道路使用條件對路面結構力學響應的影響

江志義

（湖南省交建工程集團有限公司，湖南株洲 412007）

道路使用條件對路面結構力學響應的影響

江志義

（湖南省交建工程集團有限公司，湖南株洲 412007）

采用有限元分析方法，研究道路坡度、車輛行駛速度、荷載條件（車輛胎壓和裝載率）和路表溫度等道路使用條件變化對瀝青路面結構中剪應力與剪應變分布的影響規律和影響程度，探究縱坡道路與平坡道路瀝青路面在力學響應上的差異及其主要影響因素。

公路；道路坡度；車速；荷載條件；溫度；力學響應

1 坡度對路面結構力學響應的影響

表1 不同縱坡下路表剪應力的變化

1.1 計算工況

計算荷載工況的編號為Z-A0（裝載率100%，輪胎內壓0.7 MPa）；道路縱坡為0（平坡）～5%；車速取初始速度71 km／h；計算斷面為單輪中心、單輪內側邊緣和單輪外側邊緣。

1.2 道路縱坡坡度對剪應力的影響

1.2.1 路表剪應力

不同道路縱坡下路表剪應力見表1。由表1可見：路表剪應力隨著道路縱坡的增大而增加。1）當道路縱坡較小時，路表剪應力最大值發生在單輪內側邊緣中心；隨著道路縱坡的增加，路表剪應力最大值逐漸向單輪中心處轉移。當道路縱坡為5%時，單輪內側邊緣中心剪應力與單輪中心處剪應力接近。2）當道路縱坡由1%增加至5%時，單輪中心斷面、單輪內側斷面和外側斷面上的路表剪應力依次增加約26%、11%和23%；當道路坡度達到5%時，在滿載條件下，路表剪應力最大值約0.081 MPa，發生在單輪中心斷面上。

1.2.2 路面中剪應力

路面中剪應力最大值及其發生位置見表2。由表2可以看出：隨著道路縱坡的增大，各計算斷面上的剪應力均呈現增大趨勢。1）在單輪中心、單輪內邊緣和單輪外邊緣斷面上，剪應力最大值分別出現在約6、2和3 cm深度處。單輪中心斷面上的剪應力最大值接近0.15 MPa，略大于單輪內側邊緣中心和單輪外側邊緣中心斷面上的剪應力最大值。2）單輪中心、單輪外側邊緣下的剪應力最大值和發生位置幾乎不受縱坡變化的影響；而單輪內側邊緣下剪應力最大值隨縱坡的增加略有增大，當道路由平坡變化為5%坡度時，該部位的剪應力最大值僅增長約4%。

表2 不同道路縱坡下路面剪應力最大值及其所處位置

1.3 道路坡度對剪應變的影響

剪應變最大值及其發生位置見表3。從表3可見：1）在單輪中心、單輪內邊緣和單輪外邊緣斷面上，剪應變的最大值分別出現在約3、2和3 cm深度（上面層中下部）處。2）當道路由平坡變化為5%坡度時，單輪中心斷面上的剪應變最大值由2.226× 10-4增加至2.298×10-4，增幅約3%；單輪內邊緣斷面上的剪應變最大值由2.027×10-4增加至2.103 ×10-4，增幅不超過4%；單輪外邊緣上的剪應變基本不受縱坡變化的影響。

表3 不同道路縱坡下路面中剪應變最大值及其所處位置

2 車速對路面結構力學響應的影響

2.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A1（裝載率200%，輪胎內壓0.7 MPa）；道路縱坡為5%；計算車速為69（初始速度）～22.70 km／h（平衡速度），另增加100和10 km／h；計算斷面同上。

2.2 車速對剪應力的影響

各計算斷面上剪應力最大值及其相應位置見表4。由表4可見：1）單輪中心斷面上剪應力最大值隨著車速降低而增加的程度比單輪兩側邊緣斷面上的明顯，但剪應力最大值小于這兩個斷面上的剪應力最大值。當車速由100 km／h降低至10 km／h（降幅90%）時，該斷面上的剪應力最大值由0.123 MPa增加至0.143 MPa，增幅約17%。2）在單輪內側邊緣中心斷面上出現剪應力最大值，當車速由100 km／h降低至10 km／h時，該剪應力最大值由0.152 MPa增加至0.162 MPa，增幅約7%。

表4 車速影響下路面剪應力最大值及其所處位置

2.3 車速對剪應變的影響

各計算斷面上剪應變最大值及其位置見表5。由表5可見：隨著車速的下降，瀝青路面內各深度處的剪應變均明顯增大。1）在3個計算斷面上，剪應變最大值均發生在上面層中下部，當車輛行駛速度由100 km／h降低至10 km／h時，單輪中心、單輪內側邊緣和單輪外側邊緣斷面上的剪應變最大值分別增長153%、123%和111%。2）路面中剪應變最大值發生在單輪內側邊緣斷面上，約在路表下2 cm（上面層中部）處，與剪應力最大值出現位置一致。當車輛行駛速度降低至10 km／h時，該斷面上的剪應變最大值達到5.922×10-4。

3 胎壓對路面結構力學響應的影響

3.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A0、Z-B0、Z-C0（輪胎內壓分別為0.7、1.0和1.3MPa，裝載率為100%）；道路坡度為零（平坡）；計算車速取初始速度71 km／h；計算斷面同上。

表5 車速影響下路面剪應變最大值及其所處位置

3.2 胎壓對剪應力的影響

胎壓增加將顯著增加路面結構內部的剪應力。在單輪中心斷面上，胎壓變化對剪應力的影響主要發生4～10 cm深度處；在單輪內側邊緣和單輪外側邊緣斷面上，胎壓變化對剪應力的影響主要發生2 cm以下深度處，且影響程度較低。不同胎壓下路面結構中剪應力最大值及其發生位置見表6。由表6可見：路面內剪應力最大值發生在單輪中心斷面、中面層位置，隨著胎壓的增長，剪應力最大值的位置向上移動；剪應力最大值隨輪胎內壓的增長而顯著增大，當胎壓由0.7 MPa增加至1.3 MPa時（增幅約86%），剪應力最大值由0.147MPa增加至0.242 MPa，增幅為65%。3.3 胎壓對剪應變的影響

表6 輪胎內壓影響下路面剪應力最大值及其所處位置

在不同輪胎內壓下，路面結構中的剪應變分布規律與剪應力相同。在單輪中心斷面上，胎壓變化對剪應變的影響顯著；在單輪內側和外側邊緣斷面上，胎壓變化對路面結構剪應變的影響程度降低。不同胎壓下路面內部剪應變最大值及其發生位置見表7。由表7可見：剪應變最大值發生在單輪中心斷面上，位于路面深度3 cm（上面層）處；當胎壓由0.7 MPa增大至1.3 MPa時，剪應變最大值由2.218 ×10-4增加至3.627×10-4，增幅接近64%。

表7 輪胎內壓影響下路面剪應變最大值及其所處位置

4 裝載率對路面結構力學影響的影響

4.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A0～Z-A4和ZC0～Z-C4（輪胎內壓分別取為0.7和1.3 MPa，車輛荷載即裝載率分別取為100%、200%、300%和400%）。輪胎內壓為0.7 MPa時，道路坡度取為零（平坡）；輪胎內壓為1.3MPa時，道路坡度取為5%。計算車速取各荷載工況下的初始速度。計算斷面與前面的相同。

4.2 裝載率對剪應力的影響

各計算斷面上路面結構中剪應力最大值及其發生位置見表8。由表8可以看出：1）當車輛裝載率增加時，無論輪胎內壓是0.7 MPa還是1.3 MPa，單輪中心處的剪應力最大值均呈現減小趨勢，該現象的出現與輪胎中部接觸應力分布有關。2）單輪內側邊緣和外側邊緣斷面上的剪應力最大值隨著裝載率的增加而顯著增大。當裝載率由100%增加至400%（增幅3倍）時，單輪內側邊緣斷面上的剪應力最大值增幅超過100%。以裝載率100%為基準，裝載率每增加100%，該斷面上剪應力最大值的平均增幅約35%。3）隨著裝載率的增加，瀝青層內剪應力最大值由單輪中心轉移至單輪內側邊緣和單輪外側邊緣中心斷面上，并由約6 cm（中面層）深度處移至約2 cm深度處（上面層）。當裝載率達到400%（輪胎內壓1.3 MPa）時，瀝青路面中的剪應力最大值為0.243 MPa，發生在單輪內側邊緣中心路表下2 cm處。

表8 裝載率影響下剪應力最大值及其所處位置

4.3 裝載率對剪應變的影響

各計算斷面上路面結構中剪應變最大值及其所在位置見表9。由表9可見：1）裝載率對路面結構剪應變的影響受車輛胎壓的影響較小，僅在單輪中心斷面上略有不同。胎壓為0.7 MPa時，單輪中心處剪應變最大值隨著裝載率的增加呈現減小趨勢；當胎壓為1.3 MPa時，單輪中心處剪應變最大值隨著裝載率的增加呈現增大趨勢；剪應變最大值出現在上面層。2）單輪內側邊緣和外側邊緣斷面上的剪應變最大值均隨著裝載率的增加而顯著增大。當裝載率由100%增加至400%時，單輪內側邊緣斷面的剪應變最大值由2.007×10-4增加至5.49×10-4，增幅173%，發生在單輪內側邊緣中心路表下2 cm處，該最大值受胎壓的影響較小。相對于裝載率100%，裝載率每增加100%，剪應變最大值的平均增幅接近58%。3）當裝載率大于200%時，瀝青層內的剪應變最大值由單輪中心移至單輪內側邊緣和單輪外側邊緣中心斷面上。

表9 裝載率影響下剪應變最大值及其所處位置

5 溫度對路面結構力學響應的影響

5.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-C2（胎壓1.3 MPa，裝載率300%）；坡度為5%；平衡車速16.8 km／h；取路表溫度40～70℃。

5.2 溫度對剪應力最大值的影響

各計算斷面上路面結構中剪應力最大值及其發生位置見表10。由表10可見：1）在單輪內側邊緣和外側邊緣斷面上出現剪應力最大值，發生在上面層。當路表溫度由40℃升高至70℃（增幅75%）時，剪應力最大值的增幅不到4%（單輪內側斷面）。2）下面層層底剪應力隨著路表溫度的升高而呈現減小趨勢。

5.3 溫度對剪應變的影響

各計算斷面上剪應變最大值及其發生位置見表11。由表11可見：剪應變最大值發生在上面層（3個計算斷面），并隨著路表溫度的升高而顯著增大。路表溫度每升高10℃，面層中的剪應變最大值增大1～2倍。

表10 溫度影響下路面最大剪應力及所處位置

表11 溫度影響下路面最大剪應變及其所處位置

6 結論

（1）道路使用條件變化主要影響瀝青路面上面層、中面層的剪應力和剪應變分布。對剪應力分布影響程度較大的因素是輪胎內壓和裝載率，對剪應變分布影響程度較大的因素是路表溫度、車速、輪胎內壓和裝載率。

（2）當車輛荷載條件、路表溫度一定時，縱坡道路瀝青路面與平坡道路瀝青面層中剪應力和剪應變水平的差異主要源自車輛行駛速度變化的影響，受道路縱坡坡度自身變化的影響較小。

（3）車輛輪胎內壓增大將導致剪應力和剪應變增加，增加幅度與胎壓的增大幅度相當；車輛裝載率變化將顯著影響剪應力和剪應變的分布及大小，車輛裝載率每增加100%，路面結構中剪應力最大值、剪應變最大值的增幅分別高達35%和58%。

（4）根據車輛行駛速度對瀝青面層中剪應變最大值、瀝青面層剪應變累積量的影響程度，建議以車輛行駛速度35 km／h作為平衡速度對最大縱坡坡度進行界定。

［1］ 李曉忠.路面結構參數變化對路面結構的影響［J］.青海交通科技，2009（2）.

［2］ 張宜洛.長大縱坡路段瀝青路面行為和混合料設計研究［D］.西安：長安大學，2012.

［3］ 王陳剛，侯云飛.縱坡道路瀝青路面結構及材料設計［J］.公路與汽運，2015（4）.

［4］ 蘇凱，胡曉，胡小弟，等.實測輪胎荷載作用下層間接觸條件對瀝青路面力學響應的三維有限元分析［J］.上海公路，2006（1）.

U416.217

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1671-2668（2016）06-0111-05

2016-09-02