半剛性基層路面結構荷載應力分析

王燕芳 葉 青 山宏宇

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴州貴陽 550081)

0 引言

半剛性基層路面結構的路面模式是“強基、薄面、穩路基”，該路面結構是在較厚的半剛性基層上鋪筑較薄的瀝青面層。我國的高等級公路瀝青路面使用壽命普遍達不到設計年限，短則2年～3年，最多7年～8年就必須進行大修。普遍認為這與半剛性基層瀝青路面結構設計有很大的關系［1］。因此本文進行了半剛性基層路面結構的受力分析。

1 模型構建

1.1 模型構建假設

本文采用ANSYS軟件對不同條件下路面的荷載應力進行分析，文中對模型構建的假設如下:

1)假定構建模型的每層結構層為均勻、連續、各向同性的彈性體［2］;2)假定每層結構層間豎向連續并且水平向可自由滑移;3)假定路基的底面固定，側面與底面垂直并約束其法向位移;4)假定輪胎與路面接觸形狀為矩形，并且路面所受荷載為均布矩形荷載;5)不計任何結構層自重對模擬的影響。

1.2 模型構建參數

矩形均布荷載尺寸為18.6cm×19.2cm，軸長為182cm，軸重分別為25kN，30kN，35kN，40kN，45kN，50kN，單軸四輪雙輪間距為31.4cm，路面寬度為3.75 m。各層結構層的計算參數取值見表1。

表1 模型結構層計算參數

2 半剛性基層路面受力模擬

2.1 軸重對半剛性基層路面的影響

車輛荷載以單軸雙輪為基準，荷載由25kN變化至50kN，面層參數見表1;基層厚度20cm，模量1 400MPa;底基層厚度20cm，模量600MPa;路基厚度取值600cm，模量取值40MPa;路基泊松比為0.35，其他結構層泊松比取值0.25。經過模擬分析，各結構層層底應力和頂面的位移隨著車輛荷載的變化曲線見圖1～圖4。

圖1 軸載變化對各層層底應力的影響

圖2 面層層底應力變化圖

圖3 基層層底應力變化圖

圖4 基層內X方向應力變化圖

從圖1分析可知，路面結構層各層層底應力隨著軸載加重而呈現顯著增加的趨勢，并且應力增加與軸重增大兩者基本呈線性關系。從圖2，圖3分析可知，路面結構中，面層層底主要承受壓應力，基層層底主要承受拉應力，隨著軸載加重，基層層底應力由壓應力轉變為拉應力。分析圖4可知，基層厚度不變時，軸載改變但基層層底由壓應力變為拉應力的位置不會改變;軸載的增加，會導致基層承受的荷載越來越劇烈。因此，超載、重載會導致道路的加速破壞。

2.2 基層厚度對半剛性基層路面的影響

建模荷載采用標準軸載BZZ-100［3］，面層參數及泊松比見表1，基層模量取值 1 400MPa，厚度取15cm，20cm，25cm，30cm 四個可選值;底基層模量取值600MPa，厚度取20cm，25cm，30cm，35cm四個可選值。經過建模模擬，隨道路基層和底基層厚度變化各層層底應力及基層內應力的變化規律見圖5～圖8。

圖5 基層厚度對各層層底應力的影響

圖6 基層厚度對基層內應力的影響

由圖5可以看出，面層和底基層底的應力隨著路面基層厚度的增大而有明顯的減小，特別是上面層底，降幅接近35%;下面層和基層層底應力隨基層厚度的增加先增大后減小;同時，在底基層的厚度和基層的厚度組合不合理的情況下，底基層受到的層底拉應力會大于基層層底拉應力，這種現象會極大減小道路的使用壽命。由圖6可知，基層內應力隨其厚度的增加而逐漸增大，且厚度越大，應力變化的速率越快，壓應力轉變為拉應力的位置逐漸靠下。

圖7 底基層厚度對各層層底應力的影響

由圖7可以看出，各結構層的層底拉應力隨著底基層厚度的增大而出現減小的現象，其中基層的層底應力，降幅最為明顯，超過一半。由圖8可以看出，基層內部壓應力和拉應力隨著底基層厚度的增加而均逐漸減小，壓應力和拉應力的分界點即應力為0的點隨著底基層厚度增加而距離基層頂面高度越大，并且如果底基層厚度過大，會出現底基層的層底拉應力超過基層層底拉應力的現象。

圖9 路基模量對各層層底應力的影響

圖10 路基模量對基層內應力的影響

2.3 路基模量對半剛性基層路面的影響

建模荷載采用標準軸載BZZ-100，面層參數及泊松比見表1;路基厚度取值 600cm，模量取 30MPa，40MPa，50MPa，60MPa，70MPa五個可選值;底基層厚度取值20cm，模量取值600MPa;基層厚度取值20cm，模量取值1 400MPa。通過建模模擬，隨道路路基模量變化各層層底應力及基層內應力的變化規律見圖9，圖10。

由圖9可以看出，當路基模量不斷增加時，道路的各結構層的層底應力不斷減小。同時，由圖10也可以看出，隨著路基模量的不斷增加，基層內應力曲線變得平緩，所受到的實際內應力逐漸減小。因此，可以通過提高路基的強度和穩定性，來改善半剛性基層路面各結構層的受力狀況，延長道路的使用壽命。

3 結語

1)隨著軸載的增長，半剛性基層路面結構層層底應力增加顯著，表明半剛性路面對交通荷載較為敏感;2)基層和底基層結構層厚度增加，各層應力均減小，但需要對基層和底基層進行合理的厚度組合;3)路基模量增加，可以降低各結構層的層底應力，同時可以提高路基的穩定性，延長道路的使用壽命。

［1］呂彭民.車輛瀝青路面系統力學分析［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］沙慶林.重載交通長壽命半剛性路面設計與施工［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］鄧學鈞.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.