前言

如今沥青路面已成为我国最常见的路面形式，随着公路交通量的加重，沥青路面公路很多路段上车辙、拥抱等形式的病害，给沥青路面的维护和保养带来很大困难。为防治此类病害，我国道路工作者们开展了大量研究。

目前普遍认为，沥青路面结构在车辆荷载作用下内部产生的剪应力超过了沥青混凝土的抗剪强度是造成车辙破坏的机理中国沥青网sinoasphalt.com。基于以上理论，沥青路面抗剪研究围绕沥青路面内剪应力和路面材料抗剪强度展开。结构层模量是沥青路面设计的重要参数，合理选用结构层材料对于沥青路面的抗变形能力有着重大影响。已有研究证实，采用高模量沥青混凝土做上、中面层可有效降低沥青路面结构内剪应力水平，减小沥青混凝土内的塑形剪切变形，抑制沥青路面车辙病害的产生。

第四强度理论认为，塑性材料在复杂应力状态下内部的形变能超过其容许值，则材料便发生屈服破坏，形变能指标可以综合复杂应力状态对材料破坏的影响，反应材料破坏时的各向应力之间的联系，相比当前普遍采用的最大剪应力理论，该理论与塑形材料实验结果更加吻合，因此也更加接近路面实际破坏形式。本文以形变能为研究对象，分析不同结构层模量下沥青路面内形变能的响应状况。

分析模型

路面结构

采用3种不同的典型路面结构形式，分别为半刚性基层路面结构(结构A、B)、柔性基层路面结构(结构C)。根据《公路沥青路面设计规范》，计算时需考虑高温对上面层的作用，上面层模量取60℃时的弹性模量，其余结构层模量取20℃时的弹性模量。

在分析各结构层参数对形变能的影响时，需选定单一参数进行变化，保持其他参数不变进行计算，以得到每个因素对形变能的独立影响规律。

计算模型

应用基于弹性层状理论体系的沥青路面力学计算软件BISAR3.0程序，采用标准轴载BZZ－100对路面结构模型加载，其中接地压强0.7MPa，双圆荷载当量圆半径10.65cm，水平力摩擦系数取0.3，路面结构层间接触条件为完全连续。

取路面结构内不同深度处的点位为代表，路表选取水平力反方向荷载圆后边缘点为点a，即《城市道路设计规范》规定的剪应力验算点位;路表以下0.1h1深度处选取荷载圆外边缘点为点b，即《城镇道路路面设计规范》中采用的剪应力验算点位;其余深度平面上均选择荷载圆中心点，由上到下分别为:上面层层底点c，结构B、C中面层层底/结构A下面层层底点d，结构A基层内10mm点e，结构B、C下面层层底点f，结构B基层/结构C为ATB层内20mm点g。

计算结果及分析

上面层模量

计算上面层模量E1分别为300，700，1100，1500，2000，2300MPa时各特征点位处的形变能值Ux。

可见:提高E1后3种路面结构内的形变能总体水平均有明显降低，上面层模量300MPa升高2300MPa的过程中，代表路表区域的a、b点产生的形变能均明显高于路表层以下点位，说明上面层路表区域受到的剪切破坏作用最为强烈，且该现象并不会因为上面层模量增加而发生改变。

此外，上面层模量E1不变的条件下，3种不同路面结构在同一点位处产生的形变能值非常接近，且E1的变化对不同路面结构内形变能的影响规律基本一致，说明不同组成形式的路面结构，其内部形变能有着同样的响应规律。

以高速公路采用较多的路面结构形式B为例，可见:形变能响应存在如下规律:a、b点处在高温条件下的形变能高于c点10倍以上，上面层表面区域内积累的形变能远远高于其他位置，表明高温时路表在荷载作用下极易发生剪切变形而产生车辙;基层内形变能则变化很小，稳定维持在很低水平，即基层几乎不会受到剪切破坏作用;上面层模量超过700MPa后，d点处形变能值高于c点，且E1越大，d点形变能与c点形变能之差越大，由此看来，增强上面层的模量后，中面层内产生的形变能会高于上面层层底区域，采用较高模量沥青混凝土做上面层时，有必要提高中面层沥青混凝土的抗剪破坏能力。

研究产生形变能值最高的表征路表区域的a、b点。不难看出:随着E1由300MPa增加到2300MPa，形变能由862.5J降低到145.2J，降低幅度巨大。其中，上面层模量增加在300～700MPa区间内，a、b点处的形变能减小幅度最大，分别为55%和60.7%;模量由700MPa增至1100MPa时，a、b点处形变能分别降低32.8%和40.6%，减小幅度依然比较大;模量在1100～2000MPa之间时，每增加400MPa，a、b点处形变能减小幅度均维持在20%，模量超过2000MPa之后继续增大时，形变能减小不明显。由此看来，提高上面层沥青混合料的模量可以大幅度减小路表区域内产生的形变能，并且可降低路面结构内部形变能的整体水平，采用高模量沥青混合料做上面层有利于提高路面的抗剪能力。此外，将上面层沥青混合料模量提高至1500MPa左右时对于减小路面内形变能累积、降低路面剪切变形最为科学有效，采用模量超过2000MPa沥青混合料做路面结构上面层虽能更有效减小路面内的破坏破用但并不实用。

中面层模量

中面层相比上面层所受高温作用影响较小，计算时模量E2分别取为1200、1600、2000、2400、2800、3200MPa。路面模型选择结构B，首先考虑路表高温条件E1=300MPa情况，计算内部各位置处的形变能Ux。

可见:高温条件下，增加中面层沥青混合料材料的弹性模量对路面内的形变能影响很小。E2由1200MPa增至3200MPa的过程中，路表处点a、表面下0.1h1处点b的形变能依旧远高于路表区域以下其他点位，形变能大小值随模量增加分别只减小5.3%和0.8%;d点(中面层层底)处的形变能大小水平虽然很低，但减小幅度达到57.4%;d、f、g曲线均维持在80J以下且变化很小，即路表区域以下其他点位的形变能降低很小。由此看来，中面层模量提高对增强中面层抗剪切破坏能力有一定促进作用。

为探究上面层模量是否会对中面层模量与形变能的关系产生影响，继续计算上面层模量E1=1500MPa时各点位处的形变能Ux。

可见:E1=1500MPa情况下，中面层模量变化对形变能的影响同样有限。中面层模量E2由1000MPa增至3500MPa，点a处形变能随模量增加共减小15.7%，高于E1=300MPa时的5.3%，表面区域以下点位处的形变能减小幅度大致相当;与高温条件E1=300MPa情况不同是，中面层层底点d处的形变能值随中面层弹性模量的增加而略有增大。

综上研究，提高中面层模量对沥青路面内的形变能影响有限，通过采用高模量沥青混合料做中面层材料来提高沥青路面抗车辙能力的思路并不可行。

下面层、基层模量

同样以路面结构B为研究对象，下面层弹性模量EB取1000、1500、2000MPa共3个变量，同时基层弹性模量EB取2500MPa(刚基)、1500MPa(半刚基)和800MPa(柔基)三个变量来计算各点位处的形变能，结果显示下面层、基层材料弹性模量的变化对形变能的影响都很小。

可知:形变能最大值随下面层、基层模量增大变化不大，仅有微小增加，说明下面层、基层模量对路面结构内的形变能影响非常微弱，试图通过增强路面下层结构刚度来提高沥青路面结构的抗剪切变形能力将收效甚微。

结语

① 形变能在不同结构形式的路面结构内沿深度方向的大小变化规律有着一致性，形变能对沥青整体强度、基层材料刚度并不敏感。

②上面层弹性模量对沥青路面内的形变能有着决定性的影响。合理提高上面层模量可以有效降低沥青路面内产生的形变能，建议沥青路面设计时采用高模量沥青混凝土做上面层材料，以提高路面抗剪能力。

③中面层模量对最大形变能的影响有限，但提高中面层模量可减小中面层内的形变能，在进行沥青路面设计时若采用高模量材料做上面层时有必要保证中面层材料模量较高，防止中面层区域积累过高形变能而产生剪切流变。

④沥青路面内的形变能随下面层、基层模量改变其变化幅度不大，严格来说，沥青路面下部各结构层不宜选用弹性模量过大的材料。

⑤保证路表处沥青混合料的高温稳定性对于降低路面内形变能累积有极为重要的作用。夏季高温条件下，表面层模量降低，此时在繁重的车辆荷载作用下，路表薄层区域产生的形变能高于面层内部10倍以上，极易出现过大的永久性塑性变形，因此，为抑制车辙病害必须选择高温稳定性良好的沥青混凝土材料做上面层。