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user: 3. 计算结果与分析 3.1. 基层修补结构的力学响应 1) 修补结构纵缝剪应力 修补结构纵缝最大剪应力如图6所示。 图6. 基层修补结构纵缝剪应力 由图6可以看出，不同荷载位置情况下，基层修补材料类型的变化对修补结构纵缝剪应力的影响规律是一致的。即随着修补材料弹性模量的增加，修补结构纵缝剪应力先减小后增大，最小值出现在修补材料弹性模量为19，000 MPa时。当修补材料与原材料弹性模量更接近时，两种结构协同变形，二者之间差生的剪应力最小，降低了基层结构发生剪切破坏的可能性；而当修补材料与原基层弹性模量有差异时，修补结构纵缝剪应力随着两种结构模量比的增大而增大。 荷载位于修补结构纵缝处时，修补材料类型对修补结构纵缝剪应力的影响最大，位于修补结构正中时影响最小。当荷载作用于基层修补结构纵缝位置时，基层修补结构纵缝剪应力相对较大，最大值出现在荷载作用于纵缝左侧、修补材料弹性模量为7000 MPa时，为0.098 MPa。当修补材料与原基层材料刚度相近时，荷载作用位置对基层修补结构纵缝剪应力的影响不大，剪应力均约为0.070 MPa。 因此，在实际路面修补时，应尽量保持新旧路面材料弹性模量的比值接近1，且可通过适当增大或减小修补面积的方式，使修补结构纵缝远离路面荷载轮迹线，避免修补结构与原结构的纵缝处发生剪切破坏。 2) 修补结构最大拉应力 修补结构层底最大拉应力如图7所示。 图7. 基层修补结构最大应力 由图7可以看出，各荷载位置情况下，基层修补材料类型的变化对修补结构最大拉应力的影响规律是一致的。即基层修补结构最大拉应力随着修补材料弹性模量的增加呈增大的趋势，说明修补结构刚度越大，所承担的应力值就越大。 荷载作用于修补结构正中位置时，不同弹性模量下基层修补结构最大拉应力均小于荷载作用于其他三种位置时，最小值出现在修补材料弹性模量为7000 MPa时，为0.101 MPa。荷载作用于纵缝处、修补材料弹性模量32，000 MPa情况下，基层修补结构承担的拉应力最大，最大拉应力值为0.207 MPa。 因此，修补结构弹性模量较大、荷载作用于修补结构纵缝处是导致弯拉破坏较不利的工况。说明基层修补材料选择柔性材料、通过适当改变修补面积使荷载作用位置处于修补结构正中，可减小基层修补结构的最大拉应力。 3.2. 沥青面层的力学响应 沥青面层最大拉应变如图8所示。 图8. 沥青面层最大拉应变 由图8可以看出，各荷载位置情况下，基层修补材料类型的变化对沥青面层拉应变的影响规律是一致的。即沥青面层最大拉应变随着修补材料弹性模量的增加而减小，因为基层弹性模量增大，相当于基层对面层由柔性支撑过渡为刚性支撑，荷载作用时面层不易发生弯拉变形。 荷载位于修补结构纵缝处时，沥青面层最大拉应变受修补材料弹性模量的影响最大，位于修补结构正中时影响最小。沥青面层最大拉应变出现在荷载位于修补结构纵缝处时，最大值为28.2 µԑ。荷载作用于修补结构正中、修补材料弹性模量32，000 MPa情况下，沥青面层拉应变最小，最小拉应变值为13.8 µԑ，仅为最大值的49%。说明荷载位于修补结构正中位置有利于沥青面层的受力，避免沥青面层发生弯拉破坏。 因此，为保证沥青面层有良好的受力情况，修补时应尽量使荷载远离修补结构纵缝处，且基层修补材料不宜过柔。 3.3. 原基层的力学响应 原基层的最大拉应力如图9所示。 图9. 原基层层底最大拉应力 由图9可以看出，各荷载作用位置情况下，随着修补材料弹性模量的增大，原基层最大拉应力均先减小后增大，最小值出现在修补材料弹性模量为19，000 MPa，即修补材料弹性模量与原基层相同时。当修补材料为柔性材料时，基层所受的应力主要由弹模较大的原基层结构承担，原基层层底最大拉应力较大，最大拉应力位于荷载作用位置正下方；当修补材料弹性模量为半刚性/刚性材料时，原基层材料与修补材料刚度均较大，二者共同承担传递到基层的荷载，因此原基层承担的拉应力随修补材料弹性模量的增大而增大。因此，应选择与原基层材料弹性模量接近的修补材料，才能保证原基层结构有较好的受力情况。 原基层层底拉应力的最大值出现在荷载作用于修补结构纵缝处时，最大值为0.186 MPa；荷载作用于修补结构正中位置时的原基层层底拉应力值，远小于荷载位于其他位置时，为其他位置处的50%左右，最小值为0.076 MPa。 说明荷载作用位置对原基层结构受力的影响较为明显，选择与原基层材料弹性模量接近的修补材料，且使荷载位于修补结构正中处有利于提高路面结构的整体受力。 3.4. 路基的力学响应 路基的竖向压应变如图10所示。 图10. 路基顶面竖向压应变 由图10可以看出，各荷载位置情况下，路基顶面竖向压应变受基层修补材料类型的变化的影响规律是相同的。即路基顶面竖向压应变随着修补材料弹性模量的增加而减小，说明适当增加修补材料的刚度，可减小路基顶面压应变。 荷载作用于基层修补结构纵缝处的路基顶面竖向压应变值均大于其他位置处，最大值出现在修补材料弹性模量为7000 MPa、荷载作用于修补结构纵缝处时，最大值为33.7 µԑ；路基竖向压应变最小值出现在荷载作用于修补结构正中时，最小值为21.7 µԑ。因此，修补时可通过调整修补面积使修补结构正中位置位于轮迹线处。 3.5. 疲劳开裂寿命计算 对于沥青路面，在行车荷载的反复作用下，路面基层层底产生交变应力幅，随着荷载作用次数的增加，路面结构累积变形逐渐增大，会出现疲劳开裂现象 [ 17 ]，故根据《公路沥青路面设计规范》 [ 18 ] 验算基层疲劳开裂寿命。选择原基层层底最大拉应力作为分析指标，代入式(1)、式(2)，对基层疲劳开裂寿命进行计算，式中参数取值情况如表2所示，计算结果如图11所示。 Table 2 Fatigue life parameters of base cours 式中参数 取值 目标可靠指标β 1.65 季节性冻土地区调整系数k a 1 温度调整系数k T 2 1.32 疲劳试验回归系数a 13.24 疲劳试验回归系数b 12.52 参数c 1 14 参数c 2 −0.0076 参数c 3 −1.47 面层厚度h a (mm) 180 计算点以上无机结合料稳定层厚度h b (mm) 540 无机结合料稳定类材料的弯拉强度R S (MPa) 1.5 现场综合修正系数k c 公式(2)计算 基层层底拉应力σ t (MPa) 模型中直接读取 表2. 基层疲劳寿命参数取值 图11. 弹性模量对基层疲劳开裂的影响 N f 2 = k a k T 2 − 1 10 a − b σ t R s + k c − 0.57 β (1) k c = c 1 e c 2 ( h a + h b ) + c 3 (2) 由图11可看出，各荷载位置情况下，随着修补材料弹性模量的增加，基层疲劳开裂寿命均呈现先增大后减小的趋势，不同修补材料弹性模量下疲劳寿命的最大值均出现在修补弹性模量为19，000 MPa时。说明修补材料弹性模量与原基层材料越接近时，基层结构越不易发生疲劳破坏，因此应尽量选择与原结构刚度接近的修补材料。 基层疲劳开裂寿命不仅与基层修补材料类型有关，而且受荷载作用位置的影响。同种修补材料情况下，荷载作用于修补结构正中时，疲劳寿命最大；荷载作用于修补结构纵缝处时有最小疲劳寿命。 基层结构疲劳寿命最小值出现在修补材料弹性模量为7000 MPa、荷载位于修补结构纵缝时，最小值为1.635 × 10 9 轴次；最大值出现在修补材料弹性模量为19，000 MPa、荷载位于修补结构正中时，最大值为1.36 × 10 10 轴次，是最小疲劳寿命的8.3倍。因此，基层修补时应尽量选择与原基层材料弹性模量接近的材料，且通过调整修补面积避免修补结构纵缝位于荷载作用位置处，以保证路面结构的整体受力性能。