移動荷載作用下瀝青路面車轍響應分析

牛　芊

(河北省高速公路石黃管理處　石家莊　050000)

移動荷載作用下瀝青路面車轍響應分析

牛芊

(河北省高速公路石黃管理處石家莊050000)

摘要車輛在路面行駛過程中，會對路面結構產生水平向推力，從而加劇路面結構層剪切破壞，而路面結構層剪應力過大是引起路面車轍的主要因素。文中建立在移動荷載下路面結構有限元模型，應用正交因素分析法研究車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對路面車轍的影響。結果表明，HMA厚度和軸載大小是影響車轍深度的主要因素，其大小與車轍深度的關系可以用二次拋物線描述。

關鍵詞移動荷載瀝青路面車轍深度有限元

我國規范[1]中路面結構計算是假設路面結構承受靜止車輛荷載，然而路面結構實際上大多數時間承受的卻是以一定速度行駛的移動車輛荷載。哈爾濱工業大學的董澤蛟[2]等人通過建立路面結構在非均勻分布的移動荷載作用下有限元模型，分析了路面結構力學響應的空間分布以及時程變化情況。中南大學的梁洪濤[3]研究了移動荷載作用下瀝青路面結構時程響應，借助有限元動力方程求解方法，根據彈性層狀體系假設，建立了移動荷載作用下瀝青路面三維有限元模型。河海大學土木與交通學院的陳俊、東南大學交通學院的黃曉明等[4]借助離散元理論對路面結構進行了移動荷載作用下多尺度的分析，建立了瀝青路面結構典型離散元結構模型，驗證了以離散元為基礎，移動荷載作用下瀝青路面結構內部應力、應變分布比靜力荷載作用下更接近實際。由此可見，在路面結構仿真分析時，采用移動荷載比靜力荷載更能反映路面實際受力情況。

本文借助ANSYS建立路面結構響應模型，分析在移動荷載作用下路面結構參數以及軸載對車轍的影響。

1移動荷載作用下車轍計算模型

借鑒美國AASHTO提出的 M-E PDG車轍計算模型[5]，HMA的彈性應變計算公式

(1)

車轍的計算公式：

(2)

式中：RD為熱拌瀝青路面面層車轍深度；hac為HMA厚度。

本文建立路面結構有限元模型時，對瀝青路面結構模型做出如下假設：①路面結構為彈性層狀體系；②路面結構層間接觸連續；③路面材料各向同性。采用Solid45單元類型，路面結構模型尺寸見圖1。

圖1　移動荷載下的路面結構模型

2多因素正交試驗分析

路面結構屬于多種材料復合而成的結構體，產生的車轍嚴重程度既受到材料屬性[6]等內部因素影響，又要考慮行車荷載等外部因素作用。本文選取HMA厚度、HMA模量、車速、軸載這4種典型因素作為分析因子進行正交分析，選取正交試驗分析見表1。

表1　路面結構多因素正交試驗分析

對表1中計算數據進行顯著性分析，采用F檢驗方法，取檢驗水平為0.1時，查方差表得到F0.9(3,3)= 5.39，取檢驗水平為0.05時，查方差表得到F0.95(3,3)=9.28。計算各個因素均方差，得到檢驗方差分析表,見表2。

表2　多因素方差分析表

由表2可見，HMA厚度對路面車轍的影響最為顯著，其次是軸載大小，HMA模量和行車速度對車轍影響相對較小。

3影響車轍深度的主要因素分析

根據前文方差分析結果看出，HMA厚度和軸載大小是瀝青路面產生車轍的主要影響因素，二者進行建模分析，得到回歸曲線，見圖2、圖3。

圖2　HMA厚度對車轍深度的回歸曲線

圖3　軸載大小對車轍深度的回歸曲線

由圖2可見，隨著HMA層總厚度的增加，路面車轍深度逐漸減小，路面結構HMA總厚度在9~12 cm時，減小速率最快，之后緩慢減小，得到的回歸曲線方程為二次拋物線型；圖3中軸載大小對車轍影響與之相反，隨著軸載的增加，車轍深度逐漸變大，當軸載水平大于120 kN時，車轍深度增長速率明顯變快，其變化曲線也可以用二次拋物線擬合。

4結論

(1) 車速、軸載、HMA厚度、HMA模量對車轍深度的影響程度依次是：HMA厚度>軸載大小>車速>HMA模量。

(2) HMA總厚度在9~12 cm范圍內對車轍影響程度最大，采用過薄的瀝青混凝土面層不宜控制車轍深度。

(3) 軸載大于120 kN時，車轍深度增長速率明顯加快，說明大貨車占的比例對車轍有著至關重要的影響。

參考文獻

[1]JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]董澤蛟,譚憶秋,歐進萍.三向非均布移動荷載作用下瀝青路面動力響應分析[J].土木工程學報,2013(6):122-130.

[3]梁洪濤.移動荷載作用下層狀瀝青路面結構時程響應分析[D].中南大學,2013.

[4]陳俊，黃曉明，汪林兵，等.移動荷載作用下柔性路面多尺度結構的響應[J].東南大學學報：英文版，2013(4)：425-430.

[5]Applied Research Associate，Inc. Guide for mechanistic-empirical design[R].NCHRP 1-137A Final Report，2004.

[6]張宇.抗車轍瀝青路面的設計及應用研究[J].交通科技,2014(1):72-75.

收稿日期：2015-08-15

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.026