瀝青路面大中修結構極限荷載分析研究

鐘珊群

（深圳國際控股有限公司，廣東 深圳　518040）

瀝青路面大中修結構極限荷載分析研究

鐘珊群

（深圳國際控股有限公司，廣東 深圳518040）

我國大批道路進入大中修時期，高速公路大中修設計已成為道路養護部門面臨的重要問題。由于高速公路行車速度較高，大中修設計時應考慮移動荷載作用的影響。基于路面結構安定理論，應用有限元模擬高速公路路面大中修結構在循環荷載作用下達到塑性破壞時的極限荷載，并計算不同行車速度下不同參數對路面大中修結構極限荷載的影響程度。從整體上看，路面結構厚度對大中修結構極限荷載的影響大于模量的影響，舊銑刨料作為大中修結構層對極限荷載的影響要大于其他結構層。

瀝青路面；大中修；安定理論；塑性破壞；極限荷載

0　引言

路面結構承載力分析是道路研究工作中一個基本問題，許多道路研究者針對此問題給出了不同的分析方法，但多是基于臨界應變累積的半力學法和彈性理論方法，并將道路荷載化為靜力荷載來計算。在實際交通環境下，路面結構承受的是變值荷載作用，故將變值荷載簡化為靜力荷載不符合實際情況，并且會出現較大的偏差。顯然，使用常規的極限荷載分析方法不能準確模擬荷載變化的循環特性。鑒于路面及路基材料的復雜特性和結構所承受荷載的交變循環特性，需要一種更加準確的路面結構承載能力分析方法。

Melan于1938年提出了經典靜力安定定理，Koiter在1956年提出了機動安定定理。安定定理發展至今，在許多領域取得了長足的發展。在對路面進行安定性分析時，采用循環荷載的加載方式，能夠較為準確的反映路面結構的本質和結構的實際安全程度［1］。故將安定理論作為分析和研究在復雜荷載作用下的路面結構響應的方法，能彌補當前彈性理論和經驗方法的不足［2］。

路面大中修結構的使用壽命與其可承受的極限荷載大小直接相關［3］。本文將安定理論應用于大中修路面結構極限荷載分析中，主要研究了大中修路面結構在重復車輛荷載作用下的安定狀態；計算在不同行車速度反復作用下，路面結構參數對大中修結構達到臨界破壞狀態時的極限荷載影響程度。

2　瀝青路面大中修結構安定性分析

安定性指的是在復雜加載條件下，結構的塑性變形使殘余應力緩慢改變，應力場重新分布，最終形成有利于結構承載的殘余應力場，使結構達到安定狀態，并在不斷的循環荷載作用下處于完全彈性狀態，整體上達到一種穩定的極限狀態［4］。

在實際道路環境中，路面結構承受車輛的重復荷載作用，為了更好的模擬路面結構實際工作狀態，對路面結構進行安定性分析時，采用循環荷載的加載方式［5］。引入廣義荷載Гa（t），一個周期T為的循環加載過程為：

式中：Гa（t）為廣義荷載函數；Г（t）為施加荷載函數；T為荷載周期。

式（1）對路面結構的加載過程進行了排序，t是隨時間單調增加的任意變量，周期T無需嚴格與真實時間相關聯。運用安定理論分析大中修路面結構極限荷載時，采用的循環加載方式如圖1所示。圖1為結構在循環荷載下的閉合荷載路徑及安定狀態下的屈服面特性。

3　高速公路大中修典型結構形式

調查分析目前國內常用的路面大中修技術，并結合我國高速公路病害的主要發生層位，根據舊路的破壞程度的不同，可將我國高速公路大中修的主要結構形式分為三類：罩面養護、功能性大修和結構性大修。根據對我國高速公路路面結構及常用大中修養護方案的調查及分析，常用的大中修養護方案如表1所示。

圖1　安定理論的循環加載方式

表1　典型大中修養護方案

4　基于安定理論的路面結構分析模型

本文利用有限元分析軟件ANSYS建立高速公路瀝青路面大中修典型結構有限元仿真分析模型，分析不同結構的安定性。

在標準荷載作用下，雙圓均布垂直荷載當量荷載邊長18.9 cm。已有研究表明，隨著軸重的增大，輪壓和接地面積均隨增大，但當量荷載中心距離不會改變，即始終保持為31.95 cm。

借鑒比利時的軸載與輪胎接地面積之間的經驗公式，并結合我國道路狀況的實際情況，本文采用如下公式：

式中：A為輪胎接地面積，cm2；P為輪胎壓力，N；+4為保證率達到90%的離差范圍。

計算可得軸重與輪胎接地面積對應關系如表2所示。

表2　軸重與輪胎接地面積的對應關系

各結構層計算參數如表3所示。

表3　路面結構模型計算參數

5　瀝青路面大中修結構極限荷載分析

瀝青路面結構的使用壽命與其承受的極限荷載水平有直接關系，本文選取我國典型大中修養護瀝青路面結構，結合上文給出的材料參數，利用有限元分析軟件ANSYS建立大中修路面結構仿真模型，計算在不同材料參數和行車速度（80～120 km/h）下荷載循環作用的路面結構安定極限荷載。

5.1中修養護結構安定極限荷載分析

通過有限元計算分析，可得到瀝青混凝土厚度及銑刨后路面回彈模量對安定性極限荷載的影響，如圖2所示。

圖2中，中修罩面厚度和模量對路面結構的安定極限荷載沒用明顯的影響，且不同罩面厚度或模量下，路面結構安定極限荷載曲線出現了小幅度的交叉重疊，故路面結構中修罩面對改善舊路面結構的使用性能效果良好，但對路面結構強度的改善并不明顯。不同瀝青混凝土罩面模量對中修路面結構的安定極限荷載影響較小，但是仍可以看出，瀝青混凝土罩面模量越大，路面結構安定極限荷載越大。

圖2　瀝青混凝土厚度、模量對安定極限荷載的影響

5.2功能性大修結構安定極限荷載分析

通過有限元計算分析，可得到功能性大修各結構層厚度及模量對安定性極限荷載的影響，其中水泥穩定碎石基層參數與結構安定極限荷載的關系曲線如圖3和圖4所示。

圖3　水泥穩定碎石厚度對安定極限荷載的影響

圖4　水泥穩定碎石模量對安定極限荷載的影響

通過計算結果可知，功能性瀝青路面大修結構的安定極限荷載隨著各結構層厚度的增加而增加，但整體隨著行車速度的提高而減小，減小速率先慢后快。當AC-25瀝青混凝土下面層厚度由6 cm增大至10 cm時，功能性大修結構的安定極限荷載最大增幅為23.33 kN，最小增幅為5.49 kN，增加幅度平均值為15.72 kN。當水泥穩定碎石基層厚度從16 cm增大至18 cm時，結構的安定極限荷載最大增幅為21.8 kN，最小增幅為7.14 kN，平均幅度增大16.15 kN。當現場冷再生底基層厚度由16 cm增大至20 cm時，功能性大修結構安定極限荷載最大增幅25.58 kN，最小為8.93 kN，平均增長值為17.3 kN，其中冷再生厚度為18 cm時安定荷載曲線變化波動明顯大于其他厚度的荷載曲線。

通過對各結構層模量對安定極限荷載的影響分析可知，安定極限荷載隨各結構層模量的增大而增大，其中瀝青混凝土模量和水泥穩定碎石模量的安定極限荷載影響曲線近似成直線，且隨著車速的增加，增長幅度逐漸減小。當瀝青混凝土下面層模量從1 000 MPa增長到1 400 MPa（增幅為66.67%）時，安定極限荷載平均增幅為9.68%。當水泥穩定碎石模量從3 000 MPa提高到4 000 MPa時（增幅為33.3%），安定極限荷載平均增幅9.56%。路面安定極限荷載隨現場冷再生底基層模量的增加而增加，隨著車速的增加而減少，且減小速率變化較大，當車速為90 km/h時，現場冷再生安定極限荷載增加幅度最大，可達到18 kN。

5.3結構性大修結構安定極限荷載分析

選取典型結構性大修路面結構，運用有限元軟件計算不同工況下路面大修結構安定極限荷載，其中冷再生底基層參數與結構安定極限荷載的關系曲線如圖5和圖6所示。

圖5　現場冷再生厚度對安定極限荷載的影響

圖6　現場冷再生模量對安定極限荷載的影響

通過對安定極限荷載變化曲線擬合可知：結構性大修路面各結構層厚度對安定極限荷載的影響曲線可用直線擬合，即隨著車速的增加，安定極限荷載減小速率基本不變。當AC-25瀝青混凝土下面層厚度由6 cm增大到10 cm時，安定荷載逐漸增加，最大增加值為13.81 kN，最小增加值為9.77 kN，平均增加值為11.25 kN。隨著水泥冷再生厚度由16 cm增大至18 cm，安定荷載圍成的安定區域面積不斷增大，增加幅度在車速100 km/h時開始逐漸減小，安定極限荷載增加值最大為18.91 kN，最小增加值為9.33 kN，平均增幅為13.72 kN。最后，當現場冷再生底基層厚度從16 cm增大至20 cm時，安定極限荷載最大增加值為22.53 kN，最小增加值為9.44 kN，增加值平均增長率為14.38 kN。由以上分析可以看出，水泥冷再生基層厚度和現場冷再生底基層厚度對路面大修結構安定極限荷載的影響程度較大。

通過計算分析各層模量對結構性大修路面極限荷載的影響可知，瀝青混凝土下面層的安定極限荷載曲線近似直線，且各曲線距離較小，即瀝青混凝土下面層模量對安定極限荷載影響非常小；水泥穩定碎石基層極限荷載影響曲線在車速110 km/h出現轉折，當水泥穩定碎石模量從3 000 MPa增加到400 MPa時，最大增加值為18.11kN，最小增加值為9.83 kN，平均增加值為13.79 kN；隨著水泥冷再生模量的增大，安定極限荷載亦隨著增大，最大增加值為10.43 kN，最小增加值為7.91 kN，平均增加值9.42 kN。現場冷再生的安定極限荷載受行車速度的影響較大，當車速為為80 km/h時，安定極限荷載增加值最大為13.58 kN，車速為120 km/h時增幅最小為7.91 kN，全段平均增幅9.82 kN。

6　結　語

由于高速公路車輛行駛速度較大，路面大修養護設計時應充分考慮車輛沖擊荷載的影響。本文基于安定理論，應用有限元分析軟件，定量分析了各結構層不同厚度、模量對路面結構極限荷載的影響，并計算得到高速公路典型大中修結構在循環荷載反復作用下達到塑性破壞時的安定極限荷載。得出如下結論：

（1）行車速度與路面大中修結構的安定極限荷載大小呈反比關系，隨著行車速度的增大，路面結構在循環荷載作用下達到塑性破壞時的安定極限荷載不斷減小。

（2）各結構層厚度和模量大小對路面結構的安定極限荷載有一定程度的影響，可通過提高大中修結構層的厚度和回彈模量來提高路面結構整體的強度，但安定極限荷載的提高與大中修養護方案及材料特性密切相關。

（3）從整體上看，大中修路面結構層厚度對結構安定極限荷載的影響要大于模量的影響，利用舊銑刨料作為大中修結構層對結構安定極限荷載的影響要大于其他材料的結構層。

［1］張明煥，楊海元.結構安定分析方法研究 ［J］.應用力學學報. 1994，11（4）:83-90

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U416.217

A

1009-7716（2016）07-0278-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.083

2016-06-01

鐘珊群（1964-），男，湖南邵陽人，工程師，從事工程建設管理工作。