下，半刚性基层沥青路面的轴荷可以按照比利时经验方法进行计算。本方法所采用的汽车轴载为80 kN，并参照《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50—2017）中公式对各个级别的路面进行了计算：

主要道路: A=(0.008P+152) 70

次要道路: A= （0.009P +132）90

公式中： A—轮胎的地面面积，cm2；P—单胎负荷， N；p—轮胎与路面的接触压力。为减少和规范中关于100 kN轴载荷的计算误差，必须对以上公式进行修改。

式中:、—分别为重载轮胎和普通轮胎接地压强，; 、—分别为重载车辆轴载、标准轴载。【轴载修正公式的来源应作说明！比利时经验方法的适应性应作说明！】

2 半刚性基层沥青路面设计要点分析

2.1交通参数确定

交通指标是进行半刚性路面设计的先决条件，是决定路面结构层厚度的重要依据。

（1）交通量获取

传统荷载作用下的公路交通流量，通常是由路面观测站进行实时监测，然后通过相关的转换系数进行换算【应为“换算”】，得出年平均日交通流量。同时，在进行轴载作用的转换时，一般不将轴载与轴载分开开，而将各主要车型的轴载转换为概率统计。

(2)方向系数

方向系数是指在某一方向上的等效轴次所占的等效轴次的百分数。方向系数可以反映出半硬质基层路面在不同方向上的影响，例如，当道路上的交线是由普通车辆构成的，那么，各向车辆对沥青路面的影响是一样的，这时，方向系数接近1。而重型车辆则是以大型货物为主，其行驶路线多为单程，对于重载方向的公路，必须分别进行设计，避免在传统的车轴承载下，结构过于保守，以增加路面设计经济效益【保守？效益？这段文字错词上应进行修正！】。

2.2设计步骤:

(1）按照设计任务书的规定，对路面的等级、面层类型进行了分析，得出了单车道的等值轴数和设计弯沉量。

(2)按地基的土类与干湿特性【土性？】，将路基划分为若干段，若采用大规模机械化施工，按此标准确定各段的弹性模量[2]。

(3)按以往经验和规范建议的路面结构，制定若干种不同的路面结构和厚度，并按所选择的材料进行测试，测试其抗压、抗拉强度，并确定其设计参数。

2.3设计要求:

(1)总体要求：在设计数据的基础上，对2种路面进行了初步的经济技术对比（按初期建设费用计算；

(2)计算每一种典型汽车的轴荷转换系数（包括两种类型：一种是以设计弯沉值作为衡量标准，并对其进行了试验；另一种为进行半刚性基层层底拉应力验算时的轴载换算系数。【请问：还有一种类型是什么？】

(3)制定的道路结构设计图，必须清楚地标明每一种材料的名称、厚度和设计时所用的模数，并列举道路结构的校核程序。

3半刚性基层沥青路面强度指标变化规律

为了改善半刚性基层沥青路面的使用寿命，应注意不同轴向荷载作用下的路面强度指数的变化。本文采用 ANSYS15.0软件对沥青路面进行了数值模拟，并从路表弯沉、基层层底拉应力等方面对其进行了分析。采用多层弹性理论对半刚性基层沥青混合料进行了数值模拟。多层弹性分析的基础是：（1）铺面的各个构造层具有均匀、连续的特点；（2）不同结构层的材料特性是均匀性的；（3）在路面结构中，只存在垂直压力，不存在相对滑移的倾向[3]。

3.1工程概况

该路段的起点为K15+680~K35+680，是一条双向四车道的高速公路，设计时速80公里，路面结构厚度为74厘米

【应修正为：路面结构层厚度７４厘米】，路基上有大量的载重车辆，而路基的填筑材料为级配碎石。各种结构层的计算参数见下表1：

材料类型	厚度（cm）	密度（）	抗压模量（Mpa）	泊松比
沥青混凝土	4+6+8	2100	1450	0.26
水泥稳定碎石	20	2200	1300	0.28
石灰粉煤灰稳定	36	2200	1300	0.28
土基	500	1750	40	0.35

               表1：半刚性基层沥青路面物理力学参数

“（）”-----符号错误！应为“kg/m３”

3.2路面三维计算模型

从有关的研究中可以看出，网格大小对计算的精度和效率有很大的影响。基于对半刚性基层的精度和电脑运算速度的综合考虑，提出了以SOLID45为单元的基层和底层，以SOLID185为单元进行分层。在此基础上，对车轴载荷作用下的道路网格线进行了加密，选择0.5 m的网格线和1 m大小的网格线，共计2828个网孔和3276个结点。

3.3半刚性基层沥青路面强度指标计算结果

(1)层底拉应力的改变；底层和底层是承载多次车辆荷载的主要结构，层底层产生了很大的拉应力，进而造成了面层的疲劳失效。基于 ANSYS的动力模组对沥青路面层的承载能力为80、100、120、140、160、180、200 kN。

研究发现，随着汽车轴载荷的增加，半刚性基层沥青铺层的底层拉应力逐渐增大，其抗疲劳性能也随之下降。在路面荷载由80 kN增加到200 kN、层底拉应力由0.05 Mpa增加到0.106 Mpa，增加112%，即在轴载荷增加200kN时【应是“200kN”】，层底拉应力的平均增长速度为18.67%。层底拉应力的增大不是线性的，而是逐步减缓的。沥青路底板的拉应力在汽车轴载超过200 kN后基本没有发生变化。因此，在设计过程中，应通过动态调节结构层的厚度，尽量减小底层的拉应力，以减少路面的早期损坏[4]。

(2)道路的弯沉和变形【“弯曲”是否妥当？】。弯沉量是反映半刚性基层路面使用寿命的重要指标。通常，当弯沉量较大时，沥青路面的承载能力就会变得较弱，很可能会对路面造成损伤，进而影响其使用寿命。随着汽车轴载【轴载】的增加，路面的弯曲变形与路面的变形关系基本呈线性关系。随着车轴载荷由80KN提升到200KN【不是公斤，而是KN呢？】，弯沉量由0.21毫米增至0.79毫米，上升了276.2%。由此可以看出，车辆的轴载对半刚性基层的承载能力和寿命有很大的影响【建议修改为“车辆的轴载对半刚性基层的承载能力和寿命有很大的影响”】，因此，在路面设计中应予以足够的重视。

结束语：

本文采用高强度、高抗弯拉性能的半刚性材料作铺装基层，并通过校核、动态调节道路的强度指数来动态调节其组成及厚度。随着轴载的增加，半刚性基层沥青铺层底层的拉应力增加，但增长不呈线性变化，且增长速度呈下降趋势。当汽车的轴荷增加时，路面的弯曲与其基本成线性的正相关。

参考文献：

[1]王兴平. 半刚性基层沥青路面设计中强度指标分析[D]. 陕西:长安大学,2014.

[2]岳飞. 半刚性基层沥青路面设计中强度指标分析[J]. 中华建设,2021(13):132-133.

[3]樊锐,刘振清. 设ATPB的半刚性基层沥青混凝土路面结构分析及设计[J]. 公路,2009(2):84-88.

[4]王婷宇. 大厚度半刚性基层沥青路面结构合理的底基层厚度及技术指标研究[J]. 湖南交通科技,2020,46(1):9-13,109.

对本文的一些个人看法：

问题一：文中提到的怎样合理选择基层材料，应作说明（是材料的组成设计？结构层的厚度？）结合料（水泥、二灰等）是半刚性基层的核心，是半刚性基层强度形成的关键，对其剂量的控制至关重要，结构层厚度与其强度二个核心指标应在本文中提出。

问题二：半刚性基层路面结构层的特性应在本文中阐述（包括其优点和缺点）！半刚性基层其固有的特性，开裂是无法避免的，怎样减少基层裂缝和沥青路面早期破坏呢？

问题三：汽车轴载、底层拉应力、疲劳性能的研究分析相关参数建议列表增加相关内容。