水平荷载对沥青路面结构力学响应的影响

水平荷载对沥青路面结构

力学响应的影响汇报人：LY

专业：道路与铁道工程

主要内容

荷载分析及计算模型的建立2

水平荷载对剪应力的影响3

水平荷载对面层表面拉应力的影响4

结论6

水平荷载对路面疲劳性能的影响

5研究背景1

§1 研究背景

·沥青路面的优越性。与水泥砼路面相比，沥青路面以表面平整、无接缝、行车舒适、施工期短、养护维修简便等优点，成为我国高等级公路的主要路面形式。

·病害问题。我国的沥青路面普遍存在着一个问题，早期病害的发生时间比较早，许多高速公路在通车内就出现了大面积的破坏。

主要病害类型有：车辙、波浪、推移、拥包、坑槽等破坏。

·出现病害几率较大的路段。收费站、道路交叉口、长大纵坡、爬坡车道、弯道等。

·从车辆荷载角度，分析原因。车轮荷载是引起路面破坏的主要原因之一。在这些路段以及其他交通拥挤、车辆行驶缓慢的地

方，路面受到车辆水平荷载作用较大。水平荷载作用对沥青路面

结构的应力有很大的影响，特别是对于剪应力的影响。因此，有必要针对这一问题开展深入研究。

§2 荷载分析及计算模型的建立

§2.1 车辆荷载分析

沥青路面所承受的车辆荷载按其作用方向可分为垂直荷载和水平荷载两种。当水平力过大时，水平力和垂直力的综合作用易在路面结构内产生较大剪应力而使沥青混合料内部发生剪切等破坏。

图1 车轮作用于路面的垂直压力和水平力

a)停驻；b）起动、一般行驶、加速；c)减速、制动；d)转向

§2 荷载分析及计算模型的建立

车辆水平荷载的产生车轮滚动时产生水平方向的滚动摩擦力车辆启动、加速、转向、刹车、减

速、停驻等阶段产生的水平阻力

车辆在长大纵坡行驶时的坡度阻力车辆在横向超高路段（如弯道）行驶时产生的离心力

§2 荷载分析及计算模型的建立

§2.2 车辆荷载分布简化模型

我国沥青路面结构设计时将车轮荷载简化为双圆垂直均布荷载作用,大量的实测结果表明轮胎与路面间的接触压力是非均匀分布的,而且接触面的形状也不是圆形,而是接近椭圆形或矩形。

目前公路上行驶货车轮胎的胎面花纹主要有纵向花纹和横向花纹两种。首先根据胎面花纹类型的不同,将接触面简化成图1和图2所示的两种情况。

图2 纵向花纹和横向花纹接触面的简化模型

§2 荷载

分析及计算模型的建立

图3

纵向、横向花纹轮胎接地面内垂直压力分布简化模型

根据轮胎胎面花纹类型的不同,提出一定轮载和胎压下的接触面积内的垂直压力分布,以此作为作用于路表的荷载,用于分析路面结构的响应，见图3。

§2 荷载

分析及计算模型的建立

图4

纵向、横向花纹轮胎接地面内水平压力分布简化模型

考虑水平荷载对路面结构的影响时,水平荷载系数（即水平荷载与垂直荷载的比值）分别取0.1、0.3和0.5。水平荷载作用方向为单向,沿y 轴正向（行车方向），见图4。

§2 荷载分析及计算模型的建立

水平力在接触面积内按照与垂直压力类似的方式分布,如表1。

§2 力学分析及计算模型的建立

§2.3 有限元计算模型

在沥青路面结构分析时,一般假定路面各

层为平面无限大的弹性层,路基为弹性半空间

体。采用有限元计算时,无法将模型的尺寸取

为无穷大,因此宜合理确定其计算模型的尺寸,

使其在保证计算精度的同时,又不增加过多的

计算工作量。结合以往的计算经验,取路基和

路面平面方向的尺寸相等均取为6m,路基深度

也取为6 m(如图3)。用于计算的典型路面结构

层各层材料参数及厚度如表2所示。

图3 有限元计算模型在计算过程中,模型的边界条件为:路基

的一定深度的底面为固定面,路基和路面各层

与路线纵向相平行的面没有x方向的位移,相垂

直的两个面没有y方向的位移,路面各结构层间

为完全连续接触。

§2 力学分析及计算模型的建立

表2 典型路面结构层各层材料参数及厚度

§3 水平荷载对剪应力的影响

§3.1 不同荷载下最大剪应力的峰值及位置

通过有限元后处理得到的云纹图,观察最大剪应力的分布,并找到其峰值的位置。表3列出了不同荷载作用下路面结构内的最大剪应力的峰值及其位置。

可以看到,对于同一路面结构,最大剪应力峰值的位置随荷载的大小和分布形式而变化。当水平荷载较小时,最大剪应力峰值的位置出现在面层表面以下某一深度(如z=3.75 cm)处;当水平荷载较大时,最大剪应力的峰值则出现在面层表面,即z=0。

表3 不同荷载作用下最大剪应力的峰值及其位置

§3 水平荷载对剪应力的影响

水平荷载系数L 分别为0.1、0.3

、0.5时,路面结构内的最大剪应力

随深度的变化曲线如右图。从图中

可以看到当轴载大小相同时,三种水

平荷载系数下产生的最大剪应力仅

在面层10cm 深度的范围内相差较大

。水平荷载系数越大,最大剪应力也

越大,而且最大剪应力峰值越接近路

表面。随着深度的增加,三者产生的

最大剪应力接近相等。计算结果表

明,水平荷载系数为0.5时,最大剪应力峰值在路表。图4 不同大小的水平荷载下最大剪应力随深度的变化

纵向花纹横向花纹