重載交通大中修瀝青路面結(jié)構(gòu)受力影響分析

趙恒博，陳修輝，邱 寧

（青島理工大學琴島學院，山東青島266106）

隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，一些重要干線公路交通量及大型車輛劇增，造成道路的病害增多，使用質(zhì)量快速下降。隨之出現(xiàn)了大量的瀝青路面需要進行大、中修。但是實踐中發(fā)現(xiàn)一些大、中修工程雖按照要求設(shè)計、施工，但正常通車使用后，局部仍陸續(xù)出現(xiàn)各種不同程度的病害[1-2]。通過對青島某重載交通公路（以下簡稱該工程）進行實地調(diào)研、檢測與統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件Bisar，將荷載對路面結(jié)構(gòu)受力顯著性影響分析進行了以下幾方面數(shù)值模擬：1）軸載對路面結(jié)構(gòu)層形變量的影響；2）軸載對瀝青混合料層層底拉應(yīng)變的影響；3）軸載對瀝青混合料層最大剪應(yīng)力的影響。并根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果提出相應(yīng)的方案修改措施，從而使路面達到耐久性要求[3-4]。

1 模型建立

目前我國瀝青路面的設(shè)計方法是基于彈性層在雙圓豎向分布力作用下的理論，路面整體剛度控制指標是路面彎沉情況。此外高等級道路還應(yīng)驗證瀝青混凝土表層，半剛性材料基層以及次基層所受的拉應(yīng)力[5-6]。

采用Bisar軟件定性對該工程路面結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的應(yīng)力和形變變化情況進行分析，力學響應(yīng)計算點位置如圖1所示。

圖1 力學響應(yīng)計算點位置圖示

計算所用各參數(shù)取值如表1所示，不同荷載對應(yīng)的荷載壓力和荷載半徑如表2所示：

表1 各參數(shù)取值范圍

表2 不同軸重接地壓力和荷載半徑的關(guān)系

由表1、2可知，輪胎接地壓力和荷載半徑均隨軸重的增加呈線性增大的趨勢，該工程路段作用的最大輪胎接地壓力為標準胎壓的1.6倍。

2 軸載對路面結(jié)構(gòu)受力顯著性影響

2.1 軸載對路面結(jié)構(gòu)層形變量的影響

結(jié)合實測單軸軸重，擬定四個軸載分別為80kN、100kN、160kN、200kN，利用 Bisar軟件對路面各結(jié)構(gòu)層的形變量進行計算[7]，計算結(jié)果匯總于圖2：

圖2 軸載對形變量的影響

由圖2可知：各結(jié)構(gòu)層變形隨軸載增加呈線性增加趨勢，且最大軸載作用下路面變形約為標準荷載作用下路面形變量的2倍。

2.2 軸載對瀝青混合料層層底拉應(yīng)變的影響

擬定四個軸載分別為 80kN、100kN、160kN、200kN，利用Bisar軟件對路面瀝青層層底拉應(yīng)變進行計算，計算結(jié)果如表3和圖3所示：

表3 不同荷載下路面瀝青層層底拉應(yīng)變計算結(jié)果

圖3 軸載對瀝青層層底拉應(yīng)變的影響

由表3和圖3可知，瀝青層層底拉應(yīng)變隨軸載增加呈線性增加趨勢，且最大軸載作用下瀝青層底拉應(yīng)變?yōu)闃藴屎奢d作用下瀝青層底拉應(yīng)變的1.1倍。在模量一定，即結(jié)構(gòu)層使用材料確定，瀝青層底拉應(yīng)力的變化趨勢和幅度與瀝青層底拉應(yīng)變的變化是一致的。

2.3 軸載對瀝青混合料層最大剪應(yīng)力的影響

理論研究顯示面層是剪應(yīng)力作用的主要集中區(qū)域，本次擬定四個軸載分別為80kN、100kN、160kN、200kN，利用Bisar軟件對罩面層層底最大剪應(yīng)力的變化進行計算[8-9]，計算結(jié)果如表4和圖4所示：

表4 不同荷載下罩面層層底剪應(yīng)力計算結(jié)果

圖4 軸載對罩面層層底最大剪應(yīng)力的影響

由表4和圖4可知，瀝青罩面層層底最大剪應(yīng)力隨軸載增大線性增加。且最大軸載作用下瀝青罩面層底剪應(yīng)力為標準荷載作用下瀝青罩面層底剪應(yīng)力的1.7倍。故在重載交通狀況下，剪切疲勞破壞更容易發(fā)生。

由以上力學計算分析可知，瀝青層的形變量、瀝青層底的拉應(yīng)變和拉應(yīng)力、罩面層層底最大剪應(yīng)力均隨著荷載的增大而呈線性增加的趨勢。瀝青結(jié)構(gòu)層在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力及豎向變形的綜合作用下，超出標準軸重的載荷導致路面破壞的幾率將大大增加[10]。

3 結(jié)語

該工程路段病害主要表現(xiàn)形式為推移擁包破壞，尤其是上坡路段和小半徑曲線段路面病害發(fā)生在行車道與硬路肩相交位置。查閱分析了該工程路段設(shè)計、施工及驗收的各方數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示滿足規(guī)范要求，整體施工處于可控狀態(tài)。通過對病害發(fā)生的時間段及位置實地調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，病害的產(chǎn)生與重載車通行呈顯著的相關(guān)性，結(jié)合以上數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，各結(jié)構(gòu)層變形和最大剪應(yīng)力均隨軸載增加呈線性增加趨勢，且最大軸載作用下路面變形約為標準荷載作用下路面變形量的2倍，可見超載是路面破壞的重要原因。同時，公路上行駛的汽車超載、超限嚴重，大量重載車的行駛造成行駛速度大大降低，延長了軸載對路面的作用時間，對路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的應(yīng)力和應(yīng)變等產(chǎn)生影響，這從另一方面加劇了車轍的產(chǎn)生，從而加速了路面的早期破壞。此外，雙向兩車道設(shè)計的二級公路段，重載超載車輛為了避讓正常行駛的小車，大部分靠行車道右側(cè)行駛，尤其是上坡路段和小半徑曲線段，多呈貼邊側(cè)、渠化、慢速行駛，這是引起絕大部分路面病害發(fā)生在行車道與硬路肩相交位置的主要因素。