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
§3 水平荷载对剪应力的影响
§3.2 针对剪应力变化特点应采取的措施
根据以上分析，车辆水平荷载对路面受力的影响主要集中在路面结构的上部，路表最大剪应力随水平荷载系数增大而显著增大。

中面层以下结构层交界处受水平荷载影响不大，但上面层和中面层交界处会受到一定影响。

由此可见，对于水平力可能较大的局部路段，应当适当加强上中面层间的结合条件有助于预防因水平力过大而产生结构层滑移等病害。

§4 水平荷载对面层表面拉应力的影响
车辆在路面上行驶时,路面各点的应力状态是相当复杂的,处于拉压应力和应变交替变化的状态。

图6是单轴的动力荷载在面层中产生的辐向应变。

该图表明在单轴荷载作用时,面层表明上的一点当车轮接近时首先受拉,当车轮压在该点的瞬间则受压,随后当车轮离开时再次受拉。

图6 车轮荷载作用下面层表面的辐向应变
各点最大主应力和主应变的变化曲线如图5。

图5 不同荷载作用下面层表面最大主应力和主应变（纵向花纹）
从图中可以看到：
当不考虑水平荷载时,最大主应力和最大主应变均为对称分布,在|y|=0.2m附近出现拉应力和拉应变。

考虑水平荷载时,最大主应力和最大主应变不再是对称分布,不同大小的水平荷载影响也不一样。

表面拉应力对水平荷载非常敏感。

水平荷载系数为0.1时,对最大主应力或最大主应变的影响很小,比只考虑垂直荷载时增加29%。

水平荷载系数为0.5时,y=-0.14 m处(水平荷载作用方向的后端)的拉应力和拉应变急剧增加,其大小是只考虑垂直荷载时的11倍。

因此,受车辆水平荷载较大的路段,面层在拉应力和剪应力的综合作用下,将在表面产生一些裂纹,随着荷载重复作用次数的增加,加上其它自然环境因素的影响,就会逐渐进一步发展成为松散或坑槽等。

路面在使用期间经受车轮荷载的反复作用,致使路面强度逐渐下降。

当荷载重复作用超过一定次数后,在荷载作用下路面内部产生的应力就会超过强度下降后的结构抗力,使路面出现裂纹,从而产生疲
劳断裂破坏。

对于沥青混合料疲劳特性的研究,国内外学者都做了大量的工作。

如:美国著名的SHRP公路战略研究计划把疲劳作为主要研究项目之一,得出了如下回归方程:
式中:为疲劳寿命;为初始应变; 为初始劲度模量,ps;iVFB为
沥青填隙率,%。

我国“七五”期间对沥青混合料疲劳特性也做了专题研究。

对沥青混合料小梁试件进行了弯拉疲劳试验,得出了修正后的沥青混合料疲劳寿命预估方程:
利用前面路表拉应力的计算结果,结合修正后来的疲劳寿命预估方程,对水平力与疲劳寿命之间的关系进行了研究,结果见表4。

从表4计算结果可以看到,相同水平力作用下,轮载大小对疲劳寿命影响不显著,如当水平力为0.5MPa时,轮载从20 kN增加到50 kN,疲劳寿命降低了25倍。

水平力的增加对疲劳寿命的影响非常显著,如轮载为20 kN条件下,水平力从0. 5MPa增加到0.9MPa时,疲劳寿命降低了1351倍。

当轮载为50 kN时,水平力从0. 5MPa增加到0. 9MPa,疲劳寿命降低了151倍。

由此可见,车辆刹车、起动及转向过程中所带来的水平力,对路面造成的疲劳破坏是非常严重的。

表4 不同水平力作用下面层疲劳寿命计算结果
§6 结论
(1)水平荷载的大小对路表面10cm范围内的影响较大。

水平荷载系数越大
,相应的最大剪应力也越大,而且最大剪应力峰值越接近路表面。

随着深度的增加,不同大小的水平荷载产生的最大剪应力接近相等。

对于水平力可能较大的局部路段，适当加强上中面层间的结合条件有助于预防因水平力过大而产生结构层滑移等病害。

(2)车辆荷载作用在路面上,面层表面的点处于拉应力和压应力交替变化
状态,特别是在水平荷载较大时,距离荷载作用面一定距离的表面的点拉应力相当大。

随着荷载作用次数的增加,面层表面可能出现疲劳裂缝。

(3)水平力的增加会极大降低路面的疲劳寿命,在收费站、长陡坡等地段
的沥青路面较水平直线路段的路面更容易出现疲劳破坏。