土基抗壓回彈模量對半剛性基層瀝青路面結構承載力的影響分析

位賽廈

（河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000）

土基抗壓回彈模量對半剛性基層瀝青路面結構承載力的影響分析

位賽廈

（河北省高速公路京秦管理處，河北秦皇島 066000）

土基抗壓回彈模量可用于表征土基的抗壓強度，直接決定路基的承載力，對半剛性基層瀝青路面結構承載力也有一定影響。文中采用有限元軟件ABAQUS建立半剛性基層瀝青路面結構承載力仿真計算模型，分析在豎向車輛重載作用下不同土基抗壓回彈模量對路面結構承載力的影響規律，結果表明，增大土基抗壓回彈模量能在一定程度上減小半剛性基層瀝青路面各結構層的層底拉應力，從而提高其結構承載力。

公路；半剛性基層；結構承載力；抗壓回彈模量；層底拉應力；豎向車輛重載

半剛性基層瀝青路面因其抗拉強度大、抗疲勞性能好、水穩定性好而被廣泛采用，是典型瀝青路面結構。在國內，貨車超載現象較為普遍，個別貨車超載率甚至達到300%，作用在路面結構上的豎向車輛荷載值遠遠超過設計規范所規定的標準車輛荷載，在過大車輛荷載作用下，半剛性基層瀝青路面各結構層層底拉應力超出各結構層材料的抗拉強度，不是像設計規范中所期望的那樣發生疲勞破壞，而是發生路面結構承載力不足而引起的強度破壞。瀝青路面結構的強度破壞背離了設計規范的要求，造成路面出現裂縫、車轍等病害，給路面使用和養護帶來不利影響。因此，有必要對半剛性基層瀝青路面結構承載力的合理確定進行研究，以防瀝青路面結構出現早期破壞。

對于半剛性基層瀝青路面結構，在嚴重超載車輛的豎向荷載作用下，其承載力主要由路基底基層所用材料的力學性能決定。一般底基層所用材料的抗拉強度越高，半剛性基層瀝青路面在超載車輛作用下的承載力越高。同時，土基抗壓回彈模量的大小對路面結構承載力也有一定影響。土基抗壓回彈模量可用于表征土基的承載能力和剛度，從而直接影響半剛性基層瀝青路面結構的承載力。因此，在確定半剛性基層瀝青路面結構承載力時應予以考慮。該文以湖北省某高速公路半剛性基層瀝青路面為依托，采用有限元分析方法，分析在豎向車輛重載作用下底基層層底拉應力和半剛性基層瀝青路面結構承載力隨土基抗壓回彈模量的變化規律。

1　路面結構

該高速公路于2009年12月全線通車，采用半剛性基層瀝青路面，路面結構組成和材料物理力學參數見表1。

表1　路面結構組成和材料物理力學參數

2　車輛荷載的簡化

根據JTGD50-2006《公路瀝青路面設計規范》，在瀝青路面設計時，以標準軸載為100kN進行計算，等效成2個當量圓均布荷載（見圖1），計算參數見表2。

圖1　等效當量圓的輪壓計算模型示意圖

表2　當量圓輪壓計算模型計算參數

根據JTGD50-2006《公路瀝青路面設計規范》，對于以大型載重車為主的公路，應根據現實情況選取合適、優化后的輪壓計算模型。當量圓計算模型僅適用輕型荷載，不適用瀝青路面重型車輛荷載作用下的結構承載力計算。

通過對該高速公路交通量的調查和分析，選用圓形加矩形的輪壓計算模型進行瀝青路面重型車輛荷載作用下的結構承載力計算，計算模型見圖2，其中L為相對單位長度。對于給定的軸載、軸數與輪組，先求得輪胎荷載p，進而根據文獻［6］中的方法求得輪胎接地面積A和相對單位長度L。

圖2　等效圓形加矩形的輪壓計算模型示意圖

3　數值模擬分析

3.1數值模型的建立

圖3　半剛性基層瀝青路面結構有限元計算模型

采用有限元分析軟件ABAQUS建立長8m、寬6m、高6m的半剛性基層瀝青路面結構三維實體仿真模型（見圖3）。選用3D實體單元（C3D8R），采用非均勻網格劃分，距離車輛荷載作用較近的部位網格劃分較密，較遠的部位網格劃分較疏。建模時，在土基下端面施加固結約束，側面采用合適剛度的彈性支撐來模擬四周路面結構層的約束作用，路面結構上部為自由面。假設路面結構各結構層材料都是連續、均質、各向同性的理想線彈性材料，不考慮各結構層之間的摩擦力。

3.2數值模擬結果分析

3.2.1層底拉應力

半剛性基層瀝青路面在超載車輛過大豎向荷載作用下將產生較大彎沉變形，使得具有較好板體性的基層出現較大彎拉應力，當其值超過基層所用材料的抗拉強度時，基層將首先產生裂縫。在超載車輛荷載的反復作用下，已開裂的基層剛度降低，裂縫迅速發展并擴展至面層，最終導致路面結構破壞。

有限元分析結果顯示，在半剛性基層瀝青路面結構中主要存在拉應力、壓應力和剪應力，其中面層中的剪應力值小于材料的抗剪強度。由于基層具有較好的板體性，在豎向車輛荷載作用下，瀝青路面結構層中的壓應力值分布均勻且較小，遠小于所用材料的抗壓強度值。在豎向車輛荷載作用下，相對于底基層，路面結構中基層的層底拉應力較小，路面結構的破壞往往始于底基層的開裂。因此，半剛性基層瀝青路面的承載能力取決于其底基層所用材料的抗拉強度。半剛性基層瀝青路面底基層層底拉應力有限元計算結果見圖4。

圖4　層底拉應力計算結果

從圖4可以看出：1）當土基抗壓回彈模量從20 MPa增大至90MPa時，以單軸單輪作用為例，瀝青路面底基層層底拉應力從0.068MPa減少至0.053 MPa。表明可以通過增大土基抗壓回彈模量達到減小瀝青路面彎沉變形，并在一定程度上改善底基層受力狀況的效果。2）在豎向總軸載為100kN作用下，土基抗壓回彈模量為定值（以20MPa為例）時，單軸單輪作用下瀝青路面的層底壓應力比單軸多輪、多軸單輪作用下瀝青路面的層底壓應力大。表明當車輛總荷載一定時，車輛的軸數和輪組越多，每個輪胎的平均氣壓越小，路面各結構層受力越均勻，底基層層底拉應力越小。

3.2.2路面結構承載力

對于半剛性基層瀝青路面而言，在豎向車輛荷載作用下，底基層的彎拉應力達到底基層所用材料的抗拉強度時的豎向車輛荷載即為瀝青路面結構承載力，其計算公式為：

式中：σm為底基層所用材料抗拉強度。

根據式（1）可計算出土基抗壓回彈模量從20 MPa增大至90MPa，豎向總軸載100kN時不同軸數和輪組作用下路面結構的承載力（見表3）。根據表3可得到路面結構承載力隨土基抗壓回彈模量的變化曲線（見圖5）。

從圖5可以看出：1）當土基抗壓回彈模量從20MPa增大至90MPa時，以單軸單輪作用為例，瀝青路面的結構承載力從289kN增大至399kN。半剛性基層瀝青路面的結構承載力隨著土基抗壓回彈模量的增大而增大，表明可通過選擇性能良好的回填土類型、增大回填土的密實度等措施提高半剛性基層瀝青路面的結構承載力。2）在相等的豎向車輛荷載作用下，車輛的軸數和輪組越多，輪壓越小，路面各結構層受力越均勻，瀝青路面結構所能承受的車輛荷載越大。

表3　豎向總軸載100kN時不同軸數和輪組作用下路面結構的承載力

圖5　路面結構承載力隨土基抗壓回彈模量的變化曲線

4　結論

（1）隨著土基回彈模量的增大，半剛性基層瀝青路面的底基層層底拉應力不斷減小。可通過增大土基抗壓回彈模量達到減小瀝青路面彎沉變形，并在一定程度上改善底基層受力狀況的效果。

（2）當車輛總軸載一定時，車輛的軸數和輪組越多，每個輪胎的平均氣壓越小，半剛性基層瀝青路面各結構層受力越均勻，底基層的層底拉應力越小。

（3）半剛性基層瀝青路面的結構承載力隨著土基抗壓回彈模量的增大而增大。可通過選擇性能良好的回填土類型、增大回填土的密實度等措施提高半剛性基層瀝青路面的結構承載力。

（4）在相等的豎向車輛荷載作用下，車輛的軸數和輪組越多，輪壓越小，半剛性基層瀝青路面各結構層受力越均勻，所能承受的車輛荷載越大。

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U416.217

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1671-2668（2016）04-0067-03

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