浅析重载条件下沥青路面的力学响应

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摘要：目前，沥青路面作为我国高等级公路路面结构的主要形式，已得到越来越广泛的应用。但是，重载、超载现象的日益严重，使得沥青路面的使用寿命和服务水平受到了不同程度的影响，重载已成为影响路面服务性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。因此，利用力学分析的方法定量地对重载沥青路面的受力响应特点和永久变形形成规律进行分析就显得尤为重要。本文试图对不同沥青路面典型结构,考虑不同荷载作用条件,进行路面结构力学响应分析,以了解重载条件下路面结构的应力、应变规律,并为重载条件下沥青路面设计指标提供理论依据。

关键词：沥青路面；重载；力学响应

中图分类号：TF526文献标识码： A

1 重载概述

近年来，国际道路界有一个倍受关注的名词--重载交通(Heavy―Duty)。它是指道路通车后交通量/累计当量标准轴次（ESALS）大大超过一般水平，路面性能衰减超常规发展的现象。

根据我国当前道路车辆和交通特征，可总结为：大交通量和大规模车辆超重，车辆超重引起“重轴载”和轮胎-路面“重接触应力”，这对路面的一次性破坏较为严重，致使路面产生不同程度的早期破坏。

重载可从以下 4 方面来表征：

①重载作用次数多；

②车轴载荷越来越重；

③轮胎-路面接触应力显著增大，且空间分布更加不均匀；

④动力效应明显增大。

2 模型的建立

2.1沥青路面的受力特性

从力学角度考虑，路面损坏状态主要是：路面表面的过大变形，路面结构层被拉裂和路面结构层的剪切破坏。因此进行路面结构的力学响应分析，了解面层、基层和底基层各自的应力状况以及应力特点，有助于根据其应力特点考虑路面各结构层的主要技术要求和材料设计。

2.2车轮对路面的荷载作用及其简化模型

路面和轮胎之间呈现出明显的非均布效应，圆形均布荷载的简化和路面实际情况有很大区别。荷载分布在宽度方向上将接触面分为3个区域：两边20%宽度范围的边缘区和中间60%宽度范围的中心区。中心区与边缘区内竖向接触应力平均值的回归方程表达为：

式中：为中心区平均竖向压应力；为边缘区平均竖向压应力；为轮胎内压力；作用于轮胎的竖向荷载； , 为回归系数。

2.3 代表车型

对于计算代表车型，则采用现行沥青路面设计规范中规定的标准车型，即黄河JN-150型汽车。轮胎宽为26.3 cm，双轮中心间距为34.6 cm。考虑25，50，80，100，120，150 kN6级荷载，可得具体轮载条件(见表1)。

表1轮载及轮胎接地尺寸计算结果

3 沥青路面的典型结构选取

在不同地区的沥青路面典型结构中，考虑到结构层组合、结构层厚度等因素，选取其中8种典型路面结构进行力学计算分析(见表2)。

表2 8种路面结构组合

4 结果分析

4.1沥青面层表面最大剪应力分析

由实验结果分析得出：在8种路面结构中， 61#结构路表的最大剪应力和其他结构相比要大得多，而4#，24#，41#的最大剪应力略大于58#， 59#，60#及62#结构的最大剪应力。说明：沥青面层表面的最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同。

4.2沥青面层表面水平横向应力、应变分析

由计算结果得知： 4#，24#，41#结构在路表轮隙中心受到拉应力的作用；61#结构在路表轮隙中心受到压应力的作用；58#，59#，60#，62#结构的路表轮隙中心应力在荷载为25kN时承受拉应力。说明：对于8种典型路面结构(包括半刚性基层和柔性基层沥青路面)当沥青面层厚度较小时(h≤10cm)，路表轮隙中心受拉应力的作用：当沥青面层厚度较大时(h≥15 cm)，随着交通荷载的增大，路表轮隙中心主要受压应力的作用。

4.3 沥青面层底部水平横向应力、应变分析

由计算结果可知：除61#结构在沥青面层层底轮隙中心受水平横向拉应力作用以外，其余结构在沥青面层底部轮隙中心均受到水平横向压应力的作用。说明：对于目前常用的沥青路面结构，沥青层底轮隙中心大多是受压应力的作用，但对于柔性基层加半刚性基层的路面结构，当柔性基层和沥青面层模量差别很大时，在沥青层底轮隙中心受到拉应力的作用，这对于沥青面层受力是不利的。

4.4联结层、基层及底基层层底水平横向应力、应变分析

根据计算结果可以看出：24#为半刚性单基层结构，其基层、底基层底面轮隙中心均受拉应力和拉应变的作用：41#为半刚性双底基层结构，其上底基层及下底基层底面轮隙中心均受拉应力、拉应变作用，其基层底面轮隙中心受压应力作用：58#，59#，60#和62#为半刚性双基层结构，其中58#，59#和62#结构的下基层、底基层底面轮隙中心受拉应力、拉应变的作用，但其上基层底面轮隙中心受到的是压应力的作用；因此，对于目前普遍采用的半刚性基层路面结构，各结构层底面轮隙中心主要承受拉应力和拉应变的作用，当超过路面材料抗拉强度后会引起结构层层底开裂，从而更易使路面发生早期破坏。

5 结论

1)路面结构竖向位移最大值发生在路表面，且随轴重增加呈直线上升趋势，因此重载车辆的作用更容易让路面产生过大的弯拉应力，导致疲劳开裂、沉陷等病害发生。轴载的增加将明显增加面层的应力值，而对基层影响较小，因此轴重的增加更容易使面层产生拉裂或压密变形等病害。

2)水平剪应力在面层应力值较大且集中在轮缘周围，随深度增加逐渐向轮胎外下侧扩散，影响深度范围大概1.2米左右。较大的水平力将大大增加路面的水平位移和剪应力，尤其是车辆在制动或启动过程中和重载车行驶在较破损的路面上，水平力对路面的剪切破坏将不容忽视。

3）重载车辆的反复作用更容易使沥青路面出现较大的车辙病害。

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