浅析耐久性沥青路面重载的结构力学分析

浅析耐久性沥青路面重载的 结构力学分析

陆明

江苏省邗江交通建设工程有限公司 江苏扬州 225000

摘 要:该文简要介绍公路扩建工程先导试验段中柔性基层和半刚性基层沥青路面及实体工程等4种路面结构用传统的弹性层状体系和有限元法分析的结果。轮胎接地压力采用0.7、0.84、1.0MPa,分别代表标准轴载、超载50%、超载100%的情况。

关键词:耐久性沥青；路面结构；力学分析

某公路通车7年多来, 交通量年增长30%以上, 而且超载、超限现象严重, 对道路结构造成了严重的损害。路面结构的力学分析是理论法路面设计的核心, 可以帮助理解各种路面损坏现象的本质, 为描述路面各项性能的变化提供理论基础。本文主要对该条公路扩建工程先导试验段中的柔性基层和半刚性基层沥青路面及实体工程等4种路面结构形式进行了标准轴载和超载情况下的弹性层状体系计算和有限元分析, 得到路面结构的应力状态。

1 路面结构形式

本文所研究的路面结构形式及材料参数有4种：

路面结构一：试验段半刚性基层路面结构，见表1；路面结构二：工程主体结构实际采用的半刚性基层路面结构, 见表2；路面结构三：试验段的柔性基层路面结构一, 见表3；路面结构四：试验段的柔性基层路面结构二，见表4。

2 弹性层状体系分析

2.1 计算模型

计算图式采用《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-1997)推荐的双圆均布荷载。荷接地压力分别采用0.7、0.84、1.0MPa，与之相对应的3种作用半径分别为106.5、125.0、154.7mm。它们分别代表标准轴载、超载50%、超载100%时的情形。

计算时采用网格法，计算不同深度时r/δ分别等于0.25、0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25、2.5、2.75、3.0、3.25、3.5、3.75、4.0、4.25、4.5、4.75处各点的σ_X及剪应力的大小。

2.2 路表最大拉应力

将上述4种路面结构在15℃和20℃时路表面σ_X汇总。从表5可以看出：

(1) 4 种路面结构中路表最大拉应力在20℃时都比15℃时的大，荷载压力p为0.7MPa时, 相差最大的是路面结构三，从0.044增大至0. 0952, 随着荷载压力的增大, 两种温度的路表最大拉应力相差越大。

(2) 随着荷载的增加, 路表最大拉应力基本上呈减小的趋势。路面结构一和路面结构二为半刚性基层路面, 路表最大拉应力比属柔性路面的路面结构三和路面结构四大得多, 其值相差多在1倍左右, 从这个角度看采用柔性基层对减少路表拉应力, 延缓或消除路面可能出现的自上而下的裂缝是有利的；对于同属半刚性基层路面的路面结构一和路面结构二来说, 沥青层厚度的增加并不能减少路表最大拉应力。

2.3 下面层底面拉应力

分别计算了15℃和20℃时各荷载作用下下面层底面拉应力最大值，见表 6。

由表6可知, 路面结构四的下面层底部所受的拉应力较大, 这是由于有级配碎石垫层造成的, 所以其抗疲劳性能较差。

2.4 最大剪应力随深度的变化

分别计算了4种路面结构15℃和20℃时不同深度、不同荷载下的最大剪应力, 现仅列出路面结构一的计算结果。

从计算结果可以看出: 最大剪应力随着深度的增加, 变化趋势是先增大后减小。从路表往下，最大剪应力迅速增大，在Z=10~80 mm处达到剪应力的峰值，峰值出现的位置随着温度的升高和荷载的增大而加深，深度再增加，最大剪应力会减小，但减少幅度开始较慢温度越高荷载越大，减小的速度越慢，在100~150mm后减小较快。最大剪应力随轴载的增大而增大，增加率也增大。因此，耐久性路面车辙出现的位置和表面裂缝的深度大多小于100mm。

3 有限元分析

3.1 计算模型

车辆轮胎对路面的作用, 并不是圆形均匀分布, 而是随着轮胎胎压、轮胎负荷、轮胎型号甚至轮胎花纹的不同而有很大的变化，荷载作用下轮胎接地形状更接近矩形。额定荷载时轮胎近似均匀分布，超载情况下轮胎接触压力分布形式近似为凹形分布。

B×L为轮载作用尺寸, p为轮胎边缘的接地压力.已有的研究表明：轮胎气压固定的情况下，轮胎接地压力随着荷载的增大而增大：而且，轮胎气压不变时，轮胎接触压力的凹形分布越明显，即c值越大。

参考已有的轮胎压力实测数据，做如下假设：

(1) 双圆均布作用下，接地压力p=0.84MPa，接地半径δ=125.0mm，轴载P=150kN时, 若轴载和接地面积保持不变, 对应的矩形非均布荷载有：c= 0.5MPa，d=0.75MPa。

(2) 双圆均布作用下，接地压力p =1.0MPa，接地半径δ= 154. 7mm, 轴载 P=200kN时, 若轴载和接地面积保持不变，对应的矩形非均布荷载有：c=0.75MPa, d= 0.875MPa。

(3) L/B 采用黄金分割, 即L/B = ( -1) /2。根据轴载相等, 则有:

式中: py为双圆均布荷载作用时接地压力；pf为非均布荷载作用时轮胎边缘的接地压力。

计算中，轮胎采用11.0R20型横向花纹轮胎，轴距取220mm。

(1) 双圆均布荷载作用时轴载150 kN，接地压力0.84MPa时对应的非均布荷载情况为荷载工况一：B=281.8mm，L=174mm，pf = 0.96MPa。

(2) 双圆均布荷载作用时轴载200 kN，接地压力1.0MPa时对应的非均布荷载情况为荷载工况二：B=348.8mm，L=215.6mm，pf=4/3MPa。

根据接地尺寸的特性, X、Y 轴方向各取2.5 m, Z方向路基取0.8m。各层计算参数同前。计算采用8节点等参单元, 边界条件假设为: 底面上没有Z方向位移，左右两面没有X方向位移，前后两面没有Y方向位移，层间完全连续。

3.2 路表最大拉应力

将上述4种路面结构在15℃时路表面σ_X汇总(表7)，并与上节圆形均布荷载计算结果进行比较。

从表7中可以看出：

(1) 随着荷载的增加，圆形均布荷载计算路表最大拉应力基本上呈减小的趋势，轴载从150 kN增大到200 kN时，路面结构三、四在路表甚至由拉应力转为了压应力。但是当把轮胎接触面积考虑为矩形时，路表最大拉应力则呈现出增加的趋势, 轴载从150 kN 增大到 200 kN 时( 由荷载工况一到荷载工况二)，路表最大拉应力增幅高达20%~ 40%，矩形荷载计算出来的路表最大拉应力要大于圆形荷载计算值，而轮胎与路面接触面积的实际情况不是圆形，而是接近矩形，

这就说明，重载或者超载情况下路表最大拉应力增大将容易导致路表自上而下裂缝的产生。

(2) 路面结构一和路面结构二为半刚性基层路面，路表最大拉应力比属柔性路面的路面结构三和路面结构四大得多，其值相差多在1倍左右，从这个角度看采用柔性基层对减少路表拉应力，延缓或消除路面可能出现的自上而下的裂缝是有利的；对于同属半刚性基层路面的路面结构一和路面结构二来说，沥青层厚度的增加减少了路表最大拉应力，这点与考虑轮胎接触面积为圆形时相反。

3.3 下面层底面拉应力

分别计算了15℃时各荷载作用下各路面结构下面层底面拉应力最大值，见表8。

由表8可知，路面结构四的下面层底所受的拉应力是最大的。

3.4 最大剪应力随深度的变化

分别计算了4种路面结构15℃和20℃时, 不同深度、不同荷载下的最大剪应力，得出路面结构一的计算结果。

从图7可以看出：最大剪应力随着深度的增加，变化趋势是先增大后减小。从路表往下，最大剪应力迅速增大，矩形非均布荷载情况下路面结构一在Z=20mm处剪应力达到最大值，峰值出现的位置随着温度的升高和荷载的增大而加深。深度再增加, 最大剪应力会减小, 矩形非均布荷载情况下荷载减少幅度较快。

4 结论

对4种路面结构方案分别采用弹性层状理论体系在双圆均布荷载作用下和有限元法分析在矩形非均布荷载作用下的路面力学响应，得出以下主要结论：

(1) 对于路表拉应力：4种路面结构的表面都承受一定的拉应力，其中半刚性基层沥青路面的路表所承受的拉应力要大于柔性基层沥青路面的路表，因此采用柔性基层对减少路表拉应力、延缓或消除路面可能出现的自上而下的裂缝是有利的。

(2) 对于结构层最大剪应力: 路表最大剪应力的位置在轮胎边缘附近, 与路表最大拉应力出现的位置接近，行车带轮迹边缘附近在路表拉应力和剪应力的共同作用下容易出现平行于行车带自上而下的裂缝。从路表往下，最大剪应力迅速增大，在Z=10~ 80mm处达到剪应力的峰值，在 100~150mm后减小较快。最大剪应力随着荷载的增大而显著增大，且荷载为矩形非均布时增加的幅度要大于荷载为圆形均布的情况。

(3)路面结构四的下面层底部的拉应力是4种结构中最大的，这是由于该结构使用了级配碎石基层，这对抗疲劳性能是不利的，但其抗车辙性能却是良好的。