—５０—北方交通 ２０２０年 第１期
文章编号:１６７３－６０５２(２０２０)０１－００５０－０４ ＤＯＩ:１０.１５９９６/ｊ.ｃｎｋｉ.ｂｆｊｔ.２０２０.０１.０１３
贫混凝土基层厚度对路面结构应力的影响分析
乔 琳
(山东省公路设计咨询有限公司 济南市 ２５０１０２)
摘 要:通过对贫混凝土基层厚度与水泥稳定碎石底基层厚度对路面结构各力学指标的影响进行计算分析ꎬ总结出各自的影响规律ꎬ提出适合于二级公路的贫混凝土基层厚度以及水泥稳定碎石底基层的厚度范围ꎬ可为结构设计提供依据ꎮ
关键词:贫混凝土基层ꎻ沥青路面ꎻ基层厚度ꎻ层底拉应力ꎻ弯沉ꎻ沥青面层剪应力ꎻ路基压应变
中图分类号:Ｕ４１６.１ 文献标识码:Ａ
贫混凝土基层沥青路面(ＡｓｐｈａｌｔＰａｖｅｍｅｎｔｗｉｔｈ
应变进行分析ꎬ水泥稳定碎石底基层厚度取１３ｃｍ、１５ｃｍ、１８ｃｍ、２０ｃｍ、２５ｃｍꎬ贫混凝土基层厚度分别取１０ｃｍ、１２ｃｍ、１５ｃｍ、１８ｃｍ、２０ｃｍ、２２ｃｍ、２４ｃｍ、２６ｃｍꎮ
计算所取路面结构及参数如表１所示ꎮ
表１ 不同贫混凝土基层厚度路面结构及参数
结构上面层下面层基层底基层路基
材料
模量(ＭＰａ)
厚度(ｃｍ)
４５ＸＹ/
泊松比０.２５０.２５０.２０.２０.３５
ＬｅａｎＣｏｎｃｒｅｔｅＢａｓｅ)综合了沥青和水泥混凝土的优点ꎬ路面使用时ꎬ由于贫混凝土良好的整体性和优良的抗冲刷性ꎬ大大降低了产生沉陷、唧浆以及坑槽等病害的可能性ꎬ从而减少维修和养护费用ꎬ提高路面服务水平ꎮ因此ꎬ能较好地适应目前二级公路上大交通量和重载交通的发展趋势ꎬ具有广阔的应用前景ꎮ
１ 参数的选取
根据目前我国常用二级公路沥青路面结构组合ꎬ选用双层沥青面层ꎬ贫混凝土基层ꎬ水泥稳定碎石底基层ꎬ具体结构见图１ꎮ
细粒式沥青混凝土１４００(２０００)中粒式沥青混凝土１２００(１８００)
贫混凝土水泥稳定碎石
/
１８０００１３００(３０００)
４０
注:括号内为计算拉应力时所选取的材料的抗压模量ꎬＸ表示不同贫混凝土基层厚度变化ꎬＹ表示不同水泥稳定碎石底基层厚度变化
２ 基层厚度对路表弯沉的影响规律分析
计算结果见表２ꎮ
表２ 弯沉计算结果(单位:０.０１ｍｍ)
基层厚(ｃｍ)１０１２１５１８２０２２２４２６
３３.８８３０.５５２６.４４２３.２０２１.４１１９.８６１８.５１１７.３３１３
水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)３２.１４２９.２１２５.５２２２.５４２０.８８１９.４３１８.１５１７.０２１５
２９.７６２７.３２２４.１７２１.５６２０.０７１８.７６１７.５８１６.５５１８
２８.３３２６.１６２３.３２２０.９２１９.５４１８.３１１７.２１１６.２３２０
２５.２６２３.５９２１.３４１９.４０１８.２５１７.２１１６.２８１５.４３２５
图１ 贫混凝土基层沥青路面结构图
为了简化计算ꎬ将沥青路面视作线弹性层状体系ꎬ并采用ＢＩＳＡＲ３.０(ＢｉｔｕｍｅｎＳｔｒｅｓｓＡｎａｌｙｓｉｓｉｎＲｏａｄ)程序对路面结构应力进行分析ꎮ
固定面层参数、贫混凝土基层模量ꎬ在不同的水
泥稳定碎石底基层厚度下对不同贫混凝土基层厚度的路面弯沉、各层层底拉应力、面层剪应力和路基压
由图２可以看出随着基层与底基层厚度的增加弯沉逐渐减小ꎮ具体分析计算结果可知ꎬ底基层不
２０２０年 第１期 乔 琳:贫混凝土基层厚度对路面结构应力的影响分析—５１—
变时ꎬ基层每增加１ｃｍ厚度ꎬ弯沉值平均减小０８３５１３(０.０１ｍｍ)ꎬ即减小２.７７％ꎻ基层厚度不变时ꎬ底基层每增加１ｃｍ厚度ꎬ弯沉平均减小０３５８５４度的增加弯沉值减小幅度越平缓ꎮ
(０.０１ｍｍ)ꎬ即减小１.４１％ꎻ且随着基层与底基层厚
图２ 路表弯沉与基层和底基层厚度的关系
注:图形方框中１３ｃｍ、１５ｃｍ、１８ｃｍ、２０ｃｍ、２５ｃｍ为水泥稳定碎石底基层厚度ꎬ下同
３ 基层厚度对路面层底拉应力的影响
３.１ 基层厚度对沥青面层层底拉应力的影响规律分析
计算结果见表３ꎮ
表３ 沥青面层层底拉应力计算结果(单位:ＭＰａ)
基层厚水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)(ｃｍ)１０１３
２０
１２０.０.１５
０.２５
１５０.２６７４０.２５１３０.１８
０.２００５１８０.２１７９０.２０７６０.２３１５０.２００.１６９６０.１６４１０.１９４５０.２２０７０.１５２４０.１７２７２２０.１４０１０.１３７００.１５６７０.１８７１０.１３２６０.１３０００.１４３６２４０.１２６８０.１１９５０.１２４５２６
０.１１６８０.１２４６０.１２１４０.１０９１１０３２０.１１５２０.１０７９１０２３０.１１２９０.１０６２１０１００.１１１５０.１１５４０.１０５２１００２０.１０８３ ０.０９８３３１０２８沥青面层层底拉应力逐渐减小 由图３可以看出随着基层与底基层厚度的增加ꎮ具体分析计算结果可知ꎬ底基层厚度不变时ꎬ基层厚度每增加１ｃｍꎬ面层层底拉应力平均减小０.００８３３ＭＰａꎬ即减小３面层５３％层ꎻ底基层厚度不变时拉应力平均减ꎬ底基层厚度每增加小０.００１９３ＭＰａꎬ即１ｃｍꎬ减小拉应力减小幅度越平缓１０３％ꎻ且随着基层与底基层厚度的增加面层层底
ꎬ在基层与底基层厚度均大于２５ｃｍ后拉应力值基本不变ꎮ
３.２ 基层厚度对贫混凝土基层层底拉应力的影响图３ 面层拉应力与基层和底基层厚度的关系
规律分析
计算结果见表４ꎮ
表４ 贫混凝土基层层底拉应力计算结果(单位:ＭＰａ)
基层厚(ｃｍ)
水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)
１０１３
２０
１２１.１.１５
１８
１.２５
１５１.８３６１.６６４１.１.４６０１.１.１５８１８１.６６０１.５２６１.１１５０.１００２０１.３９２１.３０１１.３６１１８３１.３５２２７１２２１.１６１０.０９８０.０.９８１４２４０.０３１０.９８１１０.１.０１３０.９６３３０.８７１９０.８５９９２６
０.９１９５０.８２２４７４０３０.８７９１０.９１２７０.７８９５７１３２０.８２３４０.７４３８６７５２０.７８９７０.７８５００.７１５７６５１６０.７１６５０.６５３９５９９１图４ 基层层底拉应力与基层和底基层厚度的关系
贫混凝土基层层底拉应力逐渐减小 由图４可以知道随着基层与底基层厚度的增加ꎮ具体分析以上计算结果可知ꎬ底基层厚度不变时ꎬ基层厚度每增加１ｃｍꎬ小３.基层层底拉应力平均减小３８％ꎻ基层厚度不变时ꎬ底０.基０５１１３ＭＰａꎬ层厚度每即减增加小１ｃｍꎬ２.２０％基层层底拉应力平均减小ꎻ且随着基层与底基层厚度的增加基层层０.０２８２１ＭＰａꎬ即减
底拉应力减小幅度越平缓ꎮ
—５２—北方交通 ２０２０年 第１期表６ 沥青面层剪应力计算结果(单位:ＭＰａ)
３.３ 基层厚度对水泥稳定碎石底基层层底拉应力的影响规律分析
基层厚度水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)计算结果见表５ꎮ
表５ 水泥稳定碎石底基层层底拉应力计算结果(单位:ＭＰａ)
基层厚(ｃｍ)
水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)
１０１３
１５
２５
１２０.０.０.１８
２０
１５０.５５５８０.５０４１０.４３６８０.０.１８０.４６８３０.３７８６０.３９７８０.３１８６２００.３６７５０.４３０６０.３０７６０.３４７７０.２８５８０.２８３０２２０.２９３３０.３４２９０.２５２７２４０.２５４９０.２７７１０.２２３１０.２３７１０.２３８３０.２１０６０.２０２０２６
０.２２３２０.２４２４０.１９６６１７４６０.２１３３０.１８９０１６８４０.１９８１０.１７６７１５８４０.１８７９０.１８１６０.１６８４１５１５０.１６３９０.１４８４１３４８图５ 底基层层底拉应力与基层和底基层厚度的关系
水泥稳定碎石底基层层底拉应力逐渐减小 由图５可以知道随着基层与底基层厚度的增加
ꎮ具体分析以上计算结果可知ꎬ底基层厚度不变时ꎬ基层厚度每增加１ｃｍꎬ底基层层底拉应力平均减小
０层厚度每增加０１７８２ＭＰａꎬ即减小１ｃｍꎬ３.底基９８％层ꎻ层基层厚度不变时底拉应力平均ꎬ减底基小度的增加底基层层底拉应力减小幅度越平缓０００９ＭＰａꎬ即减小２.６２％ꎻ且随着基层与底基层厚ꎮ
４ 基层厚度对沥青面层剪应力的影响规律分析
计算结果见表６ꎮ
由图６可以知道随着基层与底基层厚度的增加沥青面层剪应力逐渐减小ꎮ具体分析以上计算结果可知ꎬ底基层厚度不变时ꎬ基层厚度每增加１ｃｍꎬ面层剪应力平均减小０.００２４５ＭＰａꎬ即减小０.５８％ꎻ基层厚度不变时ꎬ底基层厚度每增加１ｃｍꎬ剪应力平均减小０.０００６ＭＰａꎬ即减小０.１４％ꎻ且随着基层与底基层厚度的增加面层剪应力减小幅度越平缓ꎬ在基(ｃｍ)１０１３
１５
２０
１２０.０.０.１８
０.２５
１５０.４２９９０.４２５００.４１９００.０.４１５７０.４０９５１８０.４１５４０.４１２２０.３９９４０.４０８２０.４０１５２００.４０１１０.３９５８２２０.３９２４０.３９１４０.３９７２０.４０５９０.３８９３０.３９３１２４０.３８８４０.３８７７０.３９０１０.３８６２０.３８７５２６
０.３８５４０.３８３１３８１４０.３８４９０.３８６８０.３８２８３８１１０.３８４２０.３８２２３８０７０.３８３８０.３８４８０.３８１９３８０４０.３８２８０.３８１１３７９８图６ 面层剪应力与基层和底基层厚度的关系
层与底基层厚度均大于２５ｃｍ后剪应力值基本不变ꎮ
５ 基层厚度对路基压应变的影响规律分析
计算结果见表７ꎮ
表７ 路基压应变(１×１０－４ε)计算结果
基层厚度水泥稳定碎石底基层厚度(ｃｍ)
(ｃｍ)１０１３
１５
２０
１２６.５.２４７５.５.１８
３.２５
１５１８３.１１３４.７６０４.０９１４.３.８４９２０２.８６４３.７７７３.２９５３.６９２２.３４６２２２.９９９２.６６５２.３６４３.９９６２.７２６２４２.５６６２.８７４２.６８０２.１７１１.２４３２６
１.２１９２.４７４２.３２６２.５５１１.９８１１.９３６７０３１.１４８１.８８１６５９１.０３４１.２２５１.７９１５８８１.９５５１.７２８５３７１.７５９ １.５７０路基压应变逐渐减小 由图７可以知道随着基层与底基层厚度的增加４０８ꎮ具体分析以上计算结果可知ꎬ底基层厚度不变时ꎬ基层厚度每增加１ｃｍꎬ路基压应变平均减小０.２２１８(１×０－４基层厚度不变时ꎬ底基层厚度每增加ε)ꎬ即减小１ｃｍꎬ路基压应４.３０％ꎻ变平均减小０.０８０８９(１×１０－４随着基层与底基层厚度的增加压应变减小幅度越平
ε)ꎬ即减小２.１６％ꎻ且缓ꎮ
２０２０年 第１期 乔 琳:贫混凝土基层厚度对路面结构应力的影响分析—５３—
的面层层底拉应力与基层层底拉应力均小于沥青混合料与贫混凝土材料的劈裂强度ꎻ而当基层厚度与底基层厚度同时取较小值时ꎬ底基层层底拉应力大于其劈裂强度ꎻ对于弯沉值与路基压应变来说ꎬ基层厚度与底基层厚度须避免同时取较小值ꎻ因此基层厚度与底基层厚度须大于１５ｃｍꎮ响均较小ꎬ变化率小于０.６％/ｃｍꎮ
(４)基层、底基层厚度变化对面层剪应力的影(５)基层与底基层厚度均大于２０ｃｍ后ꎬ厚度的
图７ 路基压应变与基层和底基层厚度的关系
变化对各个力学指标的影响均较小ꎬ所以出于经济考虑ꎬ基层与底基层厚度最好不要超过２０ｃｍꎮ
参考文献
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６ 结论
通过分析可知ꎬ贫混凝土基层厚度的变化对路表弯沉、各层层底拉应力、沥青面层剪应力与路基压应变的影响比水泥稳定碎石底基层显著ꎮ
标影响的大小顺序为:路基压应变>底基层层底拉应力>面层层底拉应力>基层层底拉应力>弯沉>面层剪应力ꎬ且各力学指标的变化率均小于５％/ｃｍꎮ
(２)水泥稳定碎石底基层厚度每增加１ｃｍ对各(１)贫混凝土基层厚度每增加１ｃｍ对各力学指
[５] 许严.用于车辙研究的沥青路面剪应力分析方法及其简化模
型[Ｊ].公路ꎬ２０１６(１２):６４－７１.
[６] 谈至明ꎬ胡洪龙.基于路基压应变指标的沥青面层等效温度及
系数[Ｊ].同济大学学报(自然科学版)ꎬ２０１３(７):１０５６－１０６０.
力学指标影响的大小顺序为:底基层层底拉应力>
基层层底拉应力>路基压应变>弯沉>面层层底拉应力>面层剪应力ꎬ且各个力学指标的变化率均小于３％/ｃｍꎮ
(３)通过以上计算表明ꎬ各基层、底基层厚度下
[７] 乔琳.二级公路沥青水泥复合式路面研究[Ｄ].烟台:烟台大
学ꎬ２０１３.
ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＬｅａｎＣｏｎｃｒｅｔｅＢａｓｅＴｈｉｃｋｎｅｓｓ
ｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｔｒｅｓｓｏｆＰａｖｅｍｅｎｔ
ＱＩＡＯＬｉｎ
(ＳｈａｎｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＨｉｇｈｗａｙＤｅｓｉｇｎ＆ＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＪｉｎａｎ２５０１０２ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｏｆｔｈｅｌｅａｎｃｏｎｃｒｅｔｅｂａｓｅａｎｄｔｈｅｃｅｍｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｍａｃａｄａｍｓｕｂｂａｓｅｏｎｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓｏｆｔｈｅｐａｖｅｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｌａｗｓａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄꎬａｎｄｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｒａｎｇｅｓｏｆｔｈｅｌｅａｎｃｏｎｃｒｅｔｅｂａｓｅａｎｄｔｈｅｃｅｍｅｎｔｓｔａｂｉｌｉｚｅｄｍａｃａｄａｍｓｕｂｂａｓｅｔｈａｔａｒｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｈｉｇｈｗａｙａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄꎬｗｈｉｃｈｃａｎｐｒｏｖｉｄｅｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ
ＤｅｆｌｅｃｔｉｏｎꎻＡｓｐｈａｌｔｓｕｒｆａｃｅｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓꎻＳｕｂｇｒａｄｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓ
ＬｅａｎｃｏｎｃｒｅｔｅｂａｓｅꎻＡｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔꎻＢａｓｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓꎻＴｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｓｓｏｆｂａｓｅｏｆｂｅｄꎻ