不同荷載及胎壓對瀝青路面結構力學響應的影響分析

馮 堅,張洪剛,曾俐豪

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.高等級公路建設與養護技術、材料及裝備交通運輸行業研發中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2021年年底,我國公路建設總里程達到了528萬 km,其中高速公路總里程超過16萬 km。由于瀝青路面具有噪音小、揚塵少、易于養護等優點,新建各等級公路尤其是高速公路逐步采用瀝青路面替代傳統的水泥路面。但瀝青材料具有明顯的溫度敏感性及粘彈特性,極易在高溫與荷載耦合作用下產生車轍等病害,而且我國現階段交通量劇增、重載超載交通比例逐步升高,進一步加劇了瀝青早期病害的發生。為保證瀝青路面的長期服役性能,在行車車載不斷加重的現狀下對瀝青路面結構的力學特性提出了更高的要求,深入探究不同荷載胎壓條件下瀝青路面的力學響應行為具有現實必要性。

為掌握不同汽車荷載及胎壓對瀝青路面力學性能的影響規律,本文設置了標載標壓、超載標壓、標載超壓等多種作用條件,采用ANSYS有限元軟件模擬分析不同作用條件下瀝青路面的豎向位移、水平及豎向應力變化,探究不同層位的力學響應以及不同荷載、胎壓對瀝青路面力學性能的影響,為后續不同荷載等級要求的瀝青路面強度設計提供參考。

1 數值模型與參數

1.1 瀝青路面荷載模型參數

為了研究不同汽車荷載、胎壓對瀝青路面結構力學性能的影響,本文基于我國多層彈性體系理論中的圓形均布荷載理論,采用ANSYS有限元軟件模擬路面在不同行車荷載、胎壓下受力情況。設置不同超載超壓的軸載參數如表1所示。

表1 不同軸載及胎壓下的荷載參數表

1.2 瀝青路面結構參數

路面級配與材料的差異對路面結構受力的影響較大,因此本文以目前國內典型的半剛性瀝青路面結構層類型進行厚度、模量、泊松比等參數設置,不同結構層參數設定參考《公路瀝青路面設計規范》(JTD50-2017),詳見表2。

表2 典型半剛性路面結構表

1.3 有限元模型的建立

目前我國的路面計算理論是基于路面各層為平面無限大的彈性層,而路基簡化為彈性半空間體這一假設體系,但由于采用ANSYS有限元軟件計算時取值愈大其計算難度越高,因此本文基于前人的研究成果與經驗,且平衡考慮計算的精度與計算復雜程度將分析范圍劃為X、Y、Z三軸方向均為4 m。計算采用8節點等參數單元,邊界條件假設為:假設左右兩側不存在X軸方向的位移,前后兩側不存在Y軸方向的位移,底面不存在Z軸方向的位移。如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

2 模擬結果力學分析

2.1 不同層位的力學響應

由于有限元軟件模擬各個瀝青層層位受荷載狀態下的應力、位移數值繁多,為選擇荷載變化顯著的受載層位并驗證模型模擬效果,對標載標壓下不同層位的豎向應力變化趨勢進行分析,將模擬數值結果繪制散點圖如圖2所示。

圖2 標載標壓下不同層位的豎向應力變化曲線圖

由圖2可知,隨著層位逐步加深其受荷載產生的豎向應力呈下降趨勢。圖2中路表所呈現的豎向應力與橫向距離的關系為“深W”變化趨勢,而底基層底豎向應力與橫向距離的關系基本無顯著變化;對比左右輪載最大豎向應力數值大小發現,路表豎向應力分別為底基層底豎向應力的46.39倍、47.56倍。為了便于后文數據分析,采用路表該層位的應力數據進行研究。

2.2 不同荷載的影響分析

根據上文所述模型參數建立有限元模型進行計算,針對不同荷載對路面各層的豎向位移、豎向應力及水平應力影響進行分析。

由圖3～5可知:

圖3 不同荷載對路表豎向位移影響曲線圖

(1)路表豎向位移隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,并且在左右輪跡端點其豎向位移達到最大值,100～200 kN應力的最大豎向位移分別為0.338 mm、0.400 mm、0.464 mm、0.523 mm、0.583 mm、0.613 mm;其中120～200 kN應力下較100 kN應力下的最大豎向位移分別增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%。

(2)水平應力隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,圖4中路表的水平應力與橫向距離所呈現的關系為“深W”變化趨勢,但不同荷載作用下橫向作用距離輪載中心點越遠其差異越小,其中120～200 kN應力下較100 kN應力下的最大水平應力分別增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%。

圖4 不同荷載對水平應力影響曲線圖

圖5 不同荷載對路表豎向應力影響曲線圖

(3)豎向應力隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,其中120～200 kN應力下較100 kN應力下的最大豎向應力分別增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。對比豎向應力與水平應力數值大小發現增大荷載對豎向應力影響更為顯著。

2.3 不同胎壓的影響分析

針對標準軸載不同胎壓情況下對路面各層的豎向位移、豎向應力及水平應力影響進行分析,結果如圖6～8所示。

圖6 不同胎壓對豎向位移影響曲線圖

圖7 不同胎壓對水平應力影響曲線圖

圖8 不同胎壓對豎向應力影響曲線圖

由圖6～8可知:

(1)路表豎向位移隨胎壓遞增基本無明顯變化。由圖6可知,0.7～1.4MPa的變化曲線基本重合,其最大豎向位移差值≤0.01 mm,說明增大胎壓對路表豎向位移變化無影響。

(2)水平應力、豎向應力隨胎壓遞增呈逐步增大趨勢,其數值與不同荷載對水平應力相同,說明提高胎壓與提高荷載對路表的水平應力與豎向應力影響一致。

2.4 力學響應方差分析

為了分析不同荷載及胎壓對瀝青路面豎向位移、豎向應力及水平應力的影響顯著性,本文采用SPSS軟件對上文數據進行方差分析,結果如表3所示。

表3 荷載及胎壓對力學響應的方差分析表

由表3可知,荷載對瀝青路面豎向位移、水平應力、豎向應力的影響均顯著;胎壓對瀝青路面水平應力和豎向應力的影響顯著,對豎向位移影響不顯著;相較于豎向應力,水平應力對荷載、胎壓的力學響應更敏感。結合上文分析結果可知,隨著荷載與胎壓的提高其對路表應力狀態產生顯著影響,從而致使瀝青路面產生更高的拉應力與剪應力,導致車轍等病害的產生。綜上所述,為降低路面結構的應力破壞、首先應該控制行車荷載,其次控制行車胎壓。

3 結語

(1)路面結構的路表、表面層底、中面層底、底面層底等層位逐步加深其豎向應力呈下降趨勢,路表所呈現的豎向應力與橫向距離的關系為“深W”變化趨勢,而底基層底豎向應力與橫向距離的關系基本無顯著變化,對比左右輪載最大豎向應力數值大小發現,路表豎向應力分別為底基層底豎向應力的46.39倍、47.56倍。

(2)隨荷載逐步遞增,路表的豎向位移、水平及豎向應力均呈上升趨勢,其中120～200 kN應力下較100 kN應力下的最大豎向位移分別增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%;最大水平應力分別增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%;最大豎向應力分別增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。

(3)隨胎壓逐步遞增,路表的水平及豎向應力均呈上升趨勢,且上升趨勢與荷載變化趨勢基本一致,但胎壓增大對豎向位移數值的影響≤0.01 mm。

(4)基于方差分析可知:荷載對瀝青路面豎向位移、水平應力、豎向應力的影響均顯著;胎壓對瀝青路面水平應力和豎向應力影響顯著,對豎向位移影響不顯著;相較于豎向應力,水平應力對荷載、胎壓的力學響應更敏感。