【技术】车轮荷载对半刚性基层沥青路面结构的力学响应分析
摘要：基于我国的沥青路面设计理论及标准，选取典型半刚性基层路面结构及材料参数，采用BISAR3.0软件对不同荷载作用下的路面结构应力、应变和位移进行计算，并分析了各力学指标对道路结构的影响。结果显示：不同荷载模式对路面结构的影响相当大，这对进一步解释路面面层的一些破坏现象提供了有益的参考。
关键词：道路工程，半刚性基层，沥青路面，车轮荷载，力学响应
引言
道路是车轮荷载的承受者，随着我国交通运输业的高速发展，重载超载现象普遍存在，导致路面结构的受力发生了很大变化，我国广泛采用的半刚性基层沥青路面在设计年限内出现了较为严重的早期破坏现象[1-2]。许多学者对其破坏的机理进行了研究，并建立了路面结构的力学模型及结构响应[3-4]，也分析了重载车辆对路面结构层间行为的力学研究[5-6]。研究表明：重载交通的反复作用导致半刚性基层与沥青面层或面层与面层之间不连续，是路面结构出现破坏的主要原因[7]。
因此，本文结合我国典型的半刚性基层沥青路面结构对其应力、应变和位移进行力学计算，并分析各个力学指标沿路面结构深度方向的变化规律，进一步解释路面结构在重载作用下破坏的原因，为运营中的道路在车辆荷载控制方面提供一定的参考。
1 路面结构、计算参数及荷载的选择
1.1路面结构
本文选取的是我国典型的半刚性基层路面结构，沥青面层分为三层，基层分为半刚性基层和半刚性底基层，最下面的层位为土基，其具体路面结构参数如表1所示。
表1路面结构层材料参数
|
层位 |
材料 |
抗压模量（MPa） （弯沉计算用） |
抗压模量（MPa） （应力计算用） |
厚度（cm） |
泊松比 |
|
|
上面层 |
细粒式沥青混凝土 |
1400 |
2000 |
4 |
0.25 |
|
|
中面层 |
中粒式沥青混凝土 |
1200 |
1800 |
6 |
0.25 |
|
|
下面层 |
粗粒式沥青混凝土 |
1000 |
1200 |
8 |
0.25 |
|
|
基层 |
水泥稳定碎石 |
1300 |
3100 |
20 |
0.3 |
|
|
底基层 |
水泥稳定碎石 |
1300 |
3100 |
20 |
0.3 |
|
|
土基 |
天然土 |
35 |
35 |
- |
0.35 |
|
1.2计算参数
为了了解弯拉应力、应变和弯沉在不同荷载作用下沿道路深度的影响，用bisar3.0软件进行力学计算，计算点位选取在单轮荷载中心。采用不同的荷载情况对路面结构力学响应做分析，选择了100KN,140KN,180KN,220KN四种荷载。
根据赫克洛姆(Heukelom)和克罗朴( Klomp)提出的轮载P与接地压力之间的关系计算公式(1):
(1)
表2不同轴载下的荷载几何参数
|
轴载P（KN） |
轮胎接触压力p(MPa) |
荷载半径δ（cm） |
轮心间距3δ（cm） |
|
100 |
0.7 |
10.65 |
31.95 |
|
140 |
0.78 |
11.93 |
35.79 |
|
180 |
0.85 |
12.97 |
38.92 |
|
220 |
0.91 |
13.87 |
41.61 |
2 计算结果及分析
2.1 弯拉应力计算结果及分析
以单元荷载中心为计算点位，得到不同荷载作用下的弯拉应力沿道路深度方向分布图如图1。由图1可以得出，路面结构的上面层处于受拉状态，中下面层处于受压状态，沥青层底受到较小的拉应力，不会因弯拉应力过大而疲劳开裂，但是随着竖向荷载的增大，沥青层底受到的拉应力逐渐增大，且半刚性基层层底受到的弯拉应力最大，有可能引起反射裂缝，并逐步向面层扩展。
图1 不同荷载作用下的弯拉应力沿道路深度方向分布图
2.2 弯拉应变计算结果及分析
以单元荷载中心为计算点位，得到不同荷载作用下的弯拉应变沿道路深度方向分布图如图2。由图2可以看出，在沥青层底出现了较大的弯拉应变，且随着荷载的增加弯拉应变增大，且增加的幅度是一样的，弯拉应变最不利的受力部位是沥青层底。
图2 不同荷载作用下弯拉应变沿道路深度方向分布图
2.3 剪应力计算结果及分析
以单元荷载中心为计算点位，得到不同荷载作用下的弯拉应变沿道路深度方向分布图如图3。由图3可以看出，最大剪应力出现在沥青路面结构的上面层，随着深度的增加剪应力一般呈现减小趋势，且随着荷载的增大剪应力逐渐增大，很可能在路表出现剪切破坏。
图3 不同荷载作用下的剪应力沿道路深度方向分布图
2.4 弯沉值计算结果及分析
以单元荷载中心为计算点位，得到不同荷载作用下的弯沉值沿道路深度方向分布图如图4。由图4可以看出，弯沉值沿道路深度方向变化不大 ，但是随着竖向荷载的增大弯沉值变化较大，荷载为100KN时，最大弯沉值为38.51（0.01mm），当荷载增大至220KN时,最大弯沉值增大至81.8（0.01mm）,使整个路面结构强度降低很快，很可能导致路面结构的破坏，降低了道路的使用寿命。
图4 不同荷载作用下的弯沉值沿道路深度方向分布图
3 结语
重载对路面结构力学响应有很大影响，从各个力学指标沿道路深度分布图看以得出：重载对弯沉值、剪应力的影响最大，对弯拉应力和弯拉应变的影响相对较小。弯沉值的增大直接导致路面结构整体强度降低，剪应力增大很可能导致路表剪切破坏，因此，道路在运营阶段一定要严格控制交通荷载在设计要求范围内，使道路达到甚至延长设计寿命并更好的服务于车辆。
参考文献
[1]张宏超,孙立军.沥青路面早期损坏的现象与试验分析[J]．同济大学学报:自然科学版，2006，34(3):331—334．
[2] 沈金安,李福普,陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京:人民交通出版社,2004.
[3] 伍祥松.重载交通下不同基层类型沥青路面结构应力分析[J]. 2012,(1).
[4] 董忠红,吕彭民.轴载与速度对半刚性沥青路面动力响应影响[J].长安大学学报:自然科学版,2008,28(1):32—36．
[5] 郑仲浪.重载车辆作用下沥青路面层间力学行为研究[D].西安：长安大学，2010
[6] 严二虎，沈金安.半刚性基层与沥青层之间界面条件对结构性能的影响[J].公路交通科技，2004,21(1):38-41.
[7] 王辉，李雪连，张起森.高温重载作用下沥青路面车辙研究[J].土木工程学报.2009,142(5):139-144.
Analysisof mechanical response of wheel loadon semi-rigid base asphalt pavement structure
XU Wei-jie
（Henan Wanli Road ＆ Bridge Group Co., Ltd.）
Abstract：Based on the theoryand standards of the asphalt pavement design, typical semi-rigid asphalt pavementstructure and material parameters were chosen. To calculate the stress, strain,displacement of the pavement structure under different loads BISAR3.0 software wasadopted and analyzed the impact of the mechanical indicator on thepavement structure. The results show that the impact of different loadpatterns on the pavement structure is quite large, which can provide a usefulreference for further explaining the damage phenomenon of the pavement.
Key words: highway engineering, semi-rigid base, asphalt pavement, wheel load, mechanicalresponse