荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

楊三強(qiáng)，劉娜，張帥，杜二霞

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.河北大學(xué) 人事處，河北 保定 071002)

?

荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

楊三強(qiáng)1，劉娜2，張帥1，杜二霞1

(1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 保定 071002；2.河北大學(xué) 人事處，河北 保定 071002)

通過(guò)分析荒漠地區(qū)惡劣自然環(huán)境下的重荷載交通瀝青路面使用狀況，采用有限元分析，提出了采用路面性能指數(shù)PCI、路表面彎沉與路面車(chē)轍作為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)；得出了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)受力分布.結(jié)果表明：不同軸載作用下路表最大豎向變形與軸載近似成線性關(guān)系，隨著軸載的增大，最大豎向變形逐漸增大；路表最大拉應(yīng)力以輪軸線呈現(xiàn)對(duì)稱分布；路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力隨著深度增加而增大，在距路表5 cm處剪應(yīng)力達(dá)到峰值.研究成果可為荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的理論支撐與技術(shù)指導(dǎo).

耐久性；瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；力學(xué)分析

瀝青路面的損壞類(lèi)型是多種多樣且難以控制的，各損壞類(lèi)型也對(duì)瀝青路面的使用性能產(chǎn)生著不同性質(zhì)和不同程度的影響，因此，當(dāng)對(duì)瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，就不能像其他一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)那樣，選用單一的臨界狀態(tài)和設(shè)計(jì)指標(biāo).中國(guó)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，往往把路面彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，但路面彎沉是一個(gè)具有綜合性質(zhì)的指標(biāo)，不能夠準(zhǔn)確反映出其所控制的層次或損壞類(lèi)型.一般認(rèn)為，路面的彎沉主要來(lái)源于路基，但對(duì)道路進(jìn)行實(shí)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，這一說(shuō)法缺乏一定的實(shí)用性.基于此，進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)力學(xué)分析具有及其重要的意義.

1 荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想與方法

以路面性能為依據(jù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，能夠綜合考慮影響路面性能的各種因素和路面的損壞狀況.在眾多的路面損壞類(lèi)型中，車(chē)轍是一種普遍存在的損壞，且與荷載重復(fù)作用有著密切的關(guān)系，是進(jìn)行結(jié)構(gòu)定量設(shè)計(jì)時(shí)所應(yīng)考慮的主要變形類(lèi)因素.本研究采用按照性能設(shè)計(jì)、力學(xué)驗(yàn)算的思想，結(jié)合基于性能和力學(xué)的方法，采用的設(shè)計(jì)指標(biāo)為：1)路面性能指數(shù)PCI；2)路表面彎沉；3)路面車(chē)轍.

2 耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)模型參數(shù)的選取

在荒漠區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)組合類(lèi)型的基礎(chǔ)上，結(jié)合荒漠區(qū)晝夜溫差大、日照時(shí)間長(zhǎng)、夏季高溫少雨、冬季寒冷干燥、季節(jié)性冰凍等環(huán)境特點(diǎn)，依照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)中關(guān)于結(jié)構(gòu)層模量和厚度的相關(guān)規(guī)定，選取的荒漠區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

選用的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)模型基本參數(shù)為：行車(chē)方向定為x方向，路面橫向定為y方向，垂直于路面向上為z方向，且模型的長(zhǎng)度、寬度和深度都取6 m.利用有限元對(duì)模型進(jìn)行分析，選取的單元體為8節(jié)點(diǎn)的六面體，且假設(shè)在單元體底面只有z方向存在位移，表層是自由面，層間接觸狀態(tài)為連續(xù),如圖1所示.

3 耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)輪胎作用形式分析

經(jīng)實(shí)地觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)輪胎作用于瀝青路面而產(chǎn)生的接觸面形狀及作用于瀝青路面的壓力是極其復(fù)雜的，且接觸面形狀與矩形更加接近.基于此，本文所采用的輪胎與瀝青路面接觸面模型為由2個(gè)半徑為0.3L的半圓和長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)、0.6L的矩形組成，如圖2所示.

a.瀝青路面結(jié)構(gòu)模型;b.網(wǎng)格劃分模型.圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分有限元模型Fig.1 Finite element model of asphalt pavement structure and after meshing

圖2 荷載接觸面積模型Fig.2 Load contact area model

由圖3可得，該形狀的面積為

A0=π×(0.3L)2+0.4L×0.6L,

(1)

(2)

等效矩形的長(zhǎng)度為

(3)

在進(jìn)行瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)彈性層狀體系設(shè)計(jì)理論，將雙輪中心距定義為3倍的軸載接地面當(dāng)量圓半徑，理論研究發(fā)現(xiàn)，雙輪中心距與軸載之間存在相關(guān)性，其關(guān)系式為ds=0.98Ps+274dd=0.98Pd+274,其中ds、dd代表后軸雙輪中心距，Ps、Pd是軸載，如圖3所示.

a.雙輪中心距關(guān)系;b.額定軸載關(guān)系.圖3 雙輪中心距與額定軸載關(guān)系Fig.3 Wheel center distance and the rated axle load diagram

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究采用表2中數(shù)值.

表2 載重車(chē)輛后軸雙輪中心距計(jì)算值

進(jìn)行接地壓力的實(shí)測(cè)，從其測(cè)試的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)軸載增加的時(shí)候，輪胎的接地壓力急劇增加，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3所示.

表3 輪印和輪壓的取值

4 不同軸載作用下路面力學(xué)響應(yīng)分析

4.1 路表豎向變形分析

4.1.1 路表最大豎向變形分析

路面的彎沉是指豎向變形在路基及路面結(jié)構(gòu)處的總和，結(jié)合荒漠區(qū)道路交通荷載等級(jí)狀況，選取軸載100～300 kN，并在該軸載范圍內(nèi)，對(duì)不同軸載作用下的瀝青路面豎向變形進(jìn)行分析，可得不同軸載下的路面彎沉關(guān)系圖，如圖4.

圖4 不同軸載作用下路表豎向變形Fig.4 Vertical deformation curve of the road surface under different axle loads

從圖4得到，隨著軸載的增大，路面最大豎向變形也呈上升趨勢(shì).當(dāng)軸載為276.8 kN時(shí)，路表最大豎向變形變成標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的2.73倍，且軸載和路面最大豎向變形可近似看成是線性關(guān)系；在相同的軸載作用下，最大豎向變形出現(xiàn)在雙輪荷載作用處.路面彎沉是瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的表征，隨著彎沉值的增大，路面結(jié)構(gòu)的剛度也會(huì)降低，路面的使用壽命也會(huì)縮短.

4.1.2 路表豎向變形變化趨勢(shì)

圖5給出了不同軸載下路面豎向變形沿橫向、縱向變化趨勢(shì).圖6給出了路面表面豎向變形云圖.

a.橫向變形曲線;b.縱向變形曲線.圖5 不同軸載作用下路表豎向沿橫向及沿縱向變形曲線Fig.5 Relationship curve of vertical deformation of road surface

圖6 路表豎向變形云圖Fig.6 Road table vertical deformation nephogram

由圖4、圖5、圖6可知,瀝青路面表面最大豎向變形出現(xiàn)荷載作用位置處，并向四周同比例擴(kuò)散，豎向變形以輪軸線呈現(xiàn)對(duì)稱分布.

4.2 路面結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力分析

4.2.1 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)力分析

引起路面結(jié)構(gòu)層發(fā)生疲勞破壞的因素很多，其中路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大拉應(yīng)力、拉應(yīng)變是最重要的因素，因此，對(duì)不同軸載下的路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的最大拉應(yīng)力及拉應(yīng)變進(jìn)行分析是非常有必要的.經(jīng)研究得到在選取的軸載范圍內(nèi)，不同軸載下的路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變的變化規(guī)律，如圖7所示.

a.最大拉應(yīng)力曲線;b.最大拉應(yīng)變曲線.圖7 不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)力及最大拉應(yīng)變Fig.7 Maximum tensile stress and tensile strain of pavement structure under different axle loads

從圖7可得，隨著軸載的增大，結(jié)構(gòu)層內(nèi)的最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變都成上升趨勢(shì)，當(dāng)軸載達(dá)到276.8 kN時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)最大拉應(yīng)力達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)軸載下的2.83倍.

4.2.2 路面拉應(yīng)力分布

最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置坐標(biāo)如表4.

表4 最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置

對(duì)表4進(jìn)行分析，可知最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置均在路面表面處，且在荷載作用的邊緣位置.如圖8所示，拉應(yīng)力以輪軸線或其垂線對(duì)稱分布且最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在A處.

4.3 路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)剪應(yīng)力分析

4.3.1 路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力分析

如圖9所示，隨著軸載的逐漸增大，瀝青路面面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力也呈上升趨勢(shì).因此可以得出，當(dāng)路面處于重載車(chē)輛作用下時(shí)，很容易發(fā)生剪應(yīng)力破壞.

圖9 不同軸載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)最大剪應(yīng)力Fig.9 Maximum shear stress of pavement structure under different axle loads

4.3.2 路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置坐標(biāo)如表5.

表5 最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置

由表5可知，隨著輪載的增大，瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)剪應(yīng)力隨之增大.當(dāng)軸載較大時(shí)，剪應(yīng)力影響范圍更大.

4.3.3 路面剪應(yīng)力分布

圖10給出了在選取的軸載范圍內(nèi)，不同軸載作用下剪應(yīng)力隨深度方向變化曲線及剪應(yīng)力沿深度方向擴(kuò)散云圖.

a.剪應(yīng)力隨深度方向變化曲線;b.剪應(yīng)力隨深度方向擴(kuò)散云圖.圖10 不同軸載作用下剪應(yīng)力隨深度方向變化曲線及其擴(kuò)散云圖Fig.10 Variation and diffusion cloud of shear stress with depth in different axial loads

分析圖10可以得到，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力先是隨著其深度的增加而逐漸增大，且最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在了路表5 cm深度處，隨后，便開(kāi)始減小.

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)荒漠地區(qū)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)病害調(diào)查、典型瀝青路面結(jié)構(gòu)組合使用性能分析，采用現(xiàn)場(chǎng)路面荷載數(shù)據(jù)分析與有限元仿真分析，提出了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，得到了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分布規(guī)律，其研究結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)比分析傳統(tǒng)力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法與單一路用性能設(shè)計(jì)理念，提出了采用按性能設(shè)計(jì)、按力學(xué)驗(yàn)算的思想，將基于性能的方法和基于力學(xué)的方法結(jié)合起來(lái)，采用路面性能指數(shù)PCI、路表面彎沉與路面車(chē)轍作為西北荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo).

2)分析得到，不同輪載作用下路表最大豎向變形與軸載近似成線性關(guān)系，隨著軸載的增大，最大豎向變形逐漸增大；同一軸載作用下，雙輪荷載作用位置處最大豎向變形最大，當(dāng)軸載為276.8 kN時(shí)，路表最大豎向變形是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的2.73倍.

3)研究表明，路表面最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在路表，且出現(xiàn)在荷載作用邊緣，拉應(yīng)力以輪軸線或其垂線對(duì)稱分布.

4)分析發(fā)現(xiàn)，隨著軸載的逐漸增大，瀝青路面面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力也呈上升趨勢(shì).表明當(dāng)路面處于重載車(chē)輛作用下時(shí)，很容易發(fā)生剪應(yīng)力破壞.

5)研究得到，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力先是隨著其深度的增加而逐漸增大，且最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在了路表5 cm深度處，隨后，便開(kāi)始減小.

[1] 畢玉峰,孫立軍.瀝青混合料抗剪試驗(yàn)方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,33(8):1036-1040.DOI:10.3321/j.issn:0253-374X.2005.08.009.

BI Y F,SUN L J.Research on shear test method of asphalt mixture[J].Journal of Tongji University,2005,33(8):1036-1040.DOI:10.3321/j.issn:0253-374X.2005.08.009.

[2] 彭勇，孫立軍，王元清，等.瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響因素.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，37(2)：330-333.DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.02.029.

PENG Y,SUN L J,WANG Y Q,et al.Influence factors of shear strength of asphalt mixture[J].Journal of Southeast University，2007，37(2):330-333.DOI:10.3321/j.issn:1001-0505.2007.02.029.

[3] 蘇凱,孫立軍,王永新,等.行車(chē)荷載及路面結(jié)構(gòu)對(duì)車(chē)轍影響的有限元分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(2):187-192.DOI:10.3321/j.issn:0253-374X.2007.02.009.

SU K,SUN L J,WANG Y X.Mechanics analysis of loads and pavement structure type to asphalt pavement rutting by 3d finite element method[J].Journal of Tongji University,2007,35(2):187-192.DOI:10.3321/j.issn:0253-374X.2007.02.009.

[4] 李峰,孫立軍.基層模量對(duì)瀝青路面力學(xué)性能的影響分析[J].公路交通科技,2006,23(10):41-43.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.10.010.

LI F,SUN L J.Analysis of the influence of base course modulus on the mechanics performance of asphalt pavement[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2006,23(10):41-43.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.10.010.

[5] 李峰,孫立軍.瀝青路面Top-Down開(kāi)裂成因的有限元分析[J].公路交通科技,2006,23(6):1-4.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.06.001.

LI F,SUN L J.Finite element analysis of Top-Down cracking in asphalt pavement[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2006,23(6):1-4.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.06.001.

[6] 胡春華,孫立軍.瀝青路面彎沉修正系數(shù)研究[J].公路交通科技,2005,22(9):66-69.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2005.09.017.

HU C H,SUN L J.Study on correction coefficient of asphalt pavement deflection[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(9):66-69.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2005.09.017.

[7] 胡小弟,孫立軍.輕型貨車(chē)輪胎接地壓力分布實(shí)測(cè)[J].公路交通科技,2005,22(8):1-7.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2005.08.001.

HU X D,SUN L J.Measuring tire contact pressure distribution of light vehicle[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2005,22(8):1-7.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2005.08.001.

[8] 孫立軍,劉黎萍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為方程中材料影響系數(shù)的確定方法[J].公路交通科技,2006,23(12):6-9.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.12.002.

SUN L J,LIU L P.Determination of material influence coefficient in asphalt pavement structural behavior equation[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2006,23(12):6-9.DOI:10.3969/j.issn.1002-0268.2006.12.002.

[9] 楊三強(qiáng),劉濤,馬淑紅,等.干旱荒漠區(qū)路面覆蓋效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)模型研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2013,27(5):76-83.

YANG S Q,LIU T，MA S H,et al.The evaluation index and evaluation model of pavement coverage for arid desert area[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2013,27(5)：76-83.

(責(zé)任編輯：孟素蘭)

Analysis of design index and structural mechanics of durabble asphalt pavement in desert areas

YANG Sanqiang1,LIU Na2,ZHANG Shuai1,DU Erxia1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China; 2.Department of Personnel,Hebei University,Baoding 071002,China)

In this paper,pavement performance index PCI,road surface deflection and pavement rutting are proposed as the design indexes of pavement structure by analyzing the desert region harsh natural environment under heavy load traffic asphalt pavement condition and using finite element analysis.We obtained the durability of the desert region asphalt pavement structure stress distribution.The results showed that different wheel load on road surface and the maximum vertical deformation has an approximate linear relationship.Along with increase of the axial load,the maximum vertical deformation gradually increases.The maximum tensile stress of the road surface is symmetrical distributed with the wheel axis.The shear stress in the pavement structure increases with the increase of depth,and the shear stress recches peak value at 5 cm away from road sorface.The research results can provide theoretical support and technical guidance for the selection and structural design of the asphalt pavement in the desert region.

durability；asphalt pavement；structure design；mechanics analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.06.003

2016-04-07

河北省教育廳自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(ZD2016073)

楊三強(qiáng)(1980—)，男，四川綿陽(yáng)人，河北大學(xué)教授，博士，主要從事路基、路面結(jié)構(gòu)與材料方向研究.E-mail：ysq0999@163.com

U419.91

A

1000-1565(2016)06-0574-09