半刚性路面设计模量取值方法

TRANSPOWORLD 2012 No.18 (Sep)
174概述
《公路沥青路面设计规范》（JTJ 014-1997）在弯沉与弯拉指标的计算中，均采用均值减二倍均方差（以下称标准差）的方法计算模量，对弯拉应力的计算偏于不安全，因此《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）考
虑模量取值的不利组合，采取计算层及以上的模量用均值加二倍标准差，弯拉应力计算层以下各层的模量用均值减二倍标准差的方法，使计算获得较大拉应力。

在考虑了材料模量的不利组合后，结构层弯拉应力将起控制作用。

在实际设计中由于《公路沥青路
面设计规范》（JTJ 014-1997）强制规定，半刚性材料在弯沉与弯拉指标的计算中，均采用均值减二倍标准差的方法计算模量，包括 《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）实施前的软件也强制执行这一规定，造成设计人员不能很好地理解材料模量的不利组合对结构层弯拉应力大小带来的影响，使得结构设计偏于不安全。

本文针对上述情况，利用HPDS2011软件计算证明材料模量的不利组合对结构层弯拉应力大小带来的影响，同时分析使用过程中，因半刚性材料模量的变小对沥青层造成的应力增大
H
IGHWAY
现代公路
半刚性路面设计模量取值方法的研究
文/张 辉
表1 某高速公路交通参数序号车型名称前轴重（kN ）后轴重（kN ）后轴数
后轴轮组数后轴距（m ）
交通量（辆/d ）备注
1北京BJ13013.5527.21双轮组260设计年限：15，车道系数：0.5。

前5年8%；之后5年7%；最后5年5%。

当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时：Ne=2065万次；当以半刚性材料结构层层底拉应力为设计指标时：Ne=2632万次；路面设计交通等级为特重交通等级；面设计弯沉值：20.7（0.01mm ）。

2东风EQ14023.769.21双轮组6603东风SP925050.7113.33双轮组>33304黄海DD6804991.51双轮组4505黄河JN16358.61141双轮组8686
江淮AL6600
17
26.5
1双轮组
220
表2 结构层材料及容许拉应力计算层位结构层材料名称劈裂强度（MPa ）容许拉应力（MPa ）1细粒式沥青混凝土 1.20.332中粒式沥青混凝土10.273粗粒式沥青混凝土0.80.224水泥稳定碎石0.60.265
水泥石灰砂砾土
0.4
0.14
料选择是应注意考虑以下几点：
沥青面层宜采用表面层、中面层和下面层的三层式沥青面层结构，针对不同层位应力分布特点和功能要求，对各沥青面层材料提出相应的要求。

沥青表面层为沥青面层的最上一层，在承担路面表面功能的同时，是承受低温温缩应力的前沿区域；在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性、抗滑
性能和高温抗车辙性能的同时，重点考虑材料的低温抗裂性能。

沥青中面层为沥青面层的中间层位，在承担和分布表面层传递下来应力的同时，为行车荷载造成的剪切应力承受的危险区域，容易首先发生剪切破坏；因此，在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性和低温抗裂性能的同时，重点考虑材料的高温抗车辙性能。

沥青下面层为沥青面层的下部层位，在承担和分布中、表面层传递下来应力的同时，为行车荷载造成的最大弯拉应力的承受区域，容易首先发生疲劳破坏；因此，在材料设计时，应在兼顾材料的水稳定性和高温抗车辙性能的同时，重点考虑材料的抗疲劳开裂能力。

作者单位：李海波——天津市高速公路集团有 限公司
魏如喜——天津市市政工程研究院
175
2012年第18期 《交通世界》(9月下)现象进行分析。

利用HPDS2011软件正常计算过程
设计弯沉值和容许拉应力计算
通过表1交通参数和表2劈裂强度的计算，设计弯沉值为20.7（0.01mm）、容许拉应力详见表2。

新建路面结构厚度计算
新建路面结构材料参数见表3。

同时考虑弯沉和拉应力时，路面厚度取287mm满足要求，路面总厚度也满足防冻要求。

考虑到施工，设计层厚可以取300 mm（分两层施工）；为了便于讨论考虑到与规范示例保持一致，取设计层厚度380mm。

交工验收弯沉值和层底拉应力计算
计算新建路面第 1 层路面顶面交工验收弯沉值 LS= 17.2（0.01mm）；路基顶面交工验收弯沉值 LS= 232.9（0.01mm）（ 根据“公路沥青路面设计规范”公式计算）。

计算新建路面各结构层底面最大拉应力 ：
第 1 层底面最大拉应力 σ（1）=-0.194（MPa）
第 2 层底面最大拉应力 σ（2）=0.076（MPa）
第 3 层底面最大拉应力 σ（3）=-0.018（MPa）
第 4 层底面最大拉应力 σ（4）=0.165（MPa）
第 5 层底面最大拉应力 σ（5）
表4 第一层层底最不利组合计算结果层位序号厚度(mm)层底面最大拉应力材料模量取值(MPa)层底面最大拉应力(MPa)
第 1 层403368-0.194第 2 层6018010.007第 3 层801200-0.031第 4 层38016240.068第 5 层
170
1091
0.081
表5 第二层层底最不利组合计算结果层位序号厚度(mm)层底面最大拉应力材料模量取值(MPa)层底面最大拉应力(MPa)
第 1 层403368-0.216第 2 层6025490.076第 3 层801200-0.028第 4 层38016240.068第 5 层
170
1091
0.079
表6 第三层层底最不利组合计算结果层位序号厚度(mm)层底面最大拉应力材料模量取值(MPa)层底面最大拉应力(MPa)
第 1 层403368-0.218第 2 层6025490.032第 3 层801440-0.018第 4 层38016240.067第 5 层
170
1091
0.079
表7 第四层层底最不利组合计算结果层位序号厚度(mm)层底面最大拉应力材料模量取值(MPa)层底面最大拉应力(MPa)
第 1 层403368-0.165第 2 层6025490.013第 3 层801440-0.078第 4 层38047520.165第 5 层
170
1091
0.057
表3 新建路面结构材料参数层位结构层材料名称
厚度(mm)20℃平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)15℃平均抗压模量(MPa)标准差(MPa)容许应力(MPa)备注
1细粒式沥青混凝土40199120126803440.33新建路面的层数：5；标准轴载：BZZ-100；
路面设计弯沉值：20.7(0.01mm)；路面设计层层位：4；设计层最小厚度：15(mm)；2中粒式沥青混凝土60142510521751870.273粗粒式沥青混凝土80978551320600.224水泥稳定碎石?318878231887820.265水泥石灰砂砾土1701591
250
1591
250
0.14
6
新建路基
40
=0.092（MPa）
验证计算
为了能更好的反映规范模量不理组合，利用表4～表8组合结果直接反应模量不理组合，而把计算机输入界面的标准差设为0。

通过以下五组数据的计算，可以发现：采用最不利模量组合时——“采取计算层及以上的模量用均值加二倍标准差，弯拉应力计算层的模量用均值加二倍标准差”的模量组合，分别可以得到各层最不利受力结果，计算结果与HPDS自动处理标准差的结果完全一致，说明HPDS完全依据规范编写，同时可以看到HPDS自动处理标准差的结果反映的是最不利组合，所以HPDS软件结果很好的反映了规范的设计思想。

H IGHWAY现代公路
表9 半刚性基层抗压回弹模量与底面层层底最大拉应力的关系
半刚性基层抗压回弹模量（MPa）底面层层底最大拉应力（MPa）1624-0.018
1600-0.017
1400-0.02
12000.017
10000.042
8000.077
6000.127
4000.207
3900.212
3800.218
3780.219
3760.22
图1 半刚性基层抗压回弹模量与底面层层底最大拉应力的关系因半刚性材料破坏带来的应力重新分布
半刚性材料在使用过程中会因为浸水、碎裂或该二者组合而造成基层模量，表9和图1基层模量减小时，底面层层底最大拉应力的变化，即基层模量减小，相邻的上层——底面层（第三层）的层底最大拉应力越大，也就是应力的重新分布。

当模量等于376MPa时，达到了底面层层底最大容许拉应力，路面产生破坏。

结论
从以上分析可以得出《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）考虑模量取值的不利组合，采取计算层及以上的模量用均值加二倍标准差，弯拉应力计算层以下各层的模量用均值减二倍标准差的方法，使计算获得较大拉应力，对路面材料的抗拉强度提出了较高要求；同时，因半刚性材料模量的变小对沥青底面层造成的应力增大现象十分显著来看，对于半刚性基层相邻层的底面层沥青混凝土的抗拉强度应有较高的安全储备。

作者单位：宁夏路桥工程股份有限公司
表8 第五层层底最不利组合计算结果
层位序号厚度(mm)层底面最大拉应力材料模量取值
(MPa)
层底面最大拉应力(MPa)第 1 层403368-0.155
第 2 层6025490.018
第 3 层801440-0.077
第 4 层38047520.122
第 5 层17020910.092
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