重載條件下瀝青路面結構敏感性分析

王　震

（河南高速公路發展有限責任公司商丘分公司，河南　商丘　476000）

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重載條件下瀝青路面結構敏感性分析

王震

（河南高速公路發展有限責任公司商丘分公司，河南商丘476000）

摘要：借助于有限元法來構建重載作用下瀝青路面的動態響應模型，并對軸重、軸載速度、路面結構等參數進行分析，探討瀝青路面的敏感性。結果顯示，在動態重載作用下，隨著軸重的增加，瀝青路面結構敏感性線性增強；而對于路面結構隨軸載速度的增加呈現先增加后降低的趨勢；而對于路表彎沉、底層拉應力、頂面壓應力變化特別顯著。

關鍵詞：瀝青路面；重載條件；路面結構

在本研究中，結合車輛重載輪胎接地壓力、接地面積的變化，構建基于Ansys三維有限元模型，以實現對重載條件下瀝青路面結構動態響應的計算，來分析各結構參數的敏感性特征。

1　瞬態動力學分析基礎概念

對于車輛在路面行駛狀態的分析，符合典型的快速移動荷載計算條件，在本研究中采用瞬態動力學分析方法，來進行重載條件下瀝青路面結構動態敏感性分析。其基本的運動方程表示為：Mü(t)+Cu(t)+Ku(t)=Q(t)，其中對于式中的ü(t)、u(t)表示系統的節點加速度及速度向量，M、C、K、Q表示質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣及節點荷載向量。在本系統中，對于阻尼模型采用Rayleigh方式，在求解方法上直接采用積分法，當時間步長Δt與車輛荷載向量及運動體系各周期的長短有關時，為了實現計算統一性和保持精度性，時間步長采用基本周期的1/50。

2　基于有限元的瀝青路面結構三維模型

2.1荷載參數

從結構動力學來看，對于瀝青路面結構在荷載條件下的狀態主要有2個屬性，靜態屬性和動態屬性。靜態屬性主要表示為荷載的大小，而動態屬性主要表現在荷載與瀝青路面接觸時的作用時間與動態值變化。由于車輛在載重條件下行駛，在對輪胎與路面接觸分析中，采用高強高壓輪胎，以軸載的增加、接地面積、接地壓力等參數為變化，其靜態荷載計算公式表示為：A=0.008P+152，p=P/A=P/πδ2。式中，A表示輪胎接地面積，δ表示接地面積當量圓半徑，P表示輪胎荷載大學，p表示接地壓力。結合研究資料和文獻來看，對于車載模式下輪胎與路面之間并非均勻的圓形結構，而是接近于矩形的荷載狀態，隨著荷載的增加，其矩形特點更加顯著。為此，本研究在對單軸雙輪胎接地模式分析中，采用矩形方式，寬度選取22cm。另外，在動態測試中，對于輪胎與路面之間的半波正弦荷載作用力，通常可以將之簡化為若干個半波正弦荷載的線性組合。由此，在計算輪胎對路面的動力學分析中，多采用正弦分布荷載模式來進行模擬，其公式表示為：P（t）=Pmaxsin（πt/ T）。式中，Pmax表示單個輪胎的荷載峰值，T表示荷載作用周期。對于荷載周期T的計算，可以利用T=12δ/v。式中，δ表示接地面積當量圓半徑，v表示車速大小［1］。

2.2瀝青路面結構層及材料分析

在對本研究進行試驗分析時，以半剛性瀝青砂礫墊層路面為參考，結合荷載狀態下沖擊載荷持續時間較短，對于各路面結構層可以簡化為連續性基層，各層材料以瀝青混合料為試驗基礎，通過對動態模量、靜態模量的分析，來探討路面結構在荷載作用下的動力學參數變化。在本研究中為簡化計算，對瀝青路面結構層及材料限定為4種類型。最底層路基泊松比0.40，密度值為1 800kg/m3；級配碎石層泊松比0.35，密度值為1 900kg/m3；二灰碎石基層泊松比0.25，密度值為2 100kg/m3；瀝青混凝土面層泊松比0.35，密度2 200kg/m3。

2.3有限元模型分析

結合Ansys軟件，對瀝青路面進行有限元分析。選取8個結點，在對各邊界效應進行簡化中，為了保證動力響應的收斂性分析，確定以10m×10m的尺寸為最優平面，對路基選取10cm厚度，來進行荷載和結構模型的對比分析。

3　計算及結果分析

3.1車輛軸重對瀝青路面結構動力響應的敏感性分析

通過對車輛軸重相關資料的調查和檢索，考慮到軸重自身對路面結構性能的影響，在軸重選擇上確定100～260kN，40kN表示為一荷載級位，可通過荷載級位來反映軸重是否超載。通過有限元分析軟件測試來看，軸重的變化能夠對路面結構帶來較大影響。當軸重變大時，路表彎沉、路基底層最大拉應力、表層剪應力及壓變應力都呈現線性顯著增加；由于瀝青路面結構自身的層間關系，在對路表進行彎沉測試中，隨著各結構層的變化而反映出不同路面的整體承載力變化。當軸重勻速行駛時，以80km/h為例，軸重荷載從100kN增加到180kN，其超載率達到80%，此時獲得的路面最大彎沉增加了87%；而當車速繼續增加，軸重荷載有100kN提升到220kN，超限達到120%，此時路面獲得的最大彎沉增加了170%。可見，對于荷載條件下，當車速提升時，軸重荷載對路面結構的動態破壞會顯著增加，導致瀝青路面結構的變化，嚴重時對路面壽命帶來更大影響。

通過對軸重荷載在260kN條件下的檢測分析，路面基層拉應力為0.15MPa，與當前公路瀝青路面設計規范中的劈裂強度變化范圍0.25～0.35MPa相符合，說明在260kN荷載下，其最大拉應力仍在允許范圍內。同時，在重載作用下，對于瀝青層最大剪應力的變化為0.26MPa，與瀝青路面設計規范中的重交瀝青混合料抗剪強度0.27～0.5MPa相比仍在范圍內，而對于改性瀝青混合料的抗剪強度則更高，所以一次性剪切破壞對半剛性瀝青路面的剪應力影響較小。另外，隨著軸載荷載的增加，對于路面壓應力的變化迅速增加，以80km/h時速為例，當軸載從100kN增加至260kN時，路面壓應力變化由127.3×10-6增加至334.4×10-6，其對路面頂部豎向壓應力的破壞更加嚴重，從而將誘發瀝青路面損傷。

3.2車速對瀝青路面結構的敏感性分析

車速變化對瀝青路面結構的影響是直接的，本研究將車速控制在0～120km/h，并以20km/h為速度等級，來反映不同車速變化在路面結構動力響應中的敏感性。從測試結果看，對于車速的變化，與路面結構動態響應程度存在一定影響；但其影響程度與軸重變化相比并非顯著。當車速增加時，對路面基層、路面表層及路基頂層壓應力也會隨之增加；當車速為60km/h時，以軸重220kN為例，當車速從0增加至60km/h時，路面彎沉變化增加約12%，而基層最大拉應力增加8%，表面剪應力增加10%，頂層壓應力增加5%；當車速增加至120km/h時，各動力響應峰值變化卻小于靜載時響應值。同時，由于重載條件下，重車對路面結構的響應峰值更大，對路面結構的破壞影響也最嚴重。

3.3路面結構各材料參數對路面荷載敏感性分析

本研究對于不同瀝青路面結構層的分析，以正交試驗來進行考查，設定各因素的獨立性，從而獲得動力響應峰值變化。選用軸重為220kN，車速為60km/h，采用方差分析法來進行正交試驗，得出路面結構各面層厚度對路表剪應力、豎向壓應力具有顯著影響；對基底拉應力、路面壓應力具有顯著影響；路基模量對路面彎沉、路基壓應力、基底拉應力影響特別顯著；面層模量、基層模量僅對豎向壓應力影響顯著，而對于其他動力響應指標影響不顯著。另外，對于位級的考查分析，主要從面層厚度、路基模量來考查瀝青路面動力響應變化。當面層厚度增加，路面剪應力、豎向壓應力下降顯著。可見，增加面層厚度，有助于緩解重載模式下對瀝青路面的變形、剪切、轍槽的破壞。

參考文獻：

［1］魏連雨，李新明，馬士賓，等.面層模量對瀝青路面結構受力特性影響分析［J］.路基工程，2014（3）：41-45.

中圖分類號：U416.217

文獻標識碼：A

文章編號：1003-5168（2016）02-0098-02

收稿日期：2016-01-25

作者簡介：王震（1983-），男，本科，研究方向：交通系列道路與橋梁。

Sensitivity Analysis of Asphalt Pavement Structure under Heavy Load Condition

Wang Zhen
（Henan Expressway Development Co.Ltd.to Shangqiu Branch，Shangqiu Henan 476000）

Abstract:By means of the finite element method to build the overloading asphalt roadbed model,dynamic response under the action of axle load and axial load parameters such as speed,pavement structure were analyzed,and discussed the sensitivity of the asphalt.The results showed that under the action of dynamic overload,with the increase of axle load,the asphalt pavement structure sensitivity showed linear enhance?ment;For pavement structure with the increase of axial load speed increase before lowering trend;Table for road deflection,tensile stress in the bottom and top surface compressive stress changed particularly sig?nificant.

Keywords:asphalt pavement；heavy load condition；pavement structure