毕业设计（论文）-沥青路面结构层组合研究.doc

第 28页1 引言11 问题提出及研究沥青路面因其具有优越的路用性能得以在全世界范围内广泛应用。它作为一种无接缝的连续式路面,因其具有足够的力学强度,能适应各种行车荷载,且行车平稳、舒适、噪音低以及便于维修的特点而在公路路面铺筑中占有很大比例。20世纪90年代以前,我国沥青路面以表处、贯入式及沥青碎石为主。而在我国高等级公路的建设中,沥青混凝土路面成为主要的路面形式。沥青混凝土路面结构设计初始，其主要目的就是为保护路基土使之不经受车辆的直接作用，通过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过大的沉降。这点反映在设计思想及设计方法上，主要是控制土基顶面应力及垂直位移量，是用古典土力学公式验算。当古典理论公式无法客观地描述路面结构的实际工作状态时，人们通过大量的野外测试，修筑试验路段对实际车辆形式效果进行系统观察，形成了以车辆荷载作用下确保路面结构承载力能力为核心的经验设计法。我国沥青混凝土路面设计规范公路沥青路面设计规范（JTJ D50-2006）采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料层弯拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。设计完成后，路面结构的路表弯沉与各结构层的弯拉应力均应满足设计指标的极限标准。沥青路面结构层的组合不同，其受力特性也大大不同。目前所使用的沥青路面结构组合形式由于所用材料的不同、结构层厚度的不同及每层的层间位置的不同，影响整个路面结构的及每层的受力特性，从而影响沥青路面的使用性能。本研究的目的就是通过改变结构层材料的模量值，对几种不同沥青路面结构层的组合形式进行受力特性分析，以确定沥青路面最佳组合形式。12研究内容 本研究在充分吸收国内研究成果的基础上结合国内情况讨论对柔性结构层、半刚性结构层、刚性结构层在不同材料模量下的受力特性。主要研究内容有：（1）沥青路面的设计方法及设计指标；（2）基层材料及其特性；（2）基层材料模量对路面结构受力特性的影响；（3）基层厚度对路面结构受力特性的影响；（4）土基模量对路面结构受力特性的影响。2 国内沥青路面的设计方法及设计指标力学-经验法由力学和经验两部分组成。由于路面材料组成和性质的复杂性和大变异性,环境和荷载因素影响的随机性,非工厂化现场施工的质量不稳定性,路面设计不可能采用纯力学的方法,而经验部分便成为调节理论与实践关系的杠杆。材料和结构的理论研究成果为我们提供正确的思维方法,帮助我们掌握其发展的内在规律和机理,建立各种合理的计算分析和预估模型；而通过现场试验或工程经验的验证和调节,使所建立的各种模型和各项参数能得到同实际相吻合的分析结果。我国现行的沥青路面设计方法属于力学-经验法。我国的沥青路面设计方法采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论，以路表回弹弯沉值和沥青混凝土层弯拉应力、半刚性材料层弯拉应力为指标进行路面结构厚度设计。设计完成后，路面结构的路表弯沉与各结构层的弯拉应力均应满足设计指标的极限标准。路面结构设计在经过了结构组合设计的周密考虑安排之后，应用力学系统来设计验算结构的厚度分布，设计控制标准是根据路面结构的损坏过程和损坏机理，从力学响应提出的控制指标。路面结构设计中结构厚度分布若满足了控制指标的极限标准，就能保证路面结构在设计使用期内正常工作，不致出现破坏的极限状态。弯沉和弯拉应力（或弯拉应变）是目前各种力学经验法普遍采用的设计控制指标。路面结构的路表弯沉表征路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的总位移。弯沉是表征路面刚度的指标。我国沥青路面设计方法以弯沉作为设计控制指标。路面在达到相同程度的破坏时，回弹弯沉值的大小同该路面的设计使用寿命，即轮载累计重复作用次数成反比关系。路面结构在经受设计使用期累计通行标准轴载次数后，路面状况优于各级公路极限状态标准时，所必须具有的路表回弹弯沉值，称为设计弯沉值。我国公路沥青路面设计规范（JTJ D50-2006）规定路面设计弯沉值为： 2-14其中：设计弯沉值（0.01mm）； 设计年限内一个车道累计当量轴次（次/车道）； 公路等级系数，高速公路、一级公路为1.0，二级公路为1.1，三、四级公路为1.2； 面层类型系数，沥青混凝土面层为1.0，热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式路面（含上拌下贯式路面）、沥青表面处治为1.1； 路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6。我国公路沥青路面设计规范（JTJ D50-2006）规定，沥青面层、半刚性基层、下基层、刚性基层层底拉应力为沥青路面结构设计的第二项控制指标。 2-15其中：路面结构材料的极限抗拉强度（MPa），由实验室按标准试验方法测得； 路面结构材料的容许拉应力，即该材料能承受设计年限次加载的疲劳弯拉应力（MPa）; 抗拉强度结构系数。对沥青混凝土层的抗拉强度结构系数，按下式计算： 2-16对无机结合料稳定集料类的抗拉强度结构系数，按下式计算： 2-17对无机结合料稳定细粒土类的抗拉强度结构系数，按下式计算： 2-18对贫混凝土类的抗拉强度结构系数，按下式计算： 2-19路面结构设计按此两项指标设计结构层厚度，取其中较厚的层厚作为最终设计结果，即可以同时满足弯沉与弯拉应力两项设计指标的要求。沥青路面在实际使用过程中，除了以上两种极限状态之外，引起路面损坏的形式还有很多种，在条件成熟的时候也可以考虑能够增加与之相应的设计控制指标，这在今后的科学研究和设计方法的完善过程中还可以不断地深入探讨。3 基层材料及其特性本研究拟定通过改变沥青路面基层材料的模量及厚度来观察路面弯沉值和层底弯拉应力的变化，故本章将分别介绍柔性、半刚性、刚性基层材料的特性。基层是位于路面面层之下的结构层。它是路面的主要承重层,在沥青面层较薄的情况下,更是如此。基层的主要作用是将车辆荷载分布给下层,使下层不致于处于超应力状态,同时给面层提供一个合适的下承层,使沥青面层不致于处于超应力状态。底基层则是位于基层之下的结构,它是次要的荷载分布层。它将车辆荷载进一步分布给土基,使土基不致于处于超应力状态。它也给基层提供一个合适的下承层,使结合料稳定基层(如水泥稳定土、石灰工业废渣稳定土等)在行车作用下不致受到过大的弯拉应力或弯拉应变。此外,视材料而定,它还可以起到排水层、隔层等的作用。由此可见,基层在整个路面中是处于举足轻重的位置,其质量好坏,对包括沥青混凝土在内的所有沥青路面的使用质量和使用寿命都具有决定性的作用,是绝对不可忽视的。包括沥青混凝土在内的所有沥青路面的基层,一般说来必须具备以下几个基本条件:1、有足够的强度和刚度2、有足够的水稳性3、有足够的平整度4、与面层的结合良好5、有符合规定的横坡6、应有足够的宽度总而言之,基层要达到强、稳、平、粗、洁、干的六字标准。31 柔性基层材料及其特性柔性基层、底基层可用于各级公路。热拌沥青碎石宜用于中等交通及其以上的公路基层、底基层；贯入式沥青碎石宜用于中、重交通的公路基层或底基层；热拌沥青碎石、贯入式沥青碎石可用于改建工程的调平层。级配碎石可用于各级公路的基层和底基层。级配碎石、级配碎砾石以及符合级配、塑性指数等技术要求的天然砂砾，可用作轻交通的二级及二级以下公路的基层和各级公路的底基层。填隙碎石适用于三、四级公路的基层和各级公路的底基层。基层材料与面层材料不仅在结构中承担的作用不同,而且在经济上也要求比较便宜,也就是沥青用量不能像做面层一样多。目前国外使用较多的柔性基层材料主要有LSAM、沥青碎石、乳化沥青、级配碎石、再生沥青混合料。LSAM又叫特粗粒径沥青混合料,一般是指集料的最大粒径超过26.5mm的混合料,常用的有26.5mm、31.5 mm、37.5 mm三种规格。混合料采用骨架密实型的设计思想,空隙率一般3%-7%,沥青用量也相对较少,一般在4%左右。实验验证,这种混合料具有相对良好的抗车辙性能、抗疲劳性能和水稳性。由于材料较粗,不适合做面层,因此可以用于中下面层和基层。在我国,乳化沥青混合料一般用于罩面层,但作为基层使用的混合料与罩面层混合料有着明显不同。乳化沥青碎石,空隙率大,强度低,因此可以将混合料集配调细,适当增加下细料,形成较粘稠的沥青玛蹄脂胶浆,并将混合料空隙率控制在10%左右。乳化沥青混合料的强度形成较缓慢,初期强度低,开放交通晚,通常添加1%-3%的水泥以提高其初期强度,这样不仅能够提高混合料的抗车辙性能,也能提高其水稳性和抗裂性能。虽然乳化沥青混合料的整体性能不如热拌和沥青混合料,但是其沥青用量少,施工方便快捷,不受天气限制,无污染等优点,使得乳化沥青有着广阔的应用前景。乳化沥青可以应用于基层和下基层。级配碎石是将一定的级配的碎石碾压而成的一种材料,由于不使用胶结料,这种材料不具有抗拉的能力,因此有的将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应力消散层,作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。对于柔性路面的结构层,由于承载能力不高,级配碎石一般用于铺筑底基层,或者路基上的整平层,用以加强路基。在良好的压实条件下,级配碎石层的强度也能达到良好的水平,国外有将其应用于基层的成功例子。沥青碎石,可以看作是沥青加筋的级配碎石,这种混合料空隙率较大,在12%左右,沥青用量少,低于4%。具有一定的抗车辙性能,一般用于基层或者下基层,国外也有用于排水结构层的。再生沥青混合料是最近几年发展的一种新型基层材料,它又分为热再生和冷再生,将旧路的沥青层铣刨掉,经若干程序再生,铺筑于新路的基层或者作为旧路改造的基层。尽管其性能暂时无法与热拌沥青混合料相比,但是其成本低,施工方便,保护环境,今后必将成为基层材料追逐的热点。32 半刚性基层材料及其特性半刚性基层承载力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小而且投资经济,缺点在于这种材料变形小,特别是温缩、干缩变形大,易开裂,属于脆性材料。柔性材料如:集配碎石、沥青稳定碎石等等。材料属于粘弹性材料,韧性好,有一定自愈能力,但变形大,弯沉大,因此路面厚度也大,投资成本亦高。半刚性基层材料包括水泥稳定土（土包括粗粒土、中粒土和细粒土）、石灰稳定土和石灰工业废渣稳定土。这几种基层材料用作基层时，具有不同的结构功能，也就是说这几种材料不能不加选择地用到任何等级的道路上去，它们有各自的使用范围。水泥稳定土，由于可被水泥稳定的土的范围相当宽广，同时水泥剂量愈多，水泥稳定土混合料的强度愈高。因此，水泥稳定土的强度可在大范围内进行调整，以适应不同等级道路及不同路面结构层位（基层或底基层）对材料的强度要求。稳定细粒土，特别是稳定各种砂性土，粉性土和粘性土不应直接用作重载交通沥青路面的基层，而只能用作底基层。作为重载交通道路上沥青路面的基层应选用稳定粒料，而且粒料的级配应符合基层施工规范中规定的级配碎石基层或级配砾石基层的集料级配范围，以改善稳定粒料基层的干缩性以及提高其抗冲刷能力。石灰稳定土，石灰稳定土的强度较水泥稳定土的强度低得多，而且石灰土的强度没有大的可调整范围。但是，石灰稳定土基层有很大的刚性和荷载分布能力，它仅略次于水泥稳定土基层，因此，它仍是一种较好的路面基层和底基层材料。由于石灰稳定土的抗拉强度较低和抗冲刷能力较差，它不宜用做高速公路的基层。石灰稳定工业废渣，石灰工业废渣稳定土中具有普遍意义的主要材料是石灰粉煤灰稳定类，它包括：石灰粉煤灰细粒土、石灰粉煤灰中粒土和粗粒土。石灰粉煤灰细粒土的干缩和温缩系数比较大，不用作高级路面的基层，只用作高级路面的底基层。而石灰粉煤灰中粒土和粗粒土可用作各种等级道路上路面的基层。33 刚性基层材料及其特性刚性基层适用于重交通、特重交通及运煤、矿石、建筑材料等的公路工程。刚性基层厚度一般为200-280mm，最小厚度应大于150mm，一般使用的刚性基层主要是贫混凝土。贫混凝土（Lean Concrete,简写LC）是由粗、细集料与一定量的水泥和水拌和而成的一种混凝土。这种混凝土的水泥用量较普通混凝土低，且可以使用较低等级的集料，有时也称为经济混凝土（Econocrete）。其主要特点有：1、强度高贫混凝土的强度介于普通水泥混凝土和水泥稳定碎石之间，随着水泥剂量的改变，其强度和弹性模量可在较大范围调整。研究表明，贫混凝土的各种力学性能指标都明显超出其他半刚性基层。由于其较大的刚度，贫混凝土基层具有良好的接缝传荷能力，从而提高路面的整体结构强度；并有利于缓解土基的不均匀变形对混凝土面板造成的不利影响，为面板提供一个均匀稳定的支撑。2、水稳定性好、抗冲刷能力强研究表明，贫混凝土的软化系数较高，冻融作用下的质量损失较小，说明其具有良好的水稳定性和抗冻性。而且贫混凝土具有很强的抗冲刷能力，远胜于其他半刚性基层，从而能有效防止唧泥、底板脱空和错台等病害的产生。通过调整材料配比，还可修筑多孔贫混凝土基层，结合其他排水设施，形成性能良好的内部排水系统。3、抗疲劳性能好贫混凝土具有比其他半刚性材料优良的疲劳性能。4、经济性好贫混凝土基层不仅水泥用量少，而且可以采用地方小水泥窑生产的低标号水泥。对集料的要求也相对较低，可以适当掺加粉煤灰代替部分水泥，从而节约了建设费用。经济分析表明，贫混凝土的造价仅略高于水泥稳定碎石，并且由于其较高的强度和良好的性能，可以减少基层厚度，进一步降低造价。4 沥青路面结构组合设计及结构层受力特性分析41 沥青路面结构组合设计及研究内容本研究主要通过改变基层材料模量和基层厚度来分析由此给沥青路面结构层受力特性的影响。首先确定设计路段的资料：区某地拟新建一条双向四车道一级公路，2001年底建成通车。经调查分析提供的近期交通量及车辆组成如表4-1。预测交通量增长率前5年为8.0%，之后5年为7.0%，最后5年为5.0%。公路路基平均填土高度在1.6米，平均地下水位1.0米，平均冻深0.65米，土质为粘质土，平均稠度为1.00。表4-1：交通组成表车型桑塔纳2000江淮AL6600黄海DD680北京BJ130东风EQ140黄河JN163东风SP9250辆/日2280220450260660868330根据该路面资料，确定出路面等级，面层类型，并计算出设计年限累计当量标准轴载数及路面设计弯沉值；确定出土基的回弹模量；拟定路面结构层组合方案；计算控制层厚度及层底弯拉应力验算。根据以上设计方法通过改变基层材料模量、基层厚度、土基模量等因素观察层底弯拉应力及弯沉值的变化。本课题研究方案主要分为以下几部分：1、设计指标确定根据我国现行公路沥青路面设计规范（JTJ D50-2006）（以下简称规范）规定，高速公路、一级公路、二级公路的路面结构，以路表面回弹弯沉值、沥青混凝土层的层底拉应力及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标1。2、设计路段结构组合设计及沥青路面厚度设计（1）整理设计路段基本资料（2）初拟路面结构组合（3）标准轴载累计交通量（4）计算设计弯沉和结构强度系数（5）计算确定容许弯拉应力（7）计算路表弯沉和层底拉应力（8）计算控制层厚度3、基层材料模量对沥青路面受力特性的影响通过改变基层材料模量，模拟出柔性、半刚性、刚性结构层，研究出基层材料模量对该试验路段沥青路面结构层层底拉应力及弯沉值的影响。根据经验分析认为,高模量基层可以获得较小的沥青混凝土层底弯拉应变、基顶压应变和弯沉；低模量基层会产生较大的沥青混凝土层底弯拉应变、基顶压应变和弯沉。基层的模量对面层的力学特性有着较为复杂的影响.一方面,提高基层的模量可以有效地减小面层底部的拉应力并减小路面总的弯沉,从而可以减薄路面厚度,有较大的经济效益.另一方面,较高的基层模量导致面层中较大的竖向压应力,对于路面的抗车辙性能有不利的影响;并且,面层中的剪应力也会增大,这对路面的高温稳定性有不利的影响。本研究的目的之一就是通过改变基层模量的大小选取出最佳的模量范围，进而确定出最优的路面结构组合。4、基层厚度对沥青路面受力特性的影响通过改变三种结构层的基层厚度，研究出基层厚度对该试验路段沥青路面结构层层底拉应力及弯沉值的影响。基层是位于路面面层之下的结构层。它是路面的主要承重层,在沥青面层较薄的情况下,更是如此。基层的主要作用是将车辆荷载分布给下层,使下层不致于处于超应力状态,同时给面层提供一个合适的下承层,使沥青面层不致于处于超应力状态。基层在整个路面中是处于举足轻重的位置,其质量好坏,对包括沥青混凝土在内的所有沥青路面的使用质量和使用寿命都具有决定性的作用,是绝对不可忽视的。5、土基模量对沥青路面受力特性的影响土基回弹模量是表征土基强度的，是路面结构设计的主要参数，它对路表弯沉的影响是明显的，由于路表弯沉大部分都是由土基强度引起的。42 基层材料模量对沥青路面受力特性的影响本研究柔性基层沥青路面所拟定的路面结构层组合基层由沥青稳定碎石层和级配碎石层组成，在不改变所有结构层厚度及面层沥青结构层模量的前提下分别改变上基层和下基层的材料模量来模拟柔性基层模量变化对路面个结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响；半刚性基层沥青路面结构层只设定了一层基层即水泥稳定碎石层，在不改变所有结构层厚度及面层沥青结构层模量的前提下只改变基层材料模量来模拟半刚性基层模量的变化对路面结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响。4.2.1 柔性基层材料模量对路面结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响本研究根据试验路段资料拟定的柔性基层路面结构层方案为4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+20cm沥青稳定碎石+41.5cm级配碎石，其中以级配碎石为控制层。则本研究将拟定4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+20cm柔性上基层+41.5cm柔性下基层为柔性基层沥青路面结构层，其中下基层材料模量变化及各结构层弯沉值和层底弯拉应力见表4-6。表4-6：柔性下基层材料模量对弯沉值和层底弯垃应力的影响模量1结构层弯沉值（0.01mm）2结构层弯沉值（0.01mm）3结构层弯沉值（0.01mm）4结构层弯沉值（0.01mm）面层底面弯拉应力(MPa)20036.6641.9356.27114.440.18622035.5040.4853.86107.660.18324034.4739.2051.77101.900.18126033.5638.0749.9596.930.17928032.7337.0648.3492.580.17730031.9936.1546.9088.740.17532031.3135.3245.6183.320.17334030.6934.5744.4582.250.17236030.1033.7943.3779.330.1738019.7433.1042.6476.450.16940029.1032.6541.5374.620.16842028.6432.1140.7172.490.16744028.2231.6039.9570.520.16546027.8231.1339.2468.700.16548027.4530.6838.5867.000.16450027.1030.2737.9665.420.16352026.7729.8737.3963.940.16254026.4529.5036.8462.550.16156026.1629.1636.3361.240.1658025.8828.8235.8560.000.1660025.6128.5135.3958.840.159绘制成折线图分别为：图4-3：柔性下基层材料模量对弯沉值的影响图4-4：柔性下基层材料模量对面层底面弯拉应力的影响从表4-6中可以看出本研究中柔性基层沥青路面结构层的下基层模量变化范围是200MPa600MPa，从图4-3可知随着下基层材料模量的增大各结构层的弯沉逐渐减小，一开始减小的速率较快但随后减小的速率明显降低，可知当柔性下基层材料模量增大到一定程度就不会给各结构层弯沉带来明显的变化，而且从图中可以看出，当柔性下基层材料模量增大时下基层弯沉的变化明显要比其他各结构层的变化要大。由图4-4中可知当柔性下基层材料模量增大时下面层层底弯拉应力逐渐减小。本研究所拟定的柔性基层沥青路面基层分为上基层和下基层，在改变基层材料模量时本研究是对上下基层材料模量分别改变的角度来观察各结构层弯沉和下面层层底弯拉应力的。其中上基层材料模量改变及各结构层弯沉和下面层层底弯拉应力见表4-7。表4-7：柔性上基层材料模量对弯沉值和层底应力的影响模量（MPa）1结构层弯沉（0.01mm）2结构层弯沉（0.01mm）3结构层弯沉（0.01mm）4结构层弯沉（0.01mm）下面层层底弯拉应力（MPa）20044.8452.9867.5583.610.65025041.3248.2062.2683.610.55930038.8844.9658.4983.610.48535037.0742.6155.6283.610.42540035.6740.8153.3483.610.37545034.5539.3951.4683.610.33150033.6238.2249.8883.610.29355032.8437.2548.5383.610.25960032.1836.4347.3483.610.229模量（MPa）1结构层弯沉（0.01mm）2结构层弯沉（0.01mm）3结构层弯沉（0.01mm）4结构层弯沉（0.01mm）下面层层底弯拉应力（MPa）65031.6035.7246.3083.610.20270031.1035.0945.3783.610.17775030.6534.5444.5383.610.15580030.2434.0543.7683.610.135图4-5：柔性上基层材料模量对弯沉值的影响图4-6：柔性上基层材料模量对层底弯拉应力的影响由图4-5可知当上基层材料模量增大时面层弯沉逐渐减小，变化趋势同样时逐渐由快到慢，直至变化不明显，所以在沥青路面结构组合设计时为满足设计弯沉值的要求可以通过改变上基层材料的模量来达到目的。同时我们也看到当上基层模量变化时，下基层的弯沉几乎不变，也就是说上基层材料模量的改变不会影响下基层的弯沉，而从图4-5可以看出下基层材料模量的改变会影响上基层的弯沉。对于下面层层底弯拉应力，当上基层材料模量增大时下面层的层底弯拉应力逐渐减小，这也可以说明基层是路面结构的主要承重层，它的作用就是将车辆荷载分布给下层，合适的基层可以使沥青层不致于处于超应力状态，不致受到过大的弯拉应力和弯拉应变。4.2.2 半刚性基层材料模量对路面结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响本研究根据试验路段资料拟定的柔性基层路面结构层方案为4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+46.6cm水泥稳定碎石，其中以水泥稳定碎石为控制层。则本研究将拟定4cm细粒式沥青混凝土+6cm中粒式沥青混凝土+8cm粗粒式沥青混凝土+46.6cm半刚性基层为半刚性基层沥青路面结构层，其中半刚性基层材料模量变化及各结构层弯沉值和层底弯拉应力见表4-8。表4-8：半刚性基层材料模量对弯沉值和层底应力的影响半刚性基层材料模量（MPa）1结构层弯沉（0.01mm）2构层弯沉（0.01mm）3构层弯沉（0.01mm）4构层弯沉（0.01mm）下面层层底弯拉应力（MPa）半刚性基层层底弯拉应力（MPa）60029.4433.1439.6751.200.1250.08970027.6030.9136.6846.660.0940.09580026.1429.1434.3343.090.0680.10190024.9427.7032.4140.200.0470.107100023.9426.4930.8037.780.0300.112110023.0825.4629.4335.740.0150.117120022.3424.5628.2333.970.0020.121130021.6823.7727.1832.4300.125140021.1023.0626.2431.0700.129150020.5722.4325.4029.8600.133160020.1021.8524.6428.7800.136绘制成折线图分别为：图4-7：半刚性基层材料模量对弯沉的影响图4-8：半刚性基层材料模量对层底弯拉应力的影响由图4-7可知当半刚性基层材料模量增大时，各结构层弯沉逐渐减小，并且变化趋势逐渐减缓，因此对于半刚性结构层而言，改变其基层材料的模量也可以达到改变弯沉的目的从而满足设计弯沉值的要求。同时改变半刚性基层材料模量还将减小下面层层底弯拉应力和提高半刚性基层的层底弯拉应力，通过这个途径可以应用到路面结构组合设计中从而设计出符合容许弯拉应力要求并且最佳的路面结构组合。由于计算软件的缘故对于层底弯拉应力的计算我们只能看到大于等于零的数值，即在图4-8中当半刚性基层材料模量在1200-1300MPa范围时，下面层的层底弯拉应力开始变为负值了，即随着基层模量的增加对改善下面层的受力状态有利，当基层大于这个范围的某值时，下面层转为受压状态，过大的基层模量对改善下面层的受力状态已不起作用。同时我们也可以看到，随着基层材料模量的增加基层层底弯拉应力在增大，即基层模量的增加对基层底面的受力时不利的。当基层模量取得过大，会导致基层底面拉应力超过容许拉应力而引起开裂，进而影响到路面结构。所以基层模量在保证面层受力有利的前提下，不可太大。43 基层厚度对沥青路面受力特性的影响4.3.1 柔性基层厚度对路面结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响由于基层在沥青路面结构中起到至关重要的作用，模量和厚度都是影响基层性能的重要因素，这直接关系到基层能否发挥其应有的作用。本研究将对柔性基层沥青路面结构的上下基层的厚度分别进行改变来观察其对路面结构层弯沉值和下面层层底弯拉应力的影响。其中下基层厚度变化及弯沉和下面层层底弯拉应力的变化见表4-9。表4-9：下基层厚度对弯沉值和层底应力的影响下基层厚度（cm）1层弯沉（0.01mm）2层弯沉（0.01mm）3层弯沉（0.01mm）4层弯沉（0.01mm）下面层层底弯拉应力(MPa)3038.2743.8659.18129.950.1783137.6643.1157.95125.350.1783237.1442.4656.90121.400.1783336.6441.8455.89117.700.1783436.1641.2454.92114.210.1783535.6840.6653.99110.930.1783635.2340.1053.09107.840.1773734.7839.5652.23104.920.1773834.3539.0351.40102.160.1773933.9338.5250.6099.550.1774033.5238.0249.8397.080.1774133.1237.5449.0994.740.1774232.7437.0748.3792.520.1774332.3636.6247.6790.410.1774432.0036.1847.0088.400.1774531.6435.7546.3686.490.1774631.3035.3445.7384.670.1774730.9634.9345.1382.930.1774830.6334.5444.5481.270.1774930.3134.1643.9779.690.1775030.0033.7943.4278.170.178图4-9：柔性下基层厚度对弯沉的影响图4-10：柔性下基层厚度对层底弯拉应力的影响从图4-9可知随着下基层厚度的增加各结构层的弯沉几乎呈线性减小，但趋势并不明显，故在只改变下基层厚度的情况下要想获得路面弯沉的明显变化效果并不好。对于下面层层底弯拉应力在下基层厚度的变化下几乎不变，也就是说只改变柔性层的厚度并不能改变面层的应力状态，要想改善行车荷载对面层的作用只改变柔性下基层时不起作用的。所以本研究又观察了柔性上基层的厚度变化对各结构层弯沉和下面层层底弯拉应力的影响，上基层厚度变化、各结构层弯沉值和下面层层底弯拉应力见表4-10。表4-10：上基层厚度对弯沉值和层底应力的影响上基层厚度（cm）1结构层弯沉（0.01mm）2结构层弯沉（0.01mm）3结构层弯沉（0.01mm）4结构层弯沉（0.01mm）下面层层底弯拉应力（MPa）1534.4939.3052.0983.610.1941633.7538.3850.6183.610.191733.0437.5049.2083.610.1861832.3736.6647.8683.610.1831931.7135.8646.5883.610.182031.1035.1045.3783.610.1772130.5034.3644.2183.610.1752229.9233.6643.1183.610.1732329.3732.9942.0583.610.1712428.8432.3441.0583.610.172528.3331.7240.1083.610.169绘制成折线图为：图4-11：柔性上基层厚度对弯沉的影响图4-12：柔性上基层厚度对层底弯拉应力的影响由图4-11可知随着柔性上基层的厚度变化下基层的弯沉几乎不变，总结以上结论可知上基层的厚度及模量不影响下基层的弯沉。其他结构层的弯沉对柔性上基层厚度的增加而减小，但变化趋势同样不明显，尤其是对路表面弯沉的影响。而对于下面层的层底弯拉应力，随着柔性上基层厚度的增加是在逐渐减小的。4.3.2 半刚性基层厚度对路面结构层弯沉值和层底弯拉应力的影响本研究所拟定的半刚性沥青路面结构只设定了一层基层，故在研究中只改变该半刚性基层的厚度。厚度变化及各路面结构层弯沉和层底弯拉应力见表4-11。表4-11：半刚性基层厚度弯沉值和层底应力的影响半刚性基层厚度（cm）1层弯沉（0.01mm）2层弯沉（0.01mm）3层弯沉（0.01mm）4层弯沉（0.01mm）基层层底弯拉应力3527.2330.6035.4944.270.1913626.1329.1534.3542.580.1823725.4928.3733.2841.000.1763824.8827.6232.2739.520.1713924.3026.9131.3138.130.1664023.7426.2330.4036.830.1614123.2125.5829.5335.600.1564222.6924.9628.7134.440.1524322.2024.3727.9333.340.1474421.7223.8027.1832.310.1434521.2723.2526.4731.330.1394620.8322.7325.8030.400.135半刚性基层厚度（cm）1结构层弯沉（0.01mm）2构层弯沉（0.01mm）3构层弯沉（0.01mm）4构层弯沉（0.01mm）基层层底弯拉应力4720.4122.2325.1529.520.1314820.0021.7424.5228.680.1284919.6121.2823.9427.890.1245019.2320.8423.3727.130.1215118.8720.4122.8226.410.1185218.5220.0022.3125.720.1155318.1819.6021.8125.070.1125417.8519.2221.3324.440.1095517.5318.8520.8723.840.106绘制成折线图为：图4-13：半刚性基层厚度对弯沉的影响图4-14：半刚性基层厚度对层底弯拉应力的影响由上图可知随着半刚性基层厚度的增加各结构层弯沉和半刚性基层的层底弯拉应力都在减小，说明在基层厚度的增加可以使基层更好得发挥其承重层的作用减小路面弯沉，同样增大半刚性基层的厚度也会使半刚性基层的弯拉应力减小，过大的基层厚度虽然能满足设计弯沉的要求但从经济角度考虑已是浪费了。44 土基模量对沥青路面受力特性的影响经验表明,基层的模量必须保持在一个合理的范围内,才能从整体上获得好的路用性能。较高的基层模量会增加面层竖向压应力,易于引起路面车辙,但过低的基层模量会增大路面表面的剪应力并使沥青层底部受拉,进而降低沥青路面在行车荷载作用下的疲劳寿命。表4-12：土基模量对弯沉值和层底应力的影响土基模量（MPa）半刚性基层模量（MPa）1结构层弯沉（0.01mm）2结构层弯沉（0.01mm）3结构层弯沉（0.01mm）4结构层弯沉（0.01mm）3层层底弯拉应力（MPa）4层层底弯拉应力（MPa）3060031.2735.2542.3155.050.1250.09480027.8331.0936.7546.420.06720.106100025.5428.3233.0640.750.0280.117120023.8626.3030.3536.670.000620.126140022.5624.7228.2533.5600.134160021.523.4526.5531.1000.142土基模量（MPa）半刚性基层模量（MPa）1结构层弯沉（0.01mm）2结构层弯沉（0.01mm）3结构层弯沉（0.01mm）4结构层弯沉（0.01mm）3层层底弯拉应力（MPa）4层层底弯拉应力（MPa）5060026.2229.4435.0144.370.1270.07980023.1425.6930.0337.170.070.091100021.1123.2426.7932.490.0320.102120019.6521.4724.4629.150.00460.111140018.5120.1122.6726.6200.118160017.6019.0121.2324.6300.1268060022.7825.4829.9836.920.1280.06480019.9221.9625.3330.640.0730.076100018.0519.722.3826.630.0350.087120016.7118.0920.2923.800.00820.095140015.6916.8618.7121.6700.103160014.8815.8917.4620.0000.1110060021.5124.0028.0934.070.1290.05780018.7020.5423.5328.110.0740.069100016.8818.3420.6724.340.0370.079120015.5916.7818.6721.700.00990.088140014.6115.6117.1719.7200.095本研究现选取半刚性结构层来作为土基模量改变的试验结构层，由此来分析土基模量改变对各结构层弯沉值、下面层层底弯拉应力和基层层底弯拉应力的影响。绘制成折线图为：图4-15：土基模量对基层弯沉的影响图4-16：土基模量对面层层底弯拉应力的影响图4-17：土基模量对基层弯拉应力的影响图4-18：土基模量对路表弯沉的影响土基模量是影响路表弯沉的重要因素。随着土基模量不断的增加，路表弯沉值会不断的减少。特别是土基模量较低时，路表弯沉随其变化非常敏感，但路表弯沉值降低的速率随着土基模量值的增加而逐渐降低。虽然随着基层材料模量的增加路表弯沉也在逐渐减小，但从图4-18可以看出基层模量变化所带来的路表弯沉的变化远不如土基模量变化的效果明显。土基模量的增大可以改变下面层的受力状态，使得下面层获得较大的层底弯拉应力，即较大的土基模量可以使得不用太大的基层材料模量就能够获得合适的下面层层底弯拉应力。同时层的层底弯拉应力随着土基模量的增大而减小，这就意味着土基模量的增大可以提高整个路面结构的强度，而且减小面层和基层的厚度，使得路面结构更加经济。结 论本研究首先对国内沥青路面设计方法及设计指标进行了简单了解，并根据研究内容对所涉及的基层材料特性进行总结。然后通过对设计路段的基本资料的整理模拟出柔性结构层、半刚性结构层和刚性结构层，然后通过改变基层材料模量、基层厚度和土基模量对路面结构进行受力分析。（1）随着基层材料模量的增大无论柔性结构层还是半刚性结构层其路表弯沉和下面层的层底弯拉应力都呈减小趋势，但随着模量的不断增大弯沉的减小速率也在逐渐减小而且面层的应力状态由受拉变成受压，说明在路面结构中基层是主要承重层，它可以改变面层的应力状态。同时半刚性结构层的基层层底弯拉应力也在逐渐增大，并逐渐接近其层底容许弯