基于BISAR的半刚性基层沥青路面面层合理厚度探讨

摘要：本文介绍了半刚性基层的特点及国内外半刚性基层沥青路面面层合理厚度，利用壳牌路面力学计算系统BISAR3.0设计六种不同沥青面层厚度，以弯拉应力和剪应力作为控制指标并进行设计对比，提出我国半刚性基层沥青路面沥青面层的合理厚度。

关键词：半刚性基层；沥青路面；合理厚度设计

Abstract: this paper introduces the characteristics of semi-rigid base at home and abroad and semi-rigid base asphalt pavement layer thickness of reasonable, using the shell road BISAR3.0 design mechanics calculation system of six different thickness of asphalt layer to the flexural stress and shear stress as control index and contrast design, puts forward the asphalt pavement of semi-rigid base of asphalt layer thickness reasonable.

Keywords: semi-rigid base; The asphalt pavement; Reasonable design thickness

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

目前，我国许多高等级公路所采用的路面结构绝大多数都是半刚性基层沥青路面结构。由于假定条件、控制指标等选择不同的原因，各地在半刚性基层上铺筑的沥青面层总厚度大不一样，厚度差异很大。最薄的仅有6cm，最厚的超过40cm，其结果是一些路面结构偏于保守，造成不必要的浪费，而一些路面结构又偏于不安全。因此，如何根据半刚性基层的特点，合理确定沥青面层厚度，对今后高等级公路建设具有重要意义。

1.半刚性基层的特点

半刚性基层又称无机结合料稳定类基层，通常包括水泥稳定类基层、石灰稳定类基层和综合稳定类基层。半刚性基层的显著特征是整体性强、承载力高、刚度大、水稳性好，而且又较为经济。

我国高等级公路中，沥青路面占80％～90％，其中95％采用半刚性基层。路面结构层中，基层主要承受面层传递的行车荷载垂直力，并将它扩散和分布到垫层和土基上，故能起到减少面层厚度的作用。虽然对基层材料的抗剪、抗磨耗强度要求较低，但要求有足够的抗压强度。半刚性基层材料具有较高的抗压强度和抗弯拉强度，而且具有随龄期增加强度不断增长的特性，具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力，适应重交通发展的要求。

随着大家对半刚性基层使用的增加，它的一些缺点也展现出来：（1）半刚性基层极易收缩开裂，因此引起沥青路面产生反射裂缝；（2）由于半刚性基层的不透水性和渗水性较差特性，半刚性基层沥青路面极易发生水损坏；（3）在路面使用过程中，半刚性基层材料的强度和模量会在干湿、冻融循环以及反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减；（4）半刚性基层损坏后没有愈合的能力，且难以进行修补；（5）半刚性基层施工表面处理和控制比较困难；（6）半刚性基层沥青路面对重载车具有较大的载荷敏感性。

2.国内外半刚性基层厚度研究现状

据调查分析．我国高速公路的半刚性基层通常厚30～40cm左右，是路面的主要承重层。目前采用的材料主要是水泥稳定粗集料或二灰稳定粗集料。半刚性底基层厚度一般为25～40cm，采用石灰土、水泥土、二灰土。半刚性材料层的总厚度通常不超过60cm，薄的为40cm。在严重超载和车辆多为运煤和运砂石材料的道路上，往往采用更厚的半刚性基层，厚度达50～60cm。

法国新型路面标准结构手册中的典型结构中规定，路面承受交通量最大的车道在投入使用当年的日平均重车交通量在750～2000时，沥青面层的厚度为14cm；在平均日重车交通量在300～750时，沥青面层的厚度为8cm。德国的半刚性路面典型结构中规定，在交通荷载指数大于1800时，沥青面层厚度为12cm。在日本的高速公路设计中，半刚性基层通常厚20cm～30cm，主要采用水泥碎石材料。荷兰的半刚性基层沥青路面的基层厚度通常在15cm～40cm，主要采用的材料也是水泥碎石。英国的半刚性基层沥青路面的基层主要采用贫混凝土，厚约15cm，另外还设有底基层。南非的半刚性基层沥青路面的基层主要采用水泥沙砾，厚约30cm。

3. 半刚性沥青路面设计原理

我国沥青路面结构设计的基本理念：以满足设计年限内，允许通过的预测交通量要求的路面整体刚度为目标，以提高路面结构整体的承载能力为主要目的，兼顾考虑结构的抗疲劳能力。路面结构设计的设计理论：路面模型借鉴英国荷壳牌（SHELL）石油公司提出的理论设计法，把路面作为一种多层弹性体系，面层材料与土基以杨氏弹性模量E和泊松比u表示，材料性质均质各向同性，各层水平方向无穷大，土基在向下的深度方向无限。荷载以单轴载双轮组100kN为标准轴载，以BZZ-100表示；单轮传压面当量圆直径d为21.3cm：两轮中心距为1.5倍当量圆直径，层间接触假定为多层弹性体系、层间完全连续接触条件。

4.路面力学计算软件BISAR的主要原理

应用壳牌路面力学计算软件BISAR，弹性层状体系中的应力、应变和位移都能够计算。此弹性层状体系作用于单圆或多圆荷载影响的结构顶部，应力均匀分布在荷载影响范围内，BISAR可以计算出竖直及水平作用力（即表面的剪切力），通过表面剪切弹性柔量的分析说明层间（部分）滑移的影响。

BISAR运算需要输入层数、各层的弹性模量、各层的泊松比、各层厚度、各接触面的剪切弹性柔量、荷载的大小、荷载中心位置坐标等参数：

荷载的中心，应力、应变与位移的位置被当作笛卡尔直角坐标系中的坐标来使用，而依据某个具体结构的应力、应变和位移得出的反映该结构影响的实际结果是根据局部的圆柱坐标系得来的，这个坐标系以荷载的中心作为原点。多种荷载同时作用下的结果是各个荷载分别作用下的总和，当把所有的结果都转换到笛卡尔直角坐标系下，总的结果就会计算出来。

5.半刚性基层沥青路面面层合理厚度设计过程

5.1 建立力学模型

本研究采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，路面结构采用经典结构，即面层采用中粒式沥青混凝土，厚度分别取10cm、12cm、14cm、16cm、18cm、20cm；基层采用水泥稳定碎石，厚度为20cm；底基层采用二灰土，厚度为30cm。

图1力学模型结构图

5.2 利用BISAR软件计算

查阅相关规范，选取各层材料的模量与泊松比。将各种参数输入BISAR3.0中。各层位作用点的位置选择如图：

图2 各层作用点位置图

作用点位置1的选取时，在面层层间的荷载中心点和轴间距中心点计算出弯拉应力、剪应力，分别选取两个作用点的弯拉应力、剪应力中的较大值作为这一层的最大弯拉应力、最大剪应力。同理计算作用点位置2、3、4的最大弯拉应力、最大剪应力。

5.3弯拉应力计算分析