半刚性基层沥青路面层间接触状态对路面使用寿命的影响分析

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摘要：面层与半刚性基层可以分为完全光滑、完全连续和部分连续三种接触状态，以BISAR3.0提供的“简化的剪切弹簧模型”来分析这3种不同连接状态对路面使用寿命的影响。

关键词：半刚性基层沥青路面　接触状态　剪切弹簧模型　使用寿命

中图分类号：TU7　文献标识码：A　文章编号：1007-3973(2011)006-004-02

目前，我国50％以上的路面结构都为半刚性路面结构，其材料在环境湿度和温度变化会产生体积膨胀与收缩，并且它的板体性、致密性的特点使得沥青面层与半刚性基层之间在使用过程中的连续状态不能达到要求。因此，本文把面层与半刚性基层分为完全连续、部分连续和完全光滑三种接触状态并用BISAR3.0对与之对应的路面使用寿命做了简单分析。

1　对于BISAR的简介

1967年荷兰阿姆斯特丹(Amsterdam)的壳牌研究工作组(Shell)开发了BISAR软件，如今已更新发展到了BISAR3.0。这一软件是依据英、荷合资的Shell公司的Shell设计法，基于多层弹性层状体系理论而开发的。

BISAR3.0程序既可以计算任何一点的应变和位移、主应力及其作用方向，也可以对于层间接触条件(连续或者滑动)计算各种情况的部分摩擦阻力，并能考虑到材料的非线性。BISAR3.0有一个明显的特点是其他类似程序所少有的，既在荷载图示方面不仅考虑了垂直荷载而且还综合了汽车刹车或者转弯而产生的水平荷载。

2　不同层间接触状态应力分析

2.1　层间接触状态应力分析

BISAR3.0软件中提供了的一种“简化的剪切弹簧模型”，本文利用该模型将摩擦系数函数简化为单变量函数，以轮载半径的倍数作为控制的变量，其值从轮载半径的0倍变化到100倍，轮载半径的这一范围覆盖了基层与面层间的完全光滑、部分连续、完全连续这3种状态。分析过程采用的路面结构为(面层12mm、基层20mm、底基层25cm)，分别考虑基以上这三种情况下路面结构层应力。

在计算过程中的荷载为标准轴载(BZZ-100)。其中，水平荷载系数只考虑车辆正常行驶时的状况而不考虑特殊情况，水平力系数f取值为0.3。

2.2　层间接触状态对路面受力影响

为了计算结构的分析简便，本文取了水平荷载作用直径方向上六个点作为计算的位置，计算得出了路表面至基层中部范围内的应力并比较不同深度最大应力值的变化。计算点位置如图1所示，同一深度计算点位之间相距5.325cm。

针对不同的层间接触状态用BISAR3.0计算的结果如表1、表2所示，其中应力数值为正数时表示拉应力，应力数值为负数时表示的是压应力。

由上表的数据进行数据分析可以看出：面层和基层的受力情况是随层间连接状态的不同而改变的，层间光滑使得面层底部受拉、基层顶部受压，层间连续则使得面层底部和基层底部都受压。在层间接触不连续的地方，切向应力突变很大，但是突变程度随着层间接触的增强而减小。以此，如果改善基面层层间连接状态就有效的减少层间的切向应力。综合以上分析，路面结构受力状态受层间接触状态的影响是很大的。

3　层间粘结状态对路面寿命的影响

我国现行路面设计规范以设计弯沉值为控制指标、层底弯拉应力来验算，设计弯沉以路表容许弯沉值作为整体强度的设计控制指标。根据规范标准用弯沉计算出的路面疲劳寿命在完全连续下为1.92E+08次，部分连续下为8.95E+07次，完全光滑状态下为2.34E+05次。可以看出，在不同的层间接触状态下，路面结构的路表弯沉和疲劳寿命在完全连续情况下达到最大，在完全光滑情况下出现最小值。层间为完全光滑时，路表弯沉增加值很大，造成疲劳寿命次数大为降低，会使路面使用寿命缩短了将近10倍。对于层间部分连续的情况，路表弯沉和疲劳寿命比完全连续时略有减少，说明改善层间的连续状况会使路面的使用寿命得到提高。

由层底拉应力计算出的疲劳寿命如表3所示，层间粘结状态对路面结构疲劳寿命影响甚大，完全连续与完全光滑时三个结构层位上的疲劳寿命相差10倍到1000倍不等；从层间完全光滑到层间接触为部分连续状态的改变会使路面的疲劳寿命得到很大的提高，而从部分连续与完全连续状态下的路面使用寿命还是有一定的差距的。

4　结论

(1)面层和基层的受力情况是随层间连接状态的不同而改变的，层间光滑使得面层底部受拉、基层顶部受压，层间连续则使得面层底部和基层底部都受压。

(2)在层间接触不连续的地方，切向应力突变很大，但是突变程度随着层间接触的增强而减小。

(3)层间粘结状态对路面结构疲劳寿命影响甚大，完全连续与完全光滑时三个结构层位上的疲劳寿命相差10倍到1000倍不等。

参考文献：

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[4]沙庆林主编，高等级公路半刚性基层沥青路面[M]，北京：人民交通出版社，1998

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