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摘 要：在一些高速公路检测中发现，路面尚未达到其使用寿命前就出现大面积的疲劳开裂，因而，大大增加了公路养护管理的难度。笔者通过大量的试验和计算认为半刚性沥青路面的疲劳破坏是由基层和面层的疲劳破坏组成的，首先是半刚性基层出现疲劳开裂，并在开裂处导致沥青面层底部出现应力集中，沥青面层开始承受较大的弯拉应力作用，最终导致沥青面层的疲劳开裂。
【关键词】：疲劳破坏 半刚性基层 沥青面层 荷载
随着高等级公路的大量修建.半刚性类材料以其优良的工程性能和显著的效益在我国公路建设中得到了广泛的应用，并在公路建设中越来越占有特殊的重要地位。通过对早期损坏现象的综合研究，我们发现重载对沥青路面所造成的损坏主要集中于疲劳开裂和车辙损坏，其原因主要是路面基层底面的疲劳破坏所致。本文主要就这两方面系统的总结了重载对沥青路面的影响，并探讨了在沥青路面设计中所应采取的措施。
沥青路面的裂缝是路面主要病害之一，根据成因，可以分为两类：即荷载型裂缝和非荷载型裂缝。其中荷载型裂缝就是由于疲劳开裂引发的，它是路面在车辆的反复作用下所产生的一种疲劳破坏。这种破坏是如何产生的呢？由于路面受环境因素、交通因素和时间因素的影响非常大，现仅从路面基层的受力角度出发谈谈半刚性基层沥青路面产生疲劳破坏的原因。
半刚性路面的结构性破坏通常是由于整体性半刚性材料层底面拉应力超过容许值产生的。路面力学分析表明，对于多种有代表性的半刚性基层沥青路面结构在轴载为100~180kN以及相应的充气压力为0.11~0.88Mpa作用下，半刚性底基层底面的拉应力变化在0.035-0.099MPa之间，半刚性基层底面的拉应力变化在0.084~0.23MPa之间，后者为前者的2.4~2.3倍。从半刚性基层材料的抗压强度和抗弯拉强度来看，用它们作为路面基层可以满足路面要求的承载能力，同时保证路面在设计使用年限期间（以累计标准轴次表示）不产生结构性破坏。
从各种疲劳试验情况来看，都是采用沥青面层底部受弯拉应力作用，这其中以小梁重复弯曲试验最为典型。但从路面力学分析来看，在实际路面结构中，沥青面层并非直接受到弯拉作用。而在柔性基层沥青路面中，沥青面层底面则处于受拉状态。为对比起见，对几种常见的半刚性基层沥青路面结构用BISAR程序计算了其各结构层底面在标准轴载作用下受力情况。路面结构各层厚度、模量等有关结构参数见表1。
注：泊松比取值：土基取0.35，其它各层取0.25。
计算时，先固定基层、底基层厚度不变，分别为20，30cm，计算面层厚度及结构变化时各结构层层底受力大小，计算结果见表2；然后固定面层厚度为1 cm（4+5+1），基层厚度为20cm，变化底基层厚度为20，30，40cm时，计算各结构层层底受力大小，计算结果见表3。
从上面计算的表中可以看出，沥青面层均处于受压状态，而基层、底基层底面则处于受拉状态。此时基层处于受拉状态，并首先出现疲劳破坏。当面层与基层接触条件被认为是完全滑动时，如果不考虑泊松比的影响，面层和基层所承受的总弯矩可以近似按照面层和基层的刚度模量比进行分配，各层根据分配的弯矩计算出相应的弯拉应力。
按照通常的情况下（厚度、模量等）计算得出面层受到的弯拉应力要小于基层所受到的弯拉应力。因此，雅论属于哪一种层间接触条件，路面的疲劳破坏均应首先出现在基层底面。
以上分析均是在传统的静载条件下进行的，笔者应用三维有限元进行了动载分析，其应力云图表明拉应力主要位于基层和底基层部分，面层也是处于受压状态。
通过以上分析可以看出，对于半刚性基层沥青路面，其疲劳破坏的模式与柔性基层沥青路面明显不同，半刚性基层、底基层的底面处于受拉状态，在重复荷载作用下，将首先出现疲劳破坏，这种情况从许多地方的路面钻芯结果也得到了验证，如在沈阳一山海关、老沈阳一大连高速公路进行的路面钻芯，在沥青面层有明显疲劳开裂处钻取出的基层大部分已开裂，还有一部分是基层己散掉，雅法完整取出。这表明半刚性沥青路面的疲劳破坏是由基层和面层的疲劳破坏组成的，首先是半刚性基层出现疲劳开裂，并在开裂处导致沥青面层底部出现应力集中，沥青面层开始承受较大的弯拉应力作用，最终导致沥青面层的疲劳开裂。研究半刚性基层疲劳破坏发生后对沥青面层的受力影响及相应的面层疲劳破坏的产生和发展，是符合路面实际工作状态的。
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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发表于 2020-6-22 15:32:00
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