重載交通瀝青路面設(shè)計指標(biāo)研究

張 亮

（邯鄲市光太公路工程有限公司，河北 邯鄲 056000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，高速路上的交通量也在迅速增加，尤其運輸建筑材料、煤炭的大型超載車輛不斷增多，大部分運輸砂石料車輛的載重量一般在80～120t。通過路政部門了解，在這些重載交通嚴(yán)重地區(qū)中所查處的超載車輛中運砂車輛最大總重達(dá)168t，單軸重量超過50t。這些車輛的載重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計荷載，導(dǎo)致路面長期處于超負(fù)荷工作狀態(tài)，加速了病害的發(fā)生發(fā)展。如果直接采用規(guī)范方法進行路面設(shè)計，則很難滿足重載交通地區(qū)的某些特殊設(shè)計要求。為此，本文在對瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)重載交通荷載特點，采用ANSYS有限元軟件進行路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析，旨在確定出重載交通地區(qū)瀝青路面設(shè)計指標(biāo)，為重載交通地區(qū)瀝青路面設(shè)計提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)確定

路面結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)是指路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部各種性狀達(dá)到極限時的一種狀態(tài)，當(dāng)外界荷載或者環(huán)境再惡化一點，結(jié)構(gòu)就會發(fā)生破壞，即為結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)，這種狀態(tài)只是瞬間的，不能持續(xù)太長時間。不同地區(qū)的瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞臨界狀態(tài)差異很大，下面分析給出幾種瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中應(yīng)該考慮的臨界破壞情況。

1.1 瀝青面層的疲勞開裂

疲勞開裂是指在荷載重復(fù)作用下瀝青混凝土面層底面彎拉應(yīng)變引起的開裂。材料內(nèi)部存在局部缺陷，在荷載作用下在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)微裂隙[1]，應(yīng)力的反復(fù)作用促使微裂隙逐步擴展，從而不斷減少有效的承受應(yīng)力的面積，最終在反復(fù)作用一定次數(shù)后導(dǎo)致疲勞破壞。

1.2 半剛性基層的開裂

基層開裂的原因是路面結(jié)構(gòu)在環(huán)境和荷載的共同作用下半剛性基層層底的拉應(yīng)力超過其容許拉應(yīng)力。半剛性基層在壓實后，由于水的蒸發(fā)和水泥、石灰等材料的水化反應(yīng)而造成水份不斷減少，產(chǎn)生毛細(xì)管作用、碳化收縮作用、吸附作用、分子間力作用、材料礦物晶體、凝膠體層間水的作用等，使水泥穩(wěn)定基層壓發(fā)生體積收縮，產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于半剛性基層層底拉應(yīng)力時即產(chǎn)生收縮裂縫，這種裂縫向上發(fā)展很快，等路面出現(xiàn)貫通結(jié)構(gòu)的裂縫時，如果不能及時修補，整個路面結(jié)構(gòu)很快就會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，只能進行大修或重修。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，半剛性基層的開裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞的一種主要臨界狀態(tài)。

1.3 車轍

車轍會在兩種情況下產(chǎn)生：第一種是由于瀝青面層材料高溫穩(wěn)定性不足產(chǎn)生的，只發(fā)生在瀝青面層；第二種產(chǎn)生于土基，是由于路基處理不當(dāng)造成的結(jié)構(gòu)性變形。不同類型的車轍應(yīng)采取不同的維修措施，但僅從車轍外觀還不能區(qū)分這兩種車轍。

2 瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 力學(xué)模型的建立

建立路面結(jié)構(gòu)的空間三維模型（見圖1），研究對象由面層、基層、底基層和土基組成。圖1為模型在軸載作用下狀態(tài)圖示。計算時，設(shè)行車方向為X方向，道路橫斷方向為Y方向，路面深度方向為Z方向。

圖1 路面結(jié)構(gòu)空間三維模型圖

2.2 材料參數(shù)選擇和荷載的選定

具體的材料參數(shù)取值見表1。

表1 材料設(shè)計參數(shù)

計算選用軸重80kN、100kN、120kN、140kN、160kN五組荷載參數(shù)。

2.3 單元類型選擇和網(wǎng)格劃分

本文采用的單元類型為三維六面體單元（Solid45）。Solid45單元可用于建立各向同性固體力學(xué)問題的模型；具有8個節(jié)點，每個節(jié)點有沿X、Y、Z方向的3個平移自由度；可用于分析大變形、大應(yīng)變、塑性和屈服；結(jié)果包括節(jié)點位移，X、Y、Z方向的正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及主應(yīng)力（應(yīng)力方向與坐標(biāo)系平行）。

有限元顧名思義即把空間結(jié)構(gòu)體劃分成有限多個適宜大小的小單元，在劃分有限元網(wǎng)格時，不同的劃分方式對計算結(jié)果有很大的影響。從有限元的基本理論可知，一般單元網(wǎng)格的劃分越細(xì)，計算的精度越高。但是網(wǎng)格劃分太細(xì)，會使計算速度大大減慢，合理的網(wǎng)格劃分應(yīng)該是疏密得當(dāng)。

參照已有的研究成果，對路面各結(jié)構(gòu)層進行劃分時采用10×10cm單元，對土基進行劃分時采用20×20cm單元，荷載作用區(qū)域附近的單元劃分應(yīng)該細(xì)化，并將各層連接到一起，以滿足各層連續(xù)接觸的條件。劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變、位移的求解

通過有限元軟件進行仿真模擬，對常用瀝青路面結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力應(yīng)變分析，分別計算模型的豎向應(yīng)力、豎向應(yīng)變、彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。

3.1 豎向應(yīng)力

不同荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)最大豎向壓應(yīng)力如圖3所示。

圖3 不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的最大豎向壓應(yīng)力變化曲線圖

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：

a）標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，由于瀝青面層屬于柔性路面，車輛荷載產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力并未得到完全的擴散，并且應(yīng)力集中在車輪荷載附近，深度為0.1m內(nèi)，最大壓應(yīng)力為0.6MPa；豎向壓應(yīng)力在半剛性基層中擴散很快，壓應(yīng)力隨著結(jié)構(gòu)深度的增加而逐漸減小，當(dāng)路面深度大于0.5m時，豎向壓應(yīng)力可以忽略不計[2]；在橫斷面的中心點和荷載加載位置以外，產(chǎn)生了微量的拉應(yīng)力；

b）隨著軸載的增加，路面結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力隨著荷載的增加而變大，其規(guī)律基本呈線性變化，軸載從80kN增大到160kN，最大豎向壓應(yīng)力值從0.58MPa增加到0.78MPa。

3.2 豎向應(yīng)變

不同荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)基頂壓應(yīng)變值如圖4示。

圖4 不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的基頂壓應(yīng)變變化曲線圖

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：

a）標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，應(yīng)變最大值主要出現(xiàn)在深度小于0.3m以內(nèi)的瀝青層內(nèi)，而且主要集中在車輪荷載附近，最大應(yīng)變位置在瀝青層第二層，最大應(yīng)變?yōu)?06ε，隨著路面深度的增加，應(yīng)變急劇下降，當(dāng)深度大于0.5m時，應(yīng)變趨于穩(wěn)定，應(yīng)變值為61ε，當(dāng)路面橫斷面方向小于0.05m和大于0.3m的時候，應(yīng)變值很小，路基頂面壓應(yīng)變值為61ε；

b）荷載小于120kN時，基頂壓應(yīng)變變化基本呈線性變化，當(dāng)軸載大于120kN后，基頂壓應(yīng)變急劇增大，說明車輛荷載超重對瀝青路面基頂壓應(yīng)變影響巨大，車輛荷載從80kN增大到160kN，基頂壓應(yīng)變從54με增大到132με。

3.3 彎拉應(yīng)力

不同荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)基頂壓應(yīng)變值如圖5示。

圖5 不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的瀝青層底彎拉應(yīng)力變化曲線圖

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：

a）標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在瀝青層第一層層底車輪荷載附近，最大值為0.6MPa，隨著結(jié)構(gòu)深度的增加，拉應(yīng)力向車輪荷載兩側(cè)擴散，拉應(yīng)力逐漸降低，當(dāng)結(jié)構(gòu)深度大于0.2m時，拉應(yīng)力在橫斷面方向已趨于平滑，當(dāng)結(jié)構(gòu)深度大于0.5m時，拉應(yīng)力變成正值。

b）荷載對瀝青層底彎拉應(yīng)力影響明顯，隨著軸載的增加瀝青層底彎拉應(yīng)力呈直線變化，軸載從80kN增加到160kN，瀝青層底彎拉應(yīng)力從0.54MPa增大到0.73MPa。

3.4 剪應(yīng)力

不同荷載作用下的瀝青層剪應(yīng)力最大值如圖6所示。

圖6 不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大剪應(yīng)力變變化曲線圖

通過計算可以發(fā)現(xiàn)：在準(zhǔn)荷載作用下，剪應(yīng)力隨著路面結(jié)構(gòu)深度的增加而逐漸降低，車輛荷載主要作用區(qū)域剪應(yīng)力較其他地方要大很多[3]，而輪隙之間的剪應(yīng)力較小。瀝青面層荷載作用區(qū)域最大剪應(yīng)力為0.25MPa，隨著路面結(jié)構(gòu)深度的增加，基層的剪應(yīng)力較小，只有上面層剪應(yīng)力的三分之一，路基之中的剪應(yīng)力變化緩慢，沿路面橫斷面方向變化均勻。

4 結(jié)論

本文分析得出的主要結(jié)論如下：

a）路面的主要破壞模式為：瀝青層的層底疲勞開裂、半剛性基層和底基層的層底疲勞開裂和路面結(jié)構(gòu)性車轍；

b）豎向壓應(yīng)力最大值集中在深度小于0.1m的瀝青層的車輪荷載作用處，隨著深度的增加而逐漸衰減；豎向壓應(yīng)變主要集中在荷載作用處，輪隙中間的壓應(yīng)變較小，壓應(yīng)變的最大值處于瀝青層的第二層；彎拉應(yīng)力主要集中于瀝青層的車輪荷載作用處，瀝青層的輪隙之間位置和基層的彎拉應(yīng)力很小；瀝青面層的剪應(yīng)力最大，隨著深度的增加，剪應(yīng)力逐漸減小，路基中剪應(yīng)力變化均勻。

[1]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析及防治對策[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]姚祖康.瀝青路面設(shè)計指標(biāo)體系的探討[A].中國公路學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集[C].北京：人民交通出版社，2005.3-14.

[3]王德蜜.長壽命瀝青路面設(shè)計方法研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.