半刚性基层沥青路面面层层位功能

前言

随着国外耐久性沥青路面（或称长寿命沥青路面）设计理念的引进，我国道路工作者对沥青路面结构组合设计越来越重视，半刚性沥青路面结构的沥青面层厚度有逐渐增厚的趋势。那么，沥青面层分几层设计合适，每一沥青层材料设计应侧重哪些方面的性能要求等，则是沥青路面结构设计必须要明确的关键问题，否则，盲目的增加沥青面层厚度将很难起到路面耐久的作用。本文利用长寿命沥青路面设计分析软件BISAR3.0，以及希尔斯（Hills）和布来因（Brien）提出的温度应力计算公式，分析了半刚性基层沥青路面在沥青面层厚度、模量、行车荷载和环境温度等条件下的沥青面层应力分布规律，并依此确定沥青面层不同深度的功能分区，对指导半刚性基层沥青路面的沥青面层组合设计具有重要意义。

沥青路面结构与设计计算参数

采用的半刚性基层沥青路面结构形式及参数见图1。

应力计算时采用垂直荷载作用下

的弹性层状连续体系，荷载采用双轮组

单轴载100KN作为标准轴载，单轮传压

面当量圆直径21.30cm，轮胎接地压强

0.7MPa，两轮中心距31.95cm。计算

点为单圆荷载中心处以下每2cm深度取

一点。

利用BISAR3.0的沥青面层

应力分布规律分析

在半刚性基层沥青路面设计中，

影响沥青面层内部里应力分布规律的主

要变量有面层厚度、面层模量，以及行

车荷载的大小等。

面层厚度对应力的影响分析

在保持路面其他设计参数不变的

条件下，改变沥青面层厚度（H1为

16cm～30cm），进行沥青面层不同深

度处的拉应力（拉应力为负值时材料受

压，拉应力为正值时材料受拉）、剪切

应力的计算。沥青面层不同深度处的

拉应力、剪切应力随深度变化规律见图

2、图3。

由图2可见，当面层总厚度H1从

16cm增加到30cm时，应力为压应力

的范围由距路表深度0～8cm增加到

0～15cm；距路表深度8～15cm以下则

表现为拉应力，并随深度增加而增大，

均在面层底部达到最大值，因此，面层

厚度对沥青面层层底拉应力峰值位置的

影响不大。同时随沥青面层总厚度的增

加，面层底部最大拉应力值减小。由此

表明增加面层厚度有利于提高面层的抗

疲劳破坏能力。

由图3可见，当面层厚度H1从

16cm增加到30cm时，剪应力沿路面深

度先增大后减小，且均在6～7cm深度

处剪应力达到最大值。因此面层厚度对

最大剪应力位置无明显影响。

面层模量对拉应力的影响分析

在保持路面其他设计参数不变

的条件下，改变沥青面层模量（E1为

1000MPa～2400MPa），进行沥青面

层不同深度拉应力和剪切应力的计算。

沥青面层不同深度处的拉应力、剪切应

力随深度变化规律见图4、图5。

由图4可见，当面层模量E1从

1000Mpa增加到2400Mpa时，应力为

压应力的范围变化不大，基本在距路表

深度0～11cm范围内，而在距路表深度

10cm以下则表现为拉应力，且拉应力

随深度增加而增大，在面层底达到最大

值。同时，随面层模量的增加，面层底

部最大拉应力增大。总的来说，面层模

量对层底拉应力峰值位置无明显影响。

由图5可见，当面层模量E1从

H IGHWAY现代公路

半刚性基层沥青路面面层层位功能分析

文/李海波

魏如喜

TRANSPOWORLD 2012 No.18 (Sep)

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1000Mpa增加到2200Mpa时，同样剪应力沿路面深度先增大后减小，且依然在距路表6～7cm深度处达到峰值，因此面层模量对最大剪应力位置无明显影响。

荷载对拉应力的影响分析

在保持路面其他设计参数不变的条件下，改变轴载标准（轴载由100KN～200KN），进行沥青面层不同深度拉应力和剪切应力的计算。沥青面层不同深度处的拉应力、剪切应力随深度变化规律见图6、图7。

由图6可知，当车辆荷载从100KN 增加到200KN时，正应力在距路表深度0～11cm范围内表现为压应力，距路表深度11cm以下表现为拉应力，且拉应力随着深度增加在增大，在面层底部达到最大值。虽然面层底部最大拉应力随车辆荷载的增加而明显增大，但车辆荷载对层底拉应力峰值位置几乎没有影响。

由图7可见，随着荷载的增大，最大剪应力也较明显的增大，且剪应力峰值点深度略有下移，不过基本都位于距路表深度6～7cm范围。同样车辆荷载变化对沥青面层最大剪应力位置无明显影响。

综上所述，在面层厚度、面层模量和荷载变化情况下，面层最大拉应力位置均出现在沥青面层的底部，而应力由压应力转变为拉应力的位置均出现在沥青面层厚度的1/2深度处。因此，在沥青面层结构设计时，沥青面层下半部分特别是沥青下面层为拉应力的分布区域，该区域会对路面的抗疲劳稳定性产

生不利的影响，较易产生弯拉疲劳破

坏，其材料设计应重点考虑抗疲性能。

对于沥青面层内部的剪切应力，

沥青面层的厚度、面层模量和荷载，对

沥青面层最大剪应力位置无明显影响，

始终位于距路表深度6～7cm附近。因

此，沥青面层内部剪应力的峰值分布区

域，都为以路面深度6～7cm为中心的

面层中部区域或中上部，该区域会对沥

青面层的高温稳定性产生不利的影响，

易产生剪切破坏，使路面产生车辙、拥

抱、推挤等破坏，故该区的材料设计应

重点考虑抗车辙性能。

沥青路面低温温缩应力分布

规律分析

半刚性基层沥青路面低温温缩

应力采用希尔斯（H i l l s）和布来因

（Brien）提出的温度应力计算公式，

由此来研究沥青路面面层内部低温温缩

应力峰值分布区域和主抗低温缩裂区。

根据天津的魏如喜等在“津滨高

速公路改扩建工程耐久性沥青路面关键

技术研究”课题中关于沥青面层低温温

缩应力的分析结果（路面结构组成与本

文路面结构相同），津滨高速公路沥青

面层累计低温温缩应力 沿路面竖向的

分布规律（见图8）。

由图8可知，沥青面层内部的低温

温缩应力在路表表现为最大，随着沥青

面层深度加深而逐渐减小。因此，沥青

面层温缩应力的峰值分布区域应为靠近

沥青面层表面区域，特别是沥青表面层

为低温温缩应力的主要承受层，其材料

设计应重点考虑抗低温开裂性能。

结论

当前，在我国高速等级沥青路面

结构设计中，对沥青面层结构设计和材

173 2012年第18期《交通世界》

(9月下)