不同荷載及胎壓對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響分析

馮 堅,張洪剛,曾俐豪

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.高等級公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)、材料及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心,廣西 南寧 530007)

0 引言

截至2021年年底,我國公路建設(shè)總里程達到了528萬 km,其中高速公路總里程超過16萬 km。由于瀝青路面具有噪音小、揚塵少、易于養(yǎng)護等優(yōu)點,新建各等級公路尤其是高速公路逐步采用瀝青路面替代傳統(tǒng)的水泥路面。但瀝青材料具有明顯的溫度敏感性及粘彈特性,極易在高溫與荷載耦合作用下產(chǎn)生車轍等病害,而且我國現(xiàn)階段交通量劇增、重載超載交通比例逐步升高,進一步加劇了瀝青早期病害的發(fā)生。為保證瀝青路面的長期服役性能,在行車車載不斷加重的現(xiàn)狀下對瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性提出了更高的要求,深入探究不同荷載胎壓條件下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)行為具有現(xiàn)實必要性。

為掌握不同汽車荷載及胎壓對瀝青路面力學(xué)性能的影響規(guī)律,本文設(shè)置了標載標壓、超載標壓、標載超壓等多種作用條件,采用ANSYS有限元軟件模擬分析不同作用條件下瀝青路面的豎向位移、水平及豎向應(yīng)力變化,探究不同層位的力學(xué)響應(yīng)以及不同荷載、胎壓對瀝青路面力學(xué)性能的影響,為后續(xù)不同荷載等級要求的瀝青路面強度設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值模型與參數(shù)

1.1 瀝青路面荷載模型參數(shù)

為了研究不同汽車荷載、胎壓對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,本文基于我國多層彈性體系理論中的圓形均布荷載理論,采用ANSYS有限元軟件模擬路面在不同行車荷載、胎壓下受力情況。設(shè)置不同超載超壓的軸載參數(shù)如表1所示。

表1 不同軸載及胎壓下的荷載參數(shù)表

1.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

路面級配與材料的差異對路面結(jié)構(gòu)受力的影響較大,因此本文以目前國內(nèi)典型的半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)層類型進行厚度、模量、泊松比等參數(shù)設(shè)置,不同結(jié)構(gòu)層參數(shù)設(shè)定參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTD50-2017),詳見表2。

表2 典型半剛性路面結(jié)構(gòu)表

1.3 有限元模型的建立

目前我國的路面計算理論是基于路面各層為平面無限大的彈性層,而路基簡化為彈性半空間體這一假設(shè)體系,但由于采用ANSYS有限元軟件計算時取值愈大其計算難度越高,因此本文基于前人的研究成果與經(jīng)驗,且平衡考慮計算的精度與計算復(fù)雜程度將分析范圍劃為X、Y、Z三軸方向均為4 m。計算采用8節(jié)點等參數(shù)單元,邊界條件假設(shè)為:假設(shè)左右兩側(cè)不存在X軸方向的位移,前后兩側(cè)不存在Y軸方向的位移,底面不存在Z軸方向的位移。如圖1所示。

圖1 三維有限元模型圖

2 模擬結(jié)果力學(xué)分析

2.1 不同層位的力學(xué)響應(yīng)

由于有限元軟件模擬各個瀝青層層位受荷載狀態(tài)下的應(yīng)力、位移數(shù)值繁多,為選擇荷載變化顯著的受載層位并驗證模型模擬效果,對標載標壓下不同層位的豎向應(yīng)力變化趨勢進行分析,將模擬數(shù)值結(jié)果繪制散點圖如圖2所示。

圖2 標載標壓下不同層位的豎向應(yīng)力變化曲線圖

由圖2可知,隨著層位逐步加深其受荷載產(chǎn)生的豎向應(yīng)力呈下降趨勢。圖2中路表所呈現(xiàn)的豎向應(yīng)力與橫向距離的關(guān)系為“深W”變化趨勢,而底基層底豎向應(yīng)力與橫向距離的關(guān)系基本無顯著變化;對比左右輪載最大豎向應(yīng)力數(shù)值大小發(fā)現(xiàn),路表豎向應(yīng)力分別為底基層底豎向應(yīng)力的46.39倍、47.56倍。為了便于后文數(shù)據(jù)分析,采用路表該層位的應(yīng)力數(shù)據(jù)進行研究。

2.2 不同荷載的影響分析

根據(jù)上文所述模型參數(shù)建立有限元模型進行計算,針對不同荷載對路面各層的豎向位移、豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力影響進行分析。

由圖3～5可知:

圖3 不同荷載對路表豎向位移影響曲線圖

(1)路表豎向位移隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,并且在左右輪跡端點其豎向位移達到最大值,100～200 kN應(yīng)力的最大豎向位移分別為0.338 mm、0.400 mm、0.464 mm、0.523 mm、0.583 mm、0.613 mm;其中120～200 kN應(yīng)力下較100 kN應(yīng)力下的最大豎向位移分別增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%。

(2)水平應(yīng)力隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,圖4中路表的水平應(yīng)力與橫向距離所呈現(xiàn)的關(guān)系為“深W”變化趨勢,但不同荷載作用下橫向作用距離輪載中心點越遠其差異越小,其中120～200 kN應(yīng)力下較100 kN應(yīng)力下的最大水平應(yīng)力分別增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%。

圖4 不同荷載對水平應(yīng)力影響曲線圖

圖5 不同荷載對路表豎向應(yīng)力影響曲線圖

(3)豎向應(yīng)力隨荷載遞增呈逐步增大趨勢,其中120～200 kN應(yīng)力下較100 kN應(yīng)力下的最大豎向應(yīng)力分別增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。對比豎向應(yīng)力與水平應(yīng)力數(shù)值大小發(fā)現(xiàn)增大荷載對豎向應(yīng)力影響更為顯著。

2.3 不同胎壓的影響分析

針對標準軸載不同胎壓情況下對路面各層的豎向位移、豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力影響進行分析,結(jié)果如圖6～8所示。

圖6 不同胎壓對豎向位移影響曲線圖

圖7 不同胎壓對水平應(yīng)力影響曲線圖

圖8 不同胎壓對豎向應(yīng)力影響曲線圖

由圖6～8可知:

(1)路表豎向位移隨胎壓遞增基本無明顯變化。由圖6可知,0.7～1.4MPa的變化曲線基本重合,其最大豎向位移差值≤0.01 mm,說明增大胎壓對路表豎向位移變化無影響。

(2)水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力隨胎壓遞增呈逐步增大趨勢,其數(shù)值與不同荷載對水平應(yīng)力相同,說明提高胎壓與提高荷載對路表的水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力影響一致。

2.4 力學(xué)響應(yīng)方差分析

為了分析不同荷載及胎壓對瀝青路面豎向位移、豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力的影響顯著性,本文采用SPSS軟件對上文數(shù)據(jù)進行方差分析,結(jié)果如表3所示。

表3 荷載及胎壓對力學(xué)響應(yīng)的方差分析表

由表3可知,荷載對瀝青路面豎向位移、水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力的影響均顯著;胎壓對瀝青路面水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力的影響顯著,對豎向位移影響不顯著;相較于豎向應(yīng)力,水平應(yīng)力對荷載、胎壓的力學(xué)響應(yīng)更敏感。結(jié)合上文分析結(jié)果可知,隨著荷載與胎壓的提高其對路表應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生顯著影響,從而致使瀝青路面產(chǎn)生更高的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力,導(dǎo)致車轍等病害的產(chǎn)生。綜上所述,為降低路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力破壞、首先應(yīng)該控制行車荷載,其次控制行車胎壓。

3 結(jié)語

(1)路面結(jié)構(gòu)的路表、表面層底、中面層底、底面層底等層位逐步加深其豎向應(yīng)力呈下降趨勢,路表所呈現(xiàn)的豎向應(yīng)力與橫向距離的關(guān)系為“深W”變化趨勢,而底基層底豎向應(yīng)力與橫向距離的關(guān)系基本無顯著變化,對比左右輪載最大豎向應(yīng)力數(shù)值大小發(fā)現(xiàn),路表豎向應(yīng)力分別為底基層底豎向應(yīng)力的46.39倍、47.56倍。

(2)隨荷載逐步遞增,路表的豎向位移、水平及豎向應(yīng)力均呈上升趨勢,其中120～200 kN應(yīng)力下較100 kN應(yīng)力下的最大豎向位移分別增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%;最大水平應(yīng)力分別增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%;最大豎向應(yīng)力分別增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。

(3)隨胎壓逐步遞增,路表的水平及豎向應(yīng)力均呈上升趨勢,且上升趨勢與荷載變化趨勢基本一致,但胎壓增大對豎向位移數(shù)值的影響≤0.01 mm。

(4)基于方差分析可知:荷載對瀝青路面豎向位移、水平應(yīng)力、豎向應(yīng)力的影響均顯著;胎壓對瀝青路面水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力影響顯著,對豎向位移影響不顯著;相較于豎向應(yīng)力,水平應(yīng)力對荷載、胎壓的力學(xué)響應(yīng)更敏感。