基于實(shí)測(cè)輪載和層間界面的瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)

劉卓銳

（武漢工程大學(xué) 湖北省武漢市 430070）

1 緒論

目前，世界各國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范大多采用圓形均布荷載來(lái)模擬車輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)的荷載，并且假定各結(jié)構(gòu)層層間均為完全連續(xù)。在我國(guó)的設(shè)計(jì)規(guī)范中，以瀝青路面表面回彈彎沉值和瀝青混凝土層底拉應(yīng)力、半剛性及剛性材料基層拉應(yīng)力為設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)。據(jù)研究，輪胎本身的結(jié)構(gòu)性、輪胎的充氣壓力、車輛負(fù)載以及輪胎外表面的不規(guī)則性和凸凹性等，均會(huì)導(dǎo)致車輛荷載作用下輪胎接地壓力也表現(xiàn)為不規(guī)則性。另一方面，由于瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的原材料、施工質(zhì)量控制的不同，會(huì)導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層層間粘附性較差，無(wú)法達(dá)到理想的完全連續(xù)狀態(tài)。

我國(guó)現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法在車輛荷載不太大，車輛運(yùn)行速度不高的情況下，基本是合理的。然而隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高和交通條件的改善，車速不斷提高、車輛荷載不斷增加、輪胎的外表面形狀不斷改進(jìn)，使用垂直均布荷載來(lái)模擬車輛行駛過(guò)程中路面結(jié)構(gòu)受到的荷載與路面受到的實(shí)際荷載間的差距越來(lái)越大，逐漸不能滿足研究的需要。因此，本文中提出一種考慮實(shí)測(cè)輪載和層間界面的瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)方法，采用ANSYS對(duì)路面的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，以達(dá)到較好的路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)。

2 現(xiàn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)

本文依托于武漢地區(qū)某新建二級(jí)瀝青道路，在本次分析中，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道累計(jì)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸載同行次數(shù)NE經(jīng)計(jì)算為116萬(wàn)次，公路等級(jí)系數(shù)AC取為1.1，面層類型系數(shù)AS取為1.0，路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)AB取為1.0。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTD D50—2006）可以計(jì)算得：

（1）瀝青路面結(jié)構(gòu)層表面的路面設(shè)計(jì)彎沉值為42.64（0.01mm）；

（2）瀝青路面結(jié)構(gòu)層第一層底面的容許拉應(yīng)力為0.68（MPa）；

（3）瀝青路面結(jié)構(gòu)層第二層底面的容許拉應(yīng)力為0.56（MPa）；

（4）瀝青路面結(jié)構(gòu)層第三層底面的容許拉應(yīng)力為0.45（MPa）；

（5）路面結(jié)構(gòu)基層的容許拉應(yīng)力為0.408（MPa）；

（6）路面結(jié)構(gòu)底基層的容許拉應(yīng)力為0.340（MPa）。

同時(shí)滿足彎沉和拉應(yīng)力兩項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)即為合理的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)。采用HPDS路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，以我國(guó)普遍采用的較為經(jīng)典的半剛性路面結(jié)構(gòu)為分析對(duì)象，其具體的路面結(jié)構(gòu)形式以如下所示：

按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51—2009）和《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2010）中規(guī)定的方法在規(guī)定的溫度下分別測(cè)定半剛性材料和瀝青混合料的抗壓回彈模量以及劈裂強(qiáng)度。泊松比參考美國(guó)SHRPLTPP中推薦值，各材料的密度均參考相關(guān)資料后擬定而成，其材料參數(shù)具體如表1所示。

表1 半剛性基層瀝青路面典型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

利用軟件bisar3.0，采用彈性層狀力學(xué)，對(duì)其路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算。計(jì)算在雙圓均布荷載作用下該路面結(jié)構(gòu)的彎沉、層底拉應(yīng)力。在本分析中選用雙圓均布荷載，即我國(guó)規(guī)范中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100的輪載P0=100/4kN，p=700kPa，代入得到相應(yīng)的當(dāng)量圓直徑為d=0.213m。層間接觸分別考慮完全光滑和完全接觸兩種情況。在計(jì)算中，選取當(dāng)量圓的中心，考慮不同的結(jié)構(gòu)深度，計(jì)算其表面彎沉和路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力。

對(duì)于當(dāng)量圓圓心的點(diǎn)，在兩種不同的層間接觸下，路面結(jié)構(gòu)在均布荷載作用下的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)（表面回彈彎沉和各結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力）如表2所示。

表2 不同層間狀態(tài)下實(shí)測(cè)輪載載作用中心點(diǎn)的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)

對(duì)于該半剛性瀝青路面，利用彈性層狀理論體系，依托BISAR驗(yàn)算其代表點(diǎn)的路表彎沉值、半剛性基層層底拉應(yīng)力和瀝青面層的層底拉應(yīng)力?？芍O(shè)計(jì)的瀝青路面彎沉及層底拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。從分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，層間粘結(jié)狀況也影響瀝青路面的路表彎沉值。層間不連續(xù)或分離時(shí)，瀝青路面路表彎沉值也會(huì)增加。

3 ANSYS有限元模擬

3.1 有限元模型的建立

根據(jù)資料[1]可知，對(duì)于靜態(tài)問(wèn)題，當(dāng)土基的厚度取值大于6m時(shí)，兩者的撓度相當(dāng)。同時(shí)，在一般情況下，可以將路面結(jié)構(gòu)視為半無(wú)限彈性層狀結(jié)構(gòu)體系，但是由于在有限元計(jì)算中，只能將土基的厚度取一定的尺寸。因此，結(jié)合本分析實(shí)際，考慮到模型太大會(huì)消耗過(guò)多的內(nèi)存和時(shí)間，在不影響結(jié)果精確度的情況下，模型的寬度和長(zhǎng)度統(tǒng)一采用4m，土基的深度取為6m，瀝青面層厚度從上往下分別取4cm，6cm，8cm，基層的厚度取38cm，底基層的厚度取17cm。模型的邊界條件包括位移邊界條件和荷載條件。

有限元模型單元采用八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)三個(gè)自由度的solid45單元和四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)自由度的plane42單元。模型采用Booleans命令保證層間完全連續(xù)或?qū)娱g完全光滑，網(wǎng)格劃分時(shí)采用映射網(wǎng)格劃分方式。

3.2 模型的約束條件

模型的邊界條件包括位移邊界條件和荷載條件。

在車輛行駛在道路中央的時(shí)候，車輛荷載對(duì)于道路的兩側(cè)和兩端基本上沒(méi)有太大的影響?；谶@種情況，可以將其相應(yīng)方向的位移進(jìn)行約束，對(duì)路面的底部采用固定約束；在道路表面與輪胎接觸的范圍內(nèi)添加實(shí)測(cè)荷載，并將荷載傳遞至土基底部，添加實(shí)測(cè)輪載之后路面結(jié)構(gòu)模型示意圖如圖1所示。

圖1

3.3 結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

對(duì)于實(shí)測(cè)輪載作用的中心點(diǎn)。由于實(shí)測(cè)輪載的中間沒(méi)有點(diǎn)，只有中間兩側(cè)的點(diǎn)，故可取其平均值及X坐標(biāo)為0.173處進(jìn)行比較。在兩種不同的層間接觸下，路面結(jié)構(gòu)在實(shí)測(cè)輪載作用下的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)（表面回彈彎沉和各結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力）如表3所示。

表3 不同層間狀態(tài)下實(shí)測(cè)輪載載作用中心點(diǎn)的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)

由表3計(jì)算結(jié)果可知，在輪載作用的范圍內(nèi)，瀝青面層都是受到壓應(yīng)力的，而基層和底基層受到拉應(yīng)力。當(dāng)層間界面相同時(shí)，實(shí)測(cè)輪載作用下，基層和底基層受到的拉應(yīng)力值更大：當(dāng)輪載的分布情況相同時(shí)，若路面結(jié)構(gòu)層之間為完全光滑時(shí)，基層和底基層受到的拉應(yīng)力值更大。

半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在實(shí)測(cè)輪載的作用下，考慮層間界面，利用有限元分析法ANSYS計(jì)算所設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值和結(jié)構(gòu)層底彎拉應(yīng)力與BISAR的計(jì)算結(jié)果相近，所以其瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度是合理的。利用ANSYS軟件，采用八個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)三個(gè)自由度的solid45單元和四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)自由度的plane42單元，模型采用Booleans命令可很好的模擬路面在實(shí)際輪載作用下的各項(xiàng)力學(xué)響應(yīng)。

4 結(jié)論

本文依托于武漢地區(qū)某新建二級(jí)瀝青道路，選取較為經(jīng)典的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)兩種分析方法：即雙圓垂直均布荷載利用彈性層狀體系理論和基于實(shí)測(cè)輪載和層間界面利用有限元法。

分別驗(yàn)算路表彎沉值和結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力。并由此進(jìn)行考慮非均布輪載和層間界面特性的路面結(jié)構(gòu)厚度設(shè)計(jì)優(yōu)化。本文可以得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)應(yīng)力而言，由上述計(jì)算可知，在輪載作用的范圍內(nèi)，瀝青面層都是受到壓應(yīng)力的，而基層和底基層受到拉應(yīng)力。當(dāng)層間界面相同時(shí)，實(shí)測(cè)輪載作用下，基層和底基層受到的拉應(yīng)力值更大：當(dāng)輪載的分布情況相同時(shí)，若路面結(jié)構(gòu)層之間為完全光滑時(shí)，基層和底基層受到的拉應(yīng)力值更大。

（2）層間粘結(jié)狀況也影響瀝青路面的路表彎沉值。層間不連續(xù)或分離時(shí)，瀝青路面路表彎沉值也會(huì)增加。