3. 1 基层厚度对力学响应的影响
3. 1. 1 沥青层底最大拉应变
不同基层厚度对沥青层底最大拉应变有显著影响,试验结果见图 2。 随着基层厚度的增加,沥青层底最大拉应变呈现出明显的下降趋势,这主要是由于较厚的基层能够有效分散上部传递的应力,减小应力集中现象,从而降低沥青层底的应变积累。
由图 2 可知,当基层厚度由 9 cm 增加至 18 cm时,沥青层底最大拉应变快速降低,显示出基层厚度对拉应变的显著影响。 继续增加基层厚度至 27 cm 和36 cm,拉应变的降低趋于平缓,但仍有明显减小,这表明初期增加基层厚度能够显著提升路面的抗裂性能,而在基层厚度达到一定程度后继续增加厚度对拉应变的影响逐渐减小,体现出边际效益递减的规律。 当基层厚度达到 18 cm 以上时,沥青层底最大拉应变的降低效果最为显著,说明这一厚度可以提供较好的应力分散能力和结构支撑效果。 厚基层不仅能分散应力还能提高路面的整体刚性,减少变形量,有助于提高路面的使用寿命和抗疲劳性能。 综合考虑工程成本和效果,建议在实际工程中基层厚度采用 18 ~ 27 cm,以达到较好的抗裂效果和经济效益。
3. 1. 2 层间剪应力
基层厚度对层间剪应力的影响显著,试验结果如图 3 所示。
由图 3 可知,随基层厚度的增大,沥青层与 ECC层的层间剪应力逐渐降低,当基层厚度大于 28 cm 时,层间剪应力基本不再发生变化。 这主要与基层的应力分散效应有关,基层的主要功能之一是分散荷载应力,当基层厚度增加时可以更有效地分散这些力,减少单个点的应力集中,从而在沥青层与 ECC 层间产生的剪应力也随之减少,且较厚的基层能够更好地抵抗由上层向下层传递的剪切力,因此剪力会随着基层厚度的增加而降低。 当基层厚度增至一定程度(如 28 cm)时,基层的荷载承载和分散能力达到一种平衡或饱和状态,此时层间的剪应力不再明显变化,表明基层已足够厚,进一步增加厚度对剪应力的影响变得微乎其微。
3. 1. 3 ECC 层底最大拉应变
不同基层厚度对 ECC 层底最大拉应变具有显著影响,试验结果见图 4。
由图 4 可知,随着基层厚度的逐渐增加,ECC 层底最大拉应变表现出持续降低趋势,当 ECC 层较薄时,最大拉应变的减少速度初始较快,随后减缓,当ECC 层厚度超过 15 cm 后,最大拉应变的减少趋势近似线性下降。 这是因为 ECC 层较薄时即使小幅增加厚度也显著提高了下面层承载能力,因此最大拉应变快速减少。 随着厚度继续增加,ECC 层的结构和力学性能逐渐趋于稳定,荷载分散能力增强,导致拉应变降低的速率减缓。
3. 1. 4 ECC 层底最大拉应力
ECC 层底最大拉应力随基层厚度增大的变化趋势与层底拉应变基本相似,试验结果如图 5 所示。由图 5 可知,随着基层厚度的增加,ECC 层底最大拉应力逐渐减小,其原因在于 ECC 层厚对路面结构承载力的影响降低了基层应力扩散的作用程度。
3. 1. 5 基层最大拉应力
不同基层厚度对基层最大拉应力具有显著影响,试验结果如图 6 所示。
由图 6 可知,随着基层厚度的增大,基层最大拉应力逐渐减小,说明基层厚度的增大为应力扩散提供了更多路径,有助于减小荷载传递至基层层底时的拉应力,可有效降低层底开裂风险。
3. 2 ECC 层厚度对力学响应的影响
ECC 层厚度对复合面层结构的力学响应具有显著影响,ECC 层厚拟选择5 cm、10 cm、15 cm、20 cm,试验结果见图 7 ~ 图 11。
1)沥青层底最大拉应变及层间剪应力。 由图 7、图 8 可知,随着 ECC 下面层厚度的增大,沥青面层层底最大拉应变和层间剪应力均逐渐减小。 原因是ECC 层厚度增加时,路面荷载承载能力得到提升,能够更有效分散来自沥青面层的应力,有助于均匀地分布应力,避免在沥青层层底出现应力集中,且厚度较大的 ECC 下面层提高了整个路面结构的刚性,减少了由于交通载荷引起的面层变形,因此沥青面层底部承受的应力和应变随之减少,应力的有效扩散降低了层间剪应力。
2)ECC 层最大拉应变、拉应力。 由图 9、图 10 可知,随着 ECC 下面层厚度的增大,ECC 层底最大拉应力和拉应变均逐渐减小,主要归因于 ECC 层有效的荷载分散效应和增强的层间协作能力。 ECC 层厚度增大提高了下面层荷载分散能力,使得从上层传递到ECC 层底的应力减少,拉应变相应减小。 大厚度的ECC 层与半刚性基层的力学协作性能得到改善,有助于整个路面系统更有效的共同工作,抵抗外部荷载的影响,因此 ECC 层底最大拉应力和拉应变有所降低。
3)基层层底最大拉应力。 由图 11 可知,基层厚度较小时基层最大拉应力随 ECC 层厚增大而减小,当基层厚度大于 27 cm 时,随着 ECC 层厚的增大,基层最大拉应力基本无明显变化。 这是因为当基层厚度较小时,ECC 层的增厚改善了整体结构的应力分布和荷载承载能力,从而减轻了直接作用在基层上的应力。
但当基层厚度超过 27 cm 后,即使 ECC 层的厚度继续增加,基层中的最大拉应力也显示出基本无明显变化的趋势,这表明基层达到一定厚度之后,基层承载力及刚性已经能够有效承载和分散来自上层的应力,基层本身的荷载分散能力达到了一种饱和或稳定状态,此时 ECC 层的进一步增厚对于改善基层的应力状态带来的边际效益逐渐减小。
3. 3 相关性分析
为了定量分析不同因素之间的关系,采用相关系数衡量基层厚度和 ECC 层厚度与各力学响应指标之间的相关性。 相关系数的取值范围为 - 1 ~ 1,其中,
1 表示完全正相关, - 1 表示完全负相关,0 表示无相关性。 计算各因素之间的相关系数,通过线性回归方法建立相应的回归方程,以进一步分析各因素对力学响应的定量影响。
1)基层厚度对沥青层底最大拉应变的影响。 通过实验数据分析,沥青层底最大拉应变与基层厚度
(Hb )的关系可以表示为:
其中,a 和 b 是回归系数,通过数据拟合获得。 试验数据拟合得到 a = 0. 002,b = 0. 1,计算结果见表 1。基层厚度与沥青层底最大拉应变呈显著负相关,相关系数为 - 0. 89,表明随着基层厚度的增加沥青层底最大拉应变显著减小。
2) ECC 层厚度对沥青层底最大拉应变的影响。根据式(1)沥青层底最大拉应变与 ECC 层厚度的关系可以表示为:
试验数据拟合得到 c = 0. 003,d = 0. 2,计算结果见表 2。
ECC 层厚度与沥青层底最大拉应变也呈显著负相关,相关系数为 - 0. 85,表明随着 ECC 层厚度的增加沥青层底最大拉应变显著减小。
3) 基层厚度对 ECC 层底最大拉应力的影响。ECC 层底最大拉应力与基层厚度(Hb )的关系可以表示为:
试验数据拟合得到 = 0. 5,f = 0. 05,计算结果见表 3。
基层厚度与 ECC 层底最大拉应力呈负相关,相关系数为 - 0. 80,表明随着基层厚度的增加,ECC 层底最大拉应力显著减小。