半剛性基層路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力分析

王燕芳 葉 青 山宏宇

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴州貴陽(yáng) 550081)

0 引言

半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的路面模式是“強(qiáng)基、薄面、穩(wěn)路基”，該路面結(jié)構(gòu)是在較厚的半剛性基層上鋪筑較薄的瀝青面層。我國(guó)的高等級(jí)公路瀝青路面使用壽命普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)年限，短則2年～3年，最多7年～8年就必須進(jìn)行大修。普遍認(rèn)為這與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系［1］。因此本文進(jìn)行了半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的受力分析。

1 模型構(gòu)建

1.1 模型構(gòu)建假設(shè)

本文采用ANSYS軟件對(duì)不同條件下路面的荷載應(yīng)力進(jìn)行分析，文中對(duì)模型構(gòu)建的假設(shè)如下:

1)假定構(gòu)建模型的每層結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體［2］;2)假定每層結(jié)構(gòu)層間豎向連續(xù)并且水平向可自由滑移;3)假定路基的底面固定，側(cè)面與底面垂直并約束其法向位移;4)假定輪胎與路面接觸形狀為矩形，并且路面所受荷載為均布矩形荷載;5)不計(jì)任何結(jié)構(gòu)層自重對(duì)模擬的影響。

1.2 模型構(gòu)建參數(shù)

矩形均布荷載尺寸為18.6cm×19.2cm，軸長(zhǎng)為182cm，軸重分別為25kN，30kN，35kN，40kN，45kN，50kN，單軸四輪雙輪間距為31.4cm，路面寬度為3.75 m。各層結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)取值見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)

2 半剛性基層路面受力模擬

2.1 軸重對(duì)半剛性基層路面的影響

車輛荷載以單軸雙輪為基準(zhǔn)，荷載由25kN變化至50kN，面層參數(shù)見表1;基層厚度20cm，模量1 400MPa;底基層厚度20cm，模量600MPa;路基厚度取值600cm，模量取值40MPa;路基泊松比為0.35，其他結(jié)構(gòu)層泊松比取值0.25。經(jīng)過模擬分析，各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力和頂面的位移隨著車輛荷載的變化曲線見圖1～圖4。

圖1 軸載變化對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

圖2 面層層底應(yīng)力變化圖

圖3 基層層底應(yīng)力變化圖

圖4 基層內(nèi)X方向應(yīng)力變化圖

從圖1分析可知，路面結(jié)構(gòu)層各層層底應(yīng)力隨著軸載加重而呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì)，并且應(yīng)力增加與軸重增大兩者基本呈線性關(guān)系。從圖2，圖3分析可知，路面結(jié)構(gòu)中，面層層底主要承受壓應(yīng)力，基層層底主要承受拉應(yīng)力，隨著軸載加重，基層層底應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。分析圖4可知，基層厚度不變時(shí)，軸載改變但基層層底由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力的位置不會(huì)改變;軸載的增加，會(huì)導(dǎo)致基層承受的荷載越來(lái)越劇烈。因此，超載、重載會(huì)導(dǎo)致道路的加速破壞。

2.2 基層厚度對(duì)半剛性基層路面的影響

建模荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100［3］，面層參數(shù)及泊松比見表1，基層模量取值 1 400MPa，厚度取15cm，20cm，25cm，30cm 四個(gè)可選值;底基層模量取值600MPa，厚度取20cm，25cm，30cm，35cm四個(gè)可選值。經(jīng)過建模模擬，隨道路基層和底基層厚度變化各層層底應(yīng)力及基層內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律見圖5～圖8。

圖5 基層厚度對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

圖6 基層厚度對(duì)基層內(nèi)應(yīng)力的影響

由圖5可以看出，面層和底基層底的應(yīng)力隨著路面基層厚度的增大而有明顯的減小，特別是上面層底，降幅接近35%;下面層和基層層底應(yīng)力隨基層厚度的增加先增大后減小;同時(shí)，在底基層的厚度和基層的厚度組合不合理的情況下，底基層受到的層底拉應(yīng)力會(huì)大于基層層底拉應(yīng)力，這種現(xiàn)象會(huì)極大減小道路的使用壽命。由圖6可知，基層內(nèi)應(yīng)力隨其厚度的增加而逐漸增大，且厚度越大，應(yīng)力變化的速率越快，壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的位置逐漸靠下。

圖7 底基層厚度對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

由圖7可以看出，各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力隨著底基層厚度的增大而出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，其中基層的層底應(yīng)力，降幅最為明顯，超過一半。由圖8可以看出，基層內(nèi)部壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨著底基層厚度的增加而均逐漸減小，壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的分界點(diǎn)即應(yīng)力為0的點(diǎn)隨著底基層厚度增加而距離基層頂面高度越大，并且如果底基層厚度過大，會(huì)出現(xiàn)底基層的層底拉應(yīng)力超過基層層底拉應(yīng)力的現(xiàn)象。

圖9 路基模量對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

圖10 路基模量對(duì)基層內(nèi)應(yīng)力的影響

2.3 路基模量對(duì)半剛性基層路面的影響

建模荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，面層參數(shù)及泊松比見表1;路基厚度取值 600cm，模量取 30MPa，40MPa，50MPa，60MPa，70MPa五個(gè)可選值;底基層厚度取值20cm，模量取值600MPa;基層厚度取值20cm，模量取值1 400MPa。通過建模模擬，隨道路路基模量變化各層層底應(yīng)力及基層內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律見圖9，圖10。

由圖9可以看出，當(dāng)路基模量不斷增加時(shí)，道路的各結(jié)構(gòu)層的層底應(yīng)力不斷減小。同時(shí)，由圖10也可以看出，隨著路基模量的不斷增加，基層內(nèi)應(yīng)力曲線變得平緩，所受到的實(shí)際內(nèi)應(yīng)力逐漸減小。因此，可以通過提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，來(lái)改善半剛性基層路面各結(jié)構(gòu)層的受力狀況，延長(zhǎng)道路的使用壽命。

3 結(jié)語(yǔ)

1)隨著軸載的增長(zhǎng)，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力增加顯著，表明半剛性路面對(duì)交通荷載較為敏感;2)基層和底基層結(jié)構(gòu)層厚度增加，各層應(yīng)力均減小，但需要對(duì)基層和底基層進(jìn)行合理的厚度組合;3)路基模量增加，可以降低各結(jié)構(gòu)層的層底應(yīng)力，同時(shí)可以提高路基的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)道路的使用壽命。

［1］呂彭民.車輛瀝青路面系統(tǒng)力學(xué)分析［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］沙慶林.重載交通長(zhǎng)壽命半剛性路面設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］鄧學(xué)鈞.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.