貧混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

喬琳 曹花麗 江磊

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

目前對(duì)貧混凝土基層瀝青路面的研究主要是針對(duì)于高速公路等高等級(jí)路面，而對(duì)普通路面的研究較少。本文主要研究針對(duì)于二級(jí)公路的貧混凝土基層瀝青路面。

瀝青路面力學(xué)性質(zhì)屬于非線性的粘—彈—塑性體。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文將其視作線彈性層狀體系，并采用BISAR3.0(Bitumen Stress Analysis in Road)程序?qū)β访娼Y(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行分析[1]。

1 模型的建立與基本假定

采用雙圓均布荷載，其中x向?yàn)榈缆沸熊嚪较?，y向?yàn)榈缆窓M斷面方向，z向?yàn)榈缆飞疃确较?。模型建立如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)模型

并作出如下假定[2]:

1)各層都是由均質(zhì)、各向同性的線彈性材料組成，采用彈性模量E和泊松比μ表征;

2)土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，其上的各層厚度均為有限，但水平方向仍為無限;

3)路表作用垂直荷載，荷載與路表面的接觸形狀呈圓形，接觸面上的壓力均勻分布，同時(shí)在下層無限深度處及水平無限遠(yuǎn)處應(yīng)力和應(yīng)變都是零;

4)層間接觸面假定為完全連續(xù)。

2 路面結(jié)構(gòu)選取

選用瀝青面層為3 cm的上面層+4 cm的下面層，貧混凝土基層為20 cm，底基層為水泥穩(wěn)定碎石20 cm，具體結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)表

3 荷載及計(jì)算點(diǎn)位的選取

JTG D50.2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定:路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用雙圓均布豎向荷載作為作用荷載進(jìn)行計(jì)算，輪胎壓力為0.7 MPa，荷載圓半徑為10.65 cm。

應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)位的分布如圖2所示。在XOY水平面內(nèi)，O1點(diǎn)坐標(biāo)為(0，－159.75)，O 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，0)，A 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，53.25)，B 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，106.5)，O2點(diǎn)坐標(biāo)為(0，159.75)，C 點(diǎn)坐標(biāo)為(0，213)，D點(diǎn)坐標(biāo)為(0，266.25)。本文主要對(duì) O 點(diǎn)，A點(diǎn)，B點(diǎn)，O2點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)位置處的應(yīng)力進(jìn)行分析。

圖2 計(jì)算點(diǎn)位分布

4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

4.1 力學(xué)指標(biāo)選取

一般路面設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要關(guān)注疲勞和車轍兩種損壞[3]。其中車轍形成的主要原因是路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力過大，材料內(nèi)發(fā)生剪切滑移，導(dǎo)致路面極易產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍，所以選取剪應(yīng)力作為表征車轍的主要力學(xué)指標(biāo)。而疲勞開裂是由結(jié)構(gòu)層內(nèi)的拉應(yīng)力的重復(fù)作用所致，所以選取拉應(yīng)力作為表征疲勞開裂的主要力學(xué)指標(biāo)[1]。

4.2 剪應(yīng)力分布規(guī)律分析

選取如表1所示的路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)，對(duì)雙圓均布豎向荷載不同作用點(diǎn)位即O點(diǎn)，A點(diǎn)，B點(diǎn)，O2點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。分別計(jì)算剪應(yīng)力在不同點(diǎn)位沿路面深度方向(面層和基層)的分布規(guī)律[4]。

由圖3可知，瀝青面層內(nèi)最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在O2點(diǎn)處，即輪載中心點(diǎn)處。面層內(nèi)剪應(yīng)力基本呈現(xiàn)先增大而后減小的規(guī)律，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在C點(diǎn)處深度3 cm～5 cm范圍內(nèi)，顯然當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)性車轍病害時(shí)，在面層受剪力最大部分3 cm～5 cm的區(qū)域內(nèi)，首先發(fā)生剪切破壞。

圖3 剪應(yīng)力沿路面深度分布規(guī)律

由圖3又可知基層內(nèi)最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在O點(diǎn)處，即輪隙中心點(diǎn)處。各作用點(diǎn)位在基層內(nèi)沿路面深度的分布基本上呈現(xiàn)先減小后增大的規(guī)律，基層頂部與底部受到的剪應(yīng)力都比較大。而最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在基層分別與面層和底基層的接觸部位。

4.3 拉應(yīng)力分布規(guī)律分析

對(duì)雙圓均布豎向荷載不同作用點(diǎn)位即O點(diǎn)，A點(diǎn)，B點(diǎn)，O2點(diǎn)，C點(diǎn)和D點(diǎn)(如圖2所示)的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。分別計(jì)算正應(yīng)力沿路面深度(面層和基層)的分布規(guī)律。

由圖4可知，面層內(nèi)部對(duì)應(yīng)各點(diǎn)沿路面深度方向各計(jì)算點(diǎn)受正應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而不出現(xiàn)拉應(yīng)力，即表示面層結(jié)構(gòu)內(nèi)不會(huì)因彎拉應(yīng)力而出現(xiàn)開裂破壞。壓應(yīng)力的變化趨勢(shì)是逐漸減小，最大值出現(xiàn)在B點(diǎn)位置的面層表面。

圖4 正應(yīng)力在不同接觸狀態(tài)下沿路面深度分布規(guī)律

由圖4又可知，各作用點(diǎn)位在基層內(nèi)沿路面深度正應(yīng)力的分布都是數(shù)值不斷增大，即由壓應(yīng)力逐漸向拉應(yīng)力變化，壓應(yīng)力逐漸減小，拉應(yīng)力逐漸增大，而壓應(yīng)力與拉應(yīng)力的交替部位都是在深度20 cm左右。在基層頂面壓應(yīng)力最大，而基層底部拉應(yīng)力值達(dá)到最大，顯然基層底部最容易出現(xiàn)開裂破壞。

5 結(jié)語

通過計(jì)算分析得出如下結(jié)論:

1)瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮車轍和疲勞，分別用剪應(yīng)力和拉應(yīng)力力學(xué)指標(biāo)來表示。

2)瀝青面層內(nèi)剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在3 cm～5 cm范圍內(nèi)，這一部分容易首先發(fā)生破壞，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)注意。

3)面層與基層兩者接觸部位的剪應(yīng)力都比較大，因此對(duì)于整個(gè)路面結(jié)構(gòu)來說，面層與基層的接觸區(qū)域剪應(yīng)力比較大，會(huì)對(duì)路面的高溫穩(wěn)定性與耐久性產(chǎn)生不利影響，較易產(chǎn)生剪切破壞，易使路面產(chǎn)生車轍、推擠等病害。

4)面層與基層的正應(yīng)力數(shù)值都是逐漸增大的，其中面層內(nèi)拉應(yīng)力最大值在面層底部;基層內(nèi)拉壓應(yīng)力的交替值在深度20 cm左右，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在基層底部。

[1] 馬慶偉.基于層位功能考慮的耐久型瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[2] 于 玲，鐘右鵬，包龍生，等.交叉路口瀝青路面變形病害機(jī)理分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，26(4):709-715.

[3] 陳東鵬，童申家.倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面面層層底拉應(yīng)變分析[J].公路工程，2010，35(1):79-81.

[4] 柳 浩，譚憶秋，宋憲輝，等.瀝青路面基—面層間結(jié)合狀態(tài)對(duì)路面應(yīng)力響應(yīng)的影響分析[J].公路交通科技，2009，26(3):1-6.