基于路基顶面疲劳控制的路面结构组合设计

摘要：现有规范对结构组合设计的控制指标存在某种程度的缺失，引进路基顶面压应变及其疲劳方程可提高路面结构组合设计的精确度。本文通过理论计算表明在低土基模量条件下路面设计的主要控制指标往往是路基顶面压应变。

关键词：疲劳方程路基顶面压应变结构组合设计

中图分类号：S611 文献标识码：A

按现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）对高等级公路的路面结构设计以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力以及基层的层底拉应力为设计指标，对重载交通路面进行沥青混合料的抗剪切检验。在此前提下在设计时需要获得沥青混合料、基层半刚性材料的容许拉应力和沥青混合料的抗剪切强度，路表回弹弯沉值则可通过现场测试获得。该设计方法是建立在力学分析的基础上获得的，具有很高的可靠性和可操作性，但经过多年的工程实践应用也发现了一些尚可改进的或更全面的指标。

公路路面的破坏是一种疲劳破坏，路表面的回弹弯沉值可以表征一定的疲劳破坏因素，但在半刚性基层广泛应用的背景下，可以比较容易的获得好的路表面的回弹弯沉值，对半刚性基层以下的路基部分的变形缺少必要的控制指标。换言之，在薄弱的路基上只要基层厚度和模量足够总能获得所需要的路表面回弹弯沉值和较小的沥青层底拉应力、基层底面拉应力，相应的路表面回弹弯沉值则可能就变成了只是表征面层和基层的疲劳关系，对路基和土基的疲劳难以表征，同时设计规范又缺少其他指标对路基和土基进行表征，在工程实践中已经发生了很多因路基或土基疲劳破坏而导致的路面破坏。因此有必要引入一个能表征路基疲劳关系的指标来指导我们的设计。

一、疲劳方程

结合上述分析笔者认为应该在现有设计规范控ε制指标的基础上引入路基顶面的压应变值、沥青层底拉应变，路基顶面压应变在国际上是一个常用的控制指标，它通过路基顶面的疲劳方程来控制路基顶面压应变。路基顶面疲劳方程根据不同的道路使用要求可分为高标准、中标准和低标准，疲劳方程如下 [1] ：

沥青层底拉应变主要控制沥青层因拉应力导致的疲劳破坏，其疲劳方程根据不同的道路使用要求也可分为高标准、中标准和低标准，疲劳方程如下 [1] ：

二、计算采用的结构及参数

本次计算路面结构参数采用目前各等级道路常用的路面结构组合，重点计算在标准荷载作用下路基顶面压应变，通过疲劳方程建立路基回弹模量和标准轴载次数之间的关系。

计算采用的路面结构组合情况列表如下：

三、计算荷载和层间接触条件

计算轴载：采用标准轴载单轴－双轮组100kN作为计算轴载，其计算参数按下表确定：

标准设计轴载计算参数

计算点位为双圆中心距中点，计算分析的响应量为路基顶面的竖向压应变、基层层底拉应力、沥青层底拉应变。

层间接触条件：沥青层之间的接触条件假定为连续，沥青层与基层之间也假定为连续，基层和土基之间的接触条件按滑动考虑。

四、计算结果

1、在标准轴载作用下利用软件BISAR3.0进行计算，路基顶面压应变计算结果如下：

根据路基顶面压应变疲劳方程，计算得到相应的交通适应情况：

2、在标准轴载作用下利用软件BISAR3.0进行计算，基层层底拉应力计算结果如下：

基层的层底拉应力3种结构的值在0.214~0.396 MPa之间，按目前常用的半刚性基层而言，基层材料的极限抗弯拉值一般可取其28天抗压强度的0.2，一般可取1.0~1.5MPa，显然在半刚性基层条件下，基层层底拉应力远小于其自身的抗弯拉强度。

3、在标准轴载作用下利用软件BISAR3.0进行计算，沥青层底拉应变计算结果如下：

根据疲劳方程，计算得到相应的交通适应情况：

根据计算结果可以分析得到，在半刚性基层条件下，结构2和结构3没有拉应变，只有压应变，只有结构1才有拉应变，而结构1拉应变所对应的疲劳寿命跟路基顶面压应变所对应的疲劳寿命提高了1~2个数量级，显然主要的控制指标应该是路基顶面压应变。

根据进一步的计算，当土基模量变小时，路基顶面压应变明显变大，具体见下表：

根据路基顶面压应变高标准疲劳方程，计算得到相应的交通适应情况：

从计算得到的数据看，路基顶面应变疲劳次数与土基模量关系密切，且呈现密切的正相关关系，考虑路基顶面应变疲劳次数为主要控制指标，因此在路面设计时需要特别重视土基模量的要求。

五、路面结构的组合设计建议

根据上述的计算和分析，在采用半刚性基层之后，基层的层底拉应力和沥青层底拉应变在路面结构的组合设计中往往不是控制性的指标，主要的控制指标是路基顶面的压应变，而路基顶面的压应变与土基模量密切相关，因此在路面结构的组合设计过程中，应该提高对土基模量的要求，在确定能采用的最高土基模量后再进行基层和面层的厚度和模量设计，在此基础上验算路表弯沉、沥青层底拉应变、基层层底拉应力和路基顶面压应变是否满足道路交通量的需要。

五、结论

采用路基顶面疲劳方程控制进行路面将结构组合设计时，要特别重视土基模量的选用，结合基层的厚度和模量进行结构的组合设计，使路基顶面压应变、路表弯沉、沥青层底拉应力和基层层底拉应力4个指标所控制的交通量能达到在同一个数量级上，实现结构组合的均衡，可以使设计更加精确，有效控制工程造价，提高路面使用寿命。

参考文献

[1] 沥青路面结构行为理论 孙立军 等著 人民交通出版社2005年11月第1版