重載交通對瀝青路面早期破壞的力學(xué)分析

呂 濤 田東軍

0 引言

濟青(濟南—青島)高速公路是貫穿山東的“工業(yè)走廊”，公路于2005年全部完成罩面大修，但多處新修瀝青路面在投入使用后不久，道路面層就出現(xiàn)了裂縫，這種裂縫的出現(xiàn)遠小于路面設(shè)計的疲勞壽命(通常稱之為早期裂縫)。從一些現(xiàn)場鉆芯取樣試件可以看出，早期裂縫通常是從瀝青混合料面層開始的。為了探尋路面早期開裂的成因并制定出控制早期開裂的設(shè)計準則，本文從力學(xué)角度對其進行分析，研究了面層、基層和底基層各自的應(yīng)力狀況以及面層各層的應(yīng)力特點，并分析了其各層的應(yīng)力狀況對路面產(chǎn)生早期破壞的影響。

1 計算參數(shù)的選取

我國現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計的標準軸載是100 kN，規(guī)范提供的軸載換算公式對于軸載的大小均有一定的適用范圍。在濟青高速公路上行駛的軸載大于100 kN的超限車輛數(shù)量較多，且軸載分布范圍大?？紤]重載交通的作用，計算時選取了出現(xiàn)頻率較高的100 kN，130 kN，150 kN，180 kN，200 kN，230 kN，250 kN 等超限軸載。

路面的各結(jié)構(gòu)層的材料按照彈性材料考慮，取彈性模量和泊松比作為主要的參數(shù)[5]。

2 重載作用下路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)計算分析

根據(jù)文獻[1][3][6]，采用 Shell解析法及 Bisar程序進行計算和分析。

2.1 路表彎沉

針對不同的軸載參數(shù)進行計算，得到的路表彎沉值如表1所示。

表1 不同軸載作用下路表彎沉值

圖1表示輪隙中心彎沉值與軸載的關(guān)系，由圖1可以看出彎沉值Ls與軸載P幾乎成直線變化，Ls隨軸載P的增長而增長，當超限100%時，Ls是標準軸載作用下的2.008倍;當超限150%時，Ls是標準軸載作用下的2.53倍。由于重軸載作用下，其彎沉值遠遠大于設(shè)計彎沉值[7](設(shè)計彎沉值是指按標準軸載作用下的計算所得的路表彎沉值)，這容易造成路面出現(xiàn)坑槽、網(wǎng)裂等早期損壞現(xiàn)象。

圖1 輪隙中心彎沉值與軸載的關(guān)系

2.2 層底彎拉應(yīng)力

針對不同軸載作用，計算得到各層的彎拉應(yīng)力值如表2所示。

表2 不同軸載作用下各層層底彎拉應(yīng)力值

圖2表示各層層底拉應(yīng)力值與軸載的關(guān)系，由圖2可以看出各層層底拉應(yīng)力值隨著重軸載的增大而增大，基本呈直線增加，但隨著軸載的增大直線的斜率越來越大。另外，路面的上面層層底、中面層層底以及下面層層底沿水平方向分布的拉應(yīng)力值為負值，即為壓應(yīng)力，基層層底和底基層的拉應(yīng)力值為正值，即為拉應(yīng)力，這說明在荷載的反復(fù)作用下面層產(chǎn)生彎曲和壓縮變形，而基層及基層以下則產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。這樣，在面層與基層接觸面上會產(chǎn)生很強的剪切疲勞作用，容易造成路面的剪切破壞。

圖2 各層層底拉應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

2.3 層頂壓應(yīng)力

針對不同軸載作用下計算路面各結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力值，如表3所示。

表3 不同軸載作用下各層層頂壓應(yīng)力值

圖3表示各層層頂壓應(yīng)力與軸載的關(guān)系，由圖3可以看出各層層頂壓應(yīng)力值隨著重軸載的增大而增大。由于半剛性基層的應(yīng)力擴散作用，壓應(yīng)力傳到底基層和土頂層的較小，且隨著軸載的增大其增大的幅度不是很大，而面層的壓應(yīng)力最大，所以容易產(chǎn)生壓密變形。因此，在重載交通作用下，將加快瀝青面層壓密變形的產(chǎn)生。

圖3 各層層頂壓應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

2.4 剪應(yīng)力

選取距路表縱向深度為2 cm，4 cm，7 cm，9 cm的點作為剪應(yīng)力的計算點，在不同重載的作用下各點剪應(yīng)力計算值如表4所示。

表4 不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值 MPa

圖4表示路面各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值與軸載的關(guān)系。分析可知:1)在每級軸載作用下，剪應(yīng)力值隨著縱向深度的增加而增大，到達某一峰值后剪應(yīng)力逐漸減小，峰值位置的深度隨著軸載的增大而加深，在100 kN軸載作用下剪應(yīng)力在深7 cm處達到峰值，而在250 kN軸載下剪應(yīng)力達到峰值的位置是9 cm。2)在100 kN軸載作用下，縱向4 cm～9 cm范圍內(nèi)平均剪應(yīng)力值為0.21 MPa，而在250 kN作用下，此范圍內(nèi)的平均剪應(yīng)力值為0.26 MPa。3)上面層底部和中面層內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大。

在重車載的作用下，只要瀝青混凝土的抗剪強度小于所受的剪應(yīng)力，瀝青混凝土就容易產(chǎn)生剪切變形，由車輪下向兩側(cè)推移并將兩側(cè)的瀝青混凝土推擠而向上鼓起，同時輪跡帶產(chǎn)生下陷變形，最終導(dǎo)致轍槽等病害的產(chǎn)生。

圖4 路面各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力值與軸載的關(guān)系

3 結(jié)語

通過對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析可以真實反映出在重載交通的作用下，路表彎沉及路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力(層底拉應(yīng)力、層頂壓應(yīng)力、剪應(yīng)力)均隨著重載的增加而發(fā)生較大的變化。其彎沉值遠遠大于設(shè)計值;過大的層底拉應(yīng)力和層頂壓應(yīng)力容易使路面產(chǎn)生較大的彎曲、壓縮、拉伸變形;過大的剪應(yīng)力作用下瀝青混凝土?xí)a(chǎn)生較大的剪切變形。這導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)層的內(nèi)部性能發(fā)生破壞而出現(xiàn)裂縫、凹槽、車轍等宏觀的破壞現(xiàn)象。通過分析可知，重載是造成濟青高速公路新罩瀝青路面出現(xiàn)早期破壞的主要原因。

[1]田冬軍.路面結(jié)構(gòu)極限承載能力分析[D].濟南:山東理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文，2002.

[2]JTJ 014-97，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

[3]鄧學(xué)鈞，陳榮生.剛性路面設(shè)計[M].第2版.北京:人民交通出版社，2005.

[4]劉 穎.重載道路路面設(shè)計方法研究[D].西安:長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2000.

[5]李小虎，汪云峰.重載交通作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析[J].山西建筑，2005，31(5):4-5.

[6]HUANGYH.Pavement analysis and design[M].2nded.NJPearson Prentice Hall，Upper Saddle River，2004.

[7]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京:人民交通出版社，2001:75-98.