超載作用下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

超載作用下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)

胡乃永

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

本文從理論上探討了瀝青路面在車輛超載情況下的力學(xué)響應(yīng)變化，包括路表彎沉值，基層底彎拉應(yīng)力和基層頂面壓應(yīng)變。路面結(jié)構(gòu)選用半剛性基層路面和柔性基層路面，荷載采用四組不同的壓力。結(jié)果表明，路表彎沉值、層底彎拉應(yīng)力和路基壓應(yīng)變隨著軸載的增加而增加，并且超載會(huì)導(dǎo)致對(duì)瀝青路面早期損壞的嚴(yán)重影響。

力學(xué)響應(yīng)；線彈性；瀝青路面；超載

0 引言

隨著物流業(yè)的快速發(fā)展，多軸重載車輛明顯增加，這給瀝青路面的力學(xué)性能帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。此外，隨著礦區(qū)、林區(qū)、油田建設(shè)的需要，重型汽車的使用范圍大大擴(kuò)展，重型汽車的產(chǎn)量也因新技術(shù)的引進(jìn)大量增長(zhǎng)，我國(guó)公路運(yùn)輸車輛正向大型化、多軸化和集裝箱化發(fā)展。目前主要道路的交通有如下特征：1)主要干線道路交通繁重，重交通突出，且載重車輛占總量比重隨地區(qū)差別很大；2)主要道路上車輛普遍超載，在大多數(shù)地區(qū)重型車輛中的超載比例平均超過(guò)50%；超負(fù)荷度在80%～300%之間；3)車輛超重運(yùn)輸造成車輛軸載超限，輪胎接地壓力增大，表現(xiàn)為重軸載和大接觸應(yīng)力，各地軸載表現(xiàn)為明顯的地區(qū)差異性，載重車單軸雙輪多在 12t～18t，輪壓在0.8MPa～1.1MPa，最高達(dá)1.6MPa。

半剛性基層路面作為一種典型的路面結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)度、高平整度和抗疲勞性能優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)已得到廣泛應(yīng)用。然而，由于瀝青膠結(jié)材料具有感溫性和收縮特性，路面在交通荷載和環(huán)境因素的作用下會(huì)出現(xiàn)反射裂縫，使路面產(chǎn)生松散、車轍等病害，最終導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的破壞。柔性路面具有很好的韌性和自愈合能力，它不會(huì)出現(xiàn)像半剛性瀝青路面那樣發(fā)生反射裂縫，但由于其結(jié)構(gòu)是柔性的，在交通反復(fù)壓載下，很容易產(chǎn)生形變、下沉等破環(huán)，影響道路使用性能。

路面破損是由重復(fù)交通荷載作用下路面層的累積永久變形引起的。在線性彈性理論中，每一層中的材料被假定為均勻的，各向同性的，和線性彈性。這種材料的性能可以用彈性模量參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)。

瀝青路面的負(fù)載條件在重量和數(shù)次數(shù)逐年增加，這是導(dǎo)致路面早期破環(huán)的主要原因的混合物。由于瀝青路面是復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，是由多個(gè)具有不同性能的結(jié)構(gòu)層組成，對(duì)其進(jìn)行完美的數(shù)學(xué)模型分析是不可能的。

通過(guò)半剛性基層瀝青路面和柔性瀝青路面這兩個(gè)的常見路面結(jié)構(gòu)，分析比較其在不同超載條件下力學(xué)行為，為今后的路面設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 路面結(jié)構(gòu)模型與荷載條件

本次分析的主要目的是評(píng)估在不同結(jié)構(gòu)的瀝青路面上施加不同軸載時(shí)超載情況。路面與車輛直接接觸承受著行車荷載的作用，是用不同粒料或混合料鋪筑而成的層狀結(jié)構(gòu)物。路基是用土或石料修筑而成的線性結(jié)構(gòu)物，并承受面層傳來(lái)的荷載。根據(jù)面層、基層、底基層、和路基等結(jié)構(gòu)的作用的不同及使用要求，要采用不同的材料規(guī)格，各層厚度也不盡相同。因此從現(xiàn)實(shí)應(yīng)用出發(fā)，對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層加以研究其特性，然后總結(jié)規(guī)律，對(duì)工程應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)。選用半剛性瀝青路面和柔性瀝青路面兩種結(jié)構(gòu)不同的路面，在每種路面上使用四個(gè)不同的軸載，研究其力學(xué)參數(shù)的變化。

采用彈性層狀理論軟件計(jì)算了在超載條件下，兩種結(jié)構(gòu)瀝青路面應(yīng)力變化。我國(guó)有許多工程實(shí)例，從中可以得到了瀝青層厚度和彈性模量參數(shù)。

輪胎與地面接觸，一般認(rèn)為輪胎與地面的接觸面是橢圓，這里假定軸載均勻分布在接觸面積上。橢圓荷載的計(jì)算非常復(fù)雜，所以在研究路面力學(xué)問(wèn)題中極少采用橢圓的接觸面積，而是采用當(dāng)量圓來(lái)代替。對(duì)超載車輛，輪胎在路面上的作用半徑發(fā)生了改變，但車輛輪胎間距固定結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生變化。所以在分析中，不同超載時(shí)的雙圓均布荷載半徑，軸載，輪胎氣壓和觸地面積是不同的。

2 結(jié)果與討論

2.1 彎沉值

瀝青路面表面變形量作為最基本和最簡(jiǎn)單的指標(biāo)，可以反映路面的整體承載能力。國(guó)內(nèi)外普遍采用彎沉值來(lái)表征路基路面的承載能力，彎沉值越大表明承載能力越小，反之則越大。路面結(jié)構(gòu)層在車輛荷載作用下，各變形一定程度上可以總體反映路面各結(jié)構(gòu)層和路基層的力學(xué)性能。長(zhǎng)期觀測(cè)調(diào)查和理論分析表明，路面的車轍破環(huán)90%為半剛性基層路面超過(guò)了控制路表彎沉值的永久變形。半剛性路面和柔性路面在不同交通超載荷載下路面結(jié)構(gòu)彎沉變化表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性。隨著超載重量的增加，半剛性路面和柔性路面的路面彎沉值增大，表明超載對(duì)路面變形有很大的影響。由于表面變形層的累積，這也在超載、狀態(tài)的情況下，反映路面結(jié)構(gòu)層的缺陷。

兩種路面結(jié)構(gòu)彎沉大小的很大程度上受到軸載大小的影響。例如，對(duì)于半剛性基層瀝青路面相比于標(biāo)準(zhǔn)荷載下，在超載120%時(shí)，路面彎沉值增加約為40（10-5m）。而對(duì)于柔性路面，當(dāng)軸載增加，路表彎沉變化同樣有明顯的變化。柔性路面在軸載為240kN的時(shí)候，彎沉值是軸載120kN時(shí)的2倍。這些結(jié)果表明軸載對(duì)彎沉有著非常重要的作用。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明半剛性基層瀝青路面敏感性明顯于柔性路面。

2.2 層底彎拉應(yīng)力

層底拉應(yīng)力是我國(guó)規(guī)范中為了防止瀝青混合料出現(xiàn)疲勞開裂而提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)。面層出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力的大小直接決定了我們的瀝青面層材料將出現(xiàn)的破壞程度，應(yīng)力分布是路面設(shè)計(jì)準(zhǔn)則中?？紤]的因素。應(yīng)變和拉伸應(yīng)變應(yīng)改控制在在允許值范圍內(nèi)。在本文中也對(duì)基層和底基層底部的應(yīng)力進(jìn)行了研究。兩種路面結(jié)構(gòu)在不同的軸載下底部的應(yīng)力變化情況顯示，當(dāng)超載后的軸載從120kN增加到240kN時(shí)，層底應(yīng)力非常明顯的。而最大壓應(yīng)力發(fā)生在240kN，應(yīng)變發(fā)生了相當(dāng)大的拉伸量，這可能是對(duì)鋪裝層疲勞現(xiàn)象的主要原因。很明顯，面層和基層對(duì)抵抗應(yīng)變引起的過(guò)早結(jié)構(gòu)破壞是非常重要的。

對(duì)于柔性路面，當(dāng)超載率為120%（荷載120kN）時(shí)，其層底彎拉應(yīng)力增長(zhǎng)100%，底基層層底彎拉應(yīng)力增長(zhǎng)93%，這表明，柔性路面基層和底基層的超載后，其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)比半剛性路面的更加敏感，這要求在其基材具有良好的抗拉強(qiáng)度。

2.3 路基頂部的壓應(yīng)變

路基頂部的壓應(yīng)變?cè)谠S多柔性路面設(shè)計(jì)方法中是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)因素，通過(guò)對(duì)土基頂面壓應(yīng)變的控制來(lái)達(dá)到控制車轍和土基破壞的目的，它可以反映車轍和變形特性。在路面結(jié)構(gòu)中的永久變形的發(fā)生，包括HMA車轍和路基車轍。路基車轍是一種發(fā)生在路基，表現(xiàn)為永久變形或由于荷載橫向偏移而發(fā)生的縱向輪徑凹陷，在這種情況下路面進(jìn)入路基車轍。

作為控制指標(biāo)，路基頂部的壓應(yīng)變更適合于瀝青路面的設(shè)計(jì)，采用線性彈性程序計(jì)算不同軸載和胎壓下路面結(jié)構(gòu)頂部的壓縮應(yīng)變。

對(duì)比得出，由于基底材料的不同，柔性路面路基頂部壓應(yīng)變約為半剛性基層瀝青路面的2.4倍。半剛性基層瀝青路面，其路基超載應(yīng)變線性變化。

3 總結(jié)

本文采用線彈性分析，討論了半剛性基層和柔性基層瀝青路面對(duì)瀝青路面的應(yīng)力問(wèn)題。研究的結(jié)論如下：

1）超載是我國(guó)的一個(gè)常見問(wèn)題，我國(guó)的路面結(jié)構(gòu)多采用半剛性路面，超載引起的半剛性基層瀝青路面損壞超載是明顯的。柔性路面和半剛性基層瀝青路面的力學(xué)特性是不同的，我國(guó)引入使用柔性瀝青路面時(shí)，應(yīng)考慮到超載問(wèn)題，研究超載的后力學(xué)響應(yīng)。

2）超載后，半剛性路面和柔性路面的彎沉值、層底彎拉應(yīng)力和路基頂部的壓應(yīng)變總體趨于線性增大。

3）計(jì)算得出，與半剛性基層瀝青路面相比，柔性路面對(duì)超載更加敏感，這就要求我們要更加注意柔性路面，否則在超載情況下，柔性路面的損壞可能比半剛性基層瀝青路面嚴(yán)重的多。

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