重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

第23卷第1期长　沙　交　通　学　院　学　报

Vol .23No .1

2007年3月

J O

URNAL O F CHANGSHA COMM UN I CAT I O NS UN I VERS I T Y

Mar .2007

文章编号:1000-9779(2007)01-0056-07

重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

谢　军

1,2

,郭忠印

2

(1.长沙理工大学公路工程学院,湖南长沙　410076;2.同济大学教育部道路与交通工程重点实验室,上海　200092)

摘　要:选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据.

关键词:重载;非均布;动态模量;力学响应中图分类号:U416.217 文献标识码:A

收稿日期:2006-11-14

作者简介:谢　军(1975-),男,长沙理工大学讲师,博士.

目前,在国内重载现象普遍存在.重载不仅表现为交通量的增大,更表现为运输车辆普遍超载、超限,

交通量大和汽车普遍超载是重载交通的主要特征[1]

.在重载交通条件下,沥青路面在使用过程中产生早期破坏的现象日益严重,路面使用寿命大大缩短、使用性能衰减加快,严重影响了道路的使用功能和服务质量.在本研究中,针对不同沥青路面典型结构,考虑不同荷载作用条件,进行了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.

1　沥青路面的典型结构选取

在沥青路面修建过程中,由于土基条件、交通量、轴载及气候环境条件的不同,在各地区采用了不同的沥青路面结构,同时,根据具体实际情况,相应地制定了本地区的沥青路面典型结构.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1).

表1　8种路面结构组合

c m

路面结构

沥青面层

基层沥青碎石级配碎石上基层6%水稳碎石

透水性水稳碎石

贫混凝土

下基层5%水稳碎石

底基层水稳粒料稳定土

垫层级配粒料4#106/24

///24/2024#10/

/

20/

/

/

/

40/

41#5//18///1820/58#15//18//1820//59#15///16/2020//60#16////201620//61#15/916//1616//62

#

12

/

/

20

/

/

20

20

/

/

由表1可知,在选取的8种路面结构中,除4#

,61#

结构为柔性基层加半刚性基层沥青路面结构外,其余均为半刚性基层沥青路面结构.在半刚性基层中又包括单基层、双基层及双底基层等,且不同路面结构的沥青面层具有不同的厚度.被选取路面结构具有较好的代表性.

2　路面结构层典型材料参数

由于路面结构实际上受到来自车辆、气候、人文等因素不断变化的影响,因此,其实际工作状态(包括力学模型、材料性质)与现行的静态力学体系存在着较大的差距.对于路面材料本身而言,由于路面材料大多是粘弹塑性的组合体,对时间因素的影响十分敏感.当荷载作用时间不同时,材料所表现出的力学性质是完全不一样的,同时,材料设计参数的选取对路面设计结果有着很大的影响.考虑到这些原因,在本研究中,采用动态参数进行典型路面结构力学计算分析,以反映实际路面的受力状况.同时,为使计算结果具有一定的代表性和可比性,不同路面结构的相同材料结构层参数取值及同一类材料参数取值都应一致.2.1　沥青混合料动态模量由于沥青混合料是一种粘弹性材料,其力学性能与温度、荷载作用时间及材料本身性能有着密切的关系,根据A I 研究结果,沥青混合料的动态模量平均值在4000MPa 左右.而Shell 研究结果表明:在高温或荷载长时间作用下,动态模量为1～100MPa;在低温或荷载短时间作用下,动态模量为100～5000MPa .在温度为20℃、频率为5Hz 条件下,英国推荐的动态模量设计值为3100MPa (密级配沥青碎石)或3500MPa (热碾沥青混凝土);在法国的设计中动态模量取值(温度30℃、频率10Hz )为:沥青混凝土为3000MPa,沥青碎石为4000MPa;黄仰贤[2]

也推荐了沥青混合料的动态模量常用范围.

通过沥青混合料在动态荷载条件下的间接拉伸实验,在本研究中,研究了沥青混合料的动态模量,

得出了沥青混合料劈裂动态模量回归模型和推荐值[1]

.采用回归模型进行计算,得到动态模量大约为3000MPa,这与国内外已有研究成果中动态模量推荐值接近.因此,取沥青混合料动态模量为3000MPa,沥青碎石动态模量的取值为2500MPa .2.2　其他材料动态模量

在国外,采用的土基回弹模量大约为30～100MPa [2,3]

,本研究中取土基回弹模量为50MPa .同时为便于结构分析,不同路面结构的土基模量取值一致.对于级配碎石、砂砾等未处治粒料的回弹模量,级配碎石和砂砾模量的取值分别为200,150MPa .

根据动态模量常用范围[2]

,取水泥稳定类基层和二灰稳定类基层的动态模量为6900MPa .王旭东[4]

认为:水泥剂量为6%的水泥稳定类基层和水泥剂量为4%的水泥稳定类基层的动态模量值相差约1.1～1.8倍.考虑水泥剂量的差异,5%水泥剂量的水稳基层取值为6300MPa .而比较透水性水泥稳定碎石基层和常规水稳基层,后者更密实,强度更高,因而取透水性水泥稳定碎石基层动态模量为6000MPa .同时,对于采用相同材料的底基层,考虑到材料配比、施工要求的差异,其动态模量比相应材料的基层模量低.结合国内外的研究成果,取水泥稳定碎石和二灰稳定碎石类底基层动态模量为5000MPa 、二灰土类为3450MPa 、石灰土类底基层为2000MPa .

3　路面力学计算模型

3.1　荷载条件

目前,在路面计算中,大多采用的是圆形均布荷载形式,但有关研究人员[5,6]

认为:①路面和轮胎之间接地形状不完全是圆形,更大程度上表现为矩形,且随着荷载增大而益发趋向于矩形;②作用力分布也不是均匀的,随荷载的增加及胎压的不同发生很大的变化;③轮胎花纹形式的多样性也决定了接触应力的非均布特点.因此,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.

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5　第1期 谢　军,等:重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析