淺談重載交通對(duì)瀝青路面早期破壞的力學(xué)分析

朱神吉

摘 要：本文從力學(xué)分析入手，主要從負(fù)載方面針對(duì)性地討論重載車輛對(duì)路面的影響，以闡明當(dāng)下重載交通路面簡單參照國標(biāo)設(shè)計(jì)的不足之處。

關(guān)鍵詞：重載交通；瀝青路面；破壞；力學(xué)分析

中圖分類號(hào)：U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.研究概況

我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)公路瀝青路面設(shè)計(jì)是100kN為基準(zhǔn)雙輪組軸載，各種大小的軸載車輛通過軸載換算公式進(jìn)行換算。在道路上超過標(biāo)準(zhǔn)軸載以及單輪組重載的車輛越來越多，本文著重討論了重載交通的情況，選取幾組超限軸載數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.瀝青路面輪載作用分析

2.1輪載作用計(jì)算圖式

根據(jù)文獻(xiàn)，若以標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100為基準(zhǔn)，其計(jì)算的圖式如圖1所示。先假定軸載與輪壓和接地面積都呈正向關(guān)聯(lián)關(guān)系，圓心距確定為一定值31.95cm，在重載的情況下，此時(shí)計(jì)算采用這種更符合實(shí)際情況的重載圖式，如圖2所示。

2.2輪載對(duì)輪壓以及輪胎接地面積的影響

在此根據(jù)某份比利時(shí)接地面積與軸重的經(jīng)驗(yàn)報(bào)告，推導(dǎo)出以下關(guān)系式，以作為計(jì)算重載作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的參數(shù)：

A為輪胎接地面積，單位為cm2 ；

P為每一個(gè)輪胎的荷載，單位為N；

±70為保證率達(dá)到95%時(shí)的離差范圍值，單位為cm2。

根據(jù)公式，再假定輪載P對(duì)接觸面的作用力是均勻的，圓半徑值為δ，以此可以計(jì)算得出接地壓力 P：P/ πδ2。

3.路面各結(jié)構(gòu)層在重載情況下的力學(xué)計(jì)算分析

3.1路表彎沉

針對(duì)不同的軸載參數(shù)，應(yīng)分別進(jìn)行計(jì)算，得到的路表彎沉值不同，經(jīng)計(jì)算該值與軸載關(guān)系如圖3所示。整個(gè)圖像幾乎呈一條直線，彎沉值￡與軸載 P存在著明顯的正向關(guān)聯(lián)性， 彎沉值增長時(shí)，軸載 P也會(huì)增長，在200kN的情況下， 此時(shí)彎沉值是標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN時(shí)作用下的彎沉值的 2.008倍；而在240kN的情況下，此時(shí)彎沉值是標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的彎沉值的2.53倍。在重載作用下時(shí)，其彎沉值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彎道值的標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)彎沉值是指按標(biāo)準(zhǔn)軸載作用的情況下的計(jì)算所得的路表彎沉值），在宏觀上則表現(xiàn)為坑槽、網(wǎng)裂等早期損壞現(xiàn)象。

3.2 各層拉壓應(yīng)力

遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)軸載的車輛以及單輪組車輛對(duì)于路面破壞明顯。這些車輛會(huì)碾壓面層導(dǎo)致底部產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，而對(duì)上部產(chǎn)生壓應(yīng)力。下部拉應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值，造成面層凹陷開裂破壞。而原本在基層、墊層的拉、壓應(yīng)力隨著深度的增加而減小，并未超過其限值。由于面層的破壞開裂，雨水的滲入，使得基礎(chǔ)、墊層拉、壓應(yīng)力限值降低，無法承受車輛的荷載造成公路結(jié)構(gòu)性的破壞。

針對(duì)不同軸載作用下計(jì)算出路面各結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力值，再加上半剛性基層會(huì)有應(yīng)力擴(kuò)散，所以傳到底基層和土頂層的壓應(yīng)力較小，隨著軸載的增大，其增大的幅度會(huì)越來越小，而面層的壓應(yīng)力會(huì)大得多，壓密變形由此產(chǎn)生。在這種重載交通的情況下，瀝青面層產(chǎn)生壓密變形的現(xiàn)象也就不足為奇了。

3.3剪應(yīng)力

選取距路表不同的縱向深度的點(diǎn)，作為剪應(yīng)力的各個(gè)計(jì)算點(diǎn)，計(jì)算出各點(diǎn)在不同重載的作用下剪應(yīng)力的值，該值與軸載的關(guān)系如圖4所示。根據(jù)圖4分析可知，在不同軸載的情況下，剪應(yīng)力值與縱向深度在一定范圍內(nèi)都呈正向關(guān)聯(lián)性，但當(dāng)?shù)竭_(dá)某一峰值后剪應(yīng)力會(huì)開始逐漸減小，隨著軸載的增大，峰值位置的深度會(huì)加深。例如，當(dāng)在 軸載100kN的情況下，此時(shí)剪應(yīng)力的峰值會(huì)在深 7cm處達(dá)到，而當(dāng)在軸載250kN的情況下，剪應(yīng)力達(dá)到峰值的位置相應(yīng)地增大到了9cm（在標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)，縱向4cm～9cm范圍內(nèi)平均的剪應(yīng)力值為 0.21MPa，而在2.5倍標(biāo)準(zhǔn)軸載作用的情況下，平均剪應(yīng)力值這時(shí)候就提高到了 0.26MPa）。此時(shí)上面層底部和中面層內(nèi)所產(chǎn)生應(yīng)力達(dá)到最大值。在重車載的作用情況下，只要瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度小于其所受的剪應(yīng)力時(shí)，瀝青混凝土就容易產(chǎn)生剪切變形的情況，巨大的負(fù)載通過車輪，往下向兩側(cè)推移，輪跡帶下陷變形，兩側(cè)的瀝青混凝土發(fā)生推擠而向上鼓起，最終導(dǎo)致轍槽等病害的產(chǎn)生。

結(jié)語

對(duì)于重載車輛較多路段的瀝青路面的設(shè)計(jì)，簡單參照國標(biāo)不可取，有必要進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，具體問題具體分析，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以滿足重載交通對(duì)瀝青公路的結(jié)構(gòu)整體剛度、瀝青層或抗疲勞開裂以及抗變形等多個(gè)性能方面的要求，才能有效地應(yīng)對(duì)重載車輛對(duì)瀝青公路的早期破壞情況。

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