城市道路沥青路面结构力学响应分析

定碎石
3 200
1 500
0.20
（计算应力）（计算弯沉）
碎石灰土 石灰土 土基
20 25
1 500 1 500
40
800 0.20
600 0.20
40
0.35
收稿日期：2011- 01- 07 基金项目：住房与城乡建设部科技计划项目（2009- K5- 11） 作者简介：徐 强（1986- ），男 ，山 东 菏 泽 人 ，在 读 硕 士 生 ，研 究 方向：路基路面工程。
柔性 X 坐标 半刚性 复合 基层 /m 基层 基层 67.05 0.2663 44.18 41.12 67.38 0.2929 42.09 38.92 68.90 0.3195 41.03 37.75 70.57 0.3461 40.27 36.93 71.18 0.3728 39.64 36.28 71.26 0.3994 39.09 35.74 70.90 0.4260 38.60 35.27 70.12 0.4526 38.13 34.83 68.89 0.4793 37.68 34.42 67.10 0.5000 37.34 34.12
1.3 计算模式 计算轴载采用我国现行规范标准轴载 BZZ- 100[2]，
双圆垂直均布荷载下层状体系路面结构为计算
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体，具体参数见表 3 所列及图 1 所示。
表 3 标准轴载计算参数一览表
标准轴载 标准轴载 P/kN 轮胎接地压强 p/MPa 单轮传压面当量圆直径 d/cm 双圆中心距 /cm
BZZ- 100 100 0.70 21.30 1.5 d
P=0.70 MPa
表 5 不同结构方案路表弯沉值计算结果一览表（0 .01 mm）
X坐标 半刚性 复合 /m 基层 基层
0.000 0 44.48 41.21 0.026 6 44.77 41.56 0.053 3 46.24 43.11 0.079 9 47.86 44.86 0.106 5 48.47 45.61 0.133 1 48.67 45.91 0.159 8 48.57 45.85 0.186 4 48.18 45.45 0.213 0 47.49 44.68 0.239 7 46.36 43.43
柔性 基层 64.19 61.35 59.53 58.05 56.74 55.55 54.43 53.37 52.33 51.55
本文采用壳牌 设 计 软 件 BISAR3.0 进 行 路 面 结 构 应 力 、应 变 分 析 ，假 定 层 间 完 全 连 续 ，道 路 横 断面方向为 X 方向，行车方向为 Y 方向，路面结 构深度方向为 Z 方向。
（2）弯拉应力高受力区出现在距离轮隙中心约 0.08 m~0.24 m 之间，基本上以单圆荷载中心为中 心，左右两侧各约 1 个荷载圆半径 r=0.106 5 m 范 围内。并且随深度变化看，单圆荷载中心处，受力 最为不利。
（3）在所取得道路计算宽度内，沥青层材料全
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计 算 以 上 三 种 结 构 水 平 面 内 弯 拉 应 变（εx、
εy），并将结果进行三维化处理见图 7~ 图 9 所示。 2.3.2 结果分析
（1）由图 7~ 图 9 可知，所选取三种计算结构 在标准荷载下，水平面内弯拉应变 εx、εy 在三 维空间分布整体相似，其曲面起伏程度及数值大 小有所不同，且与各自结构中结构层厚度相关。
0.159 8
4
0.426 0
1.75
0.186 4
4.25
0.452 6
2
0.213 0
4ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ5
0.479 3
2.25
0.239 7
2 路面结构应力、应变分析
2.1 路表弯沉 2.1.1 计算结果
应用 BISAR3.0 软件计 算 道 路 横 断 面 路 表 面 计算点竖向弯沉值，结果见表 5 所列。
计算以上三种结构竖向应变（εz），并将结果 进行三维化处理见图 10~ 图 12 所示。
2.4.2 结果分析 （1）由图 10~ 图 12 可知，半刚性基层与复合
式基层沥青路面竖向应变空间分布整体上相似， 且随深度增大有逐渐减小趋势；柔性基层与以上 两者相比，除数值整体偏大外，结构下部没有出现 衰减走向。
表 1 济南市部分城市道路结构组合情况一览表
结构材料
道路名称
经六路
舜华路 世纪大道 二环北路
经四路
延长线
3 cm 3 cm
3 cm
细粒式沥青混凝土
-
4 cm
（改性） （改性）
（改性）
中粒式沥青混凝土 5 cm
粗粒式沥青混凝土
沥青稳定碎石
水泥稳定碎石 15 cm
二灰稳定碎石 30 cm
碎石灰土
石灰土
设计时间
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城市道路沥青路面结构力学响应分析
徐 强 1，任瑞波 1,王建光 2，邵玉振 2
（1.山东建筑大学道路工程实验室,山东 济南 250101;2.济南市市政工程设计研究院有限责任公司,山东 济南 250101） 摘 要：针对济南市城市道路常用的三种主要沥青路面结构形式，半刚性基层、复合式基层及柔性基层路面结构，该文采用壳 牌设计软件 BISAR 3.0 计算三种结构沥青路面的应力、应变响应，对各自受力不利形式及空间位置进行对比分析。通过比较， 证 明 ：从 力 学 角 度 分 析 ，复 合 式 基 层 沥 青 路 面 在 各 项 力 学 性 能 均 优 于 半 刚 性 基 层 沥 青 路 面 及 柔 性 基 层 沥 青 路 面 ，推 荐 为 城 市 道路今后主要的结构形式。 关键词：城市道路；沥青路面；半刚性基层；复合式基层；柔性基层；力学响应 中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1009- 7716（2011）05- 0175- 06
（2）沿道路横断面方向看，竖向压应变仍然在 以单圆荷载中心出现最大值，向两侧逐渐减小，在 空间分布中形成 2 个对称的应变盆，由此可以说 明，单圆荷载中心处为路面结构承受竖向变形最 不利位置。
（3）沿道路深度方向看，半刚性基层和复合式 基层沥青路面竖向压应变最大值均出现在沥青层 内，至路基顶面减为最小；柔性基层在沥青层内出 现短暂峰值后，至下部结构时持续增大，路基顶面 压应变较之沥青层峰值明显偏大。
坐标值的半径倍数 X 坐标 /m 坐标值的半径倍数 X 坐标 /m
0
0
2.5
0.266 3
0.25
0.026 6
2.75
0.292 9
0.5
0.053 3
3
0.319 5
0.75
0.079 9
3.25
0.346 1
1
0.106 5
3.5
0.372 8
1.25
0.133 1
3.75
0.399 4
1.5
2005
4 cm 5 cm
16 cm 18 cm
18 cm 2003
5 cm 5 cm 8 cm -
6 cm 6 cm 10 cm 30/32 cm 30 cm -
20 cm 20 cm 25 cm 2001 2002 2005
表 2 三类沥青路面结构及参数方案一览表
材料 名称
半刚性 复合式 柔性 基层 基层 基层 /cm /cm /cm
在双圆均布荷载下 （不考虑轮胎对路面的水 平作用力），最不利的应力应变空间位置必然出现 在 X- Z 平面内。因此在力学分析时，只计算该平 面内的应力、应变及竖向变形[3]。在 X 方向上取 19 个坐标点，见表 4 所列；Z 方向上，将根据具体结 构的差异有所不同。
表 4 路面结构力学计算点 X 坐标分布表[4]
半刚性基层路面路表弯沉的三维分布图及三 种路面结构路表弯沉趋势图见图 2 及图 3 所示。
2.1.2 结果分析 路面弯沉是路基路面结构竖向变形的综合体
现，是反映路面整体刚度的指标： （1）由图 3 可知，三种计算结构路表弯沉在随
X 坐标值分布上总体相似，只是在趋势线的起伏 程度和数值上有所不同，且与各自结构中结构层 厚度相关。
（2）不同路面结构在标准荷载下，其弯沉值的 大小反映了路面结构的承载能力。在济南市城市 道路中，由于复合式基层具有与半刚性基层厚度 相当的无机结合料稳定材料层，其弯沉值稍小。而 柔性基层整体弯沉较大，弯沉盆半径较之另外两
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种结构小。 （3）在双圆垂直均布荷载下，路表最大弯沉值
（2）弯拉应变高应变区出现在距离轮隙中心约 0.08 m~0.24 m 之间，基本上以单圆荷载中心为中 心，左右两侧各约 1 个荷载圆半径 r=0.106 5 m 范
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围内。并且随深度变化看，单圆荷载中心处，变形 最为不利。
（3）半刚性基层单圆荷载下 0.06~0.08 m 深度 之间和复合式基层单圆荷载下 0.06~0.14 m 深度 范围内，处于对路面材料不利的受拉状态，为各自 结构中应变的最不利位置，且半刚性基层中同一 深度处有 εx＞εy；柔性基层弯拉在基层位置出现 短暂峰值，但随深度继续增大有明显增长的趋势。 2.4 竖向压应变 2.4.1 计算结果
出现在单轮中心底部附近。 2.2 水平面内弯拉应力 2.2.1 计算结果
计 算 三 种 路 面 结 构 水 平 面 内 弯 拉 应 力（σx、 σy），并将结果三维化处理，见图 4~ 图 6 所示。 2.2.2 结果分析