超載作用對路面力學(xué)響應(yīng)影響研究

苗澤純, 詹文兵, 李 鍵, 羅傳熙

(1.保利長大工程有限公司, 廣州 510641; 2.長大市政工程(廣東)有限公司, 中山 528400; 3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510641)

我國高速公路一般設(shè)計的使用年限為30年,但大量數(shù)據(jù)表明,在汽車超載作用的影響下,許多公路在使用五年時候需要經(jīng)歷大修,不僅給公路安全行駛帶來了隱患,同時給國家的經(jīng)濟造成了巨大損失[1]。江蘇省江陰長江大橋橋面質(zhì)量建設(shè)時達(dá)到世界一流水平,但開通一年后,橋面已經(jīng)損傷嚴(yán)重,據(jù)調(diào)查是由于大量超載車輛引起[2]。道路整體強度與剛度不能滿足超載車輛對道路的作用力是道路發(fā)生破壞的根本原因。因此,有必要針對超載作用對路面力學(xué)響應(yīng)影響展開研究。咼潤華[3]采用彈性理論體系進(jìn)行有限元建模,在考慮層間接觸的狀態(tài)下,對超載作用下的瀝青路面力學(xué)性能進(jìn)行了分析。但瑞強等[4]通過對廣東省多條高速公路進(jìn)行力學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)超載作用對水泥混凝土路面的疲勞破壞更加顯著。丁瑞哲等[5]采用ABAQUS軟件,模擬隧道復(fù)合式路面,分析其在不利狀態(tài)下不同軸載以及層間接觸狀態(tài)下的受力情況。朱厚江等[6]結(jié)合加速加載裝置,分析了超載對瀝青層底拉應(yīng)變的影響規(guī)律,超載會大大加速瀝青路面疲勞破壞進(jìn)程。針對超載作用對半剛性瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)已有較多研究,但結(jié)合溫度場對復(fù)合式路面超載影響研究卻少有涉及,復(fù)合式路面剛性基層在高溫條件下勢必會影響瀝青路面的受力特性[7]。因此,結(jié)合溫度場分析結(jié)果,展開連續(xù)變溫條件下不同超載程度對復(fù)合式路面的車轍及力學(xué)影響研究,進(jìn)一步通過工程實例調(diào)查,分析超載對路面的破壞效應(yīng),研究結(jié)果將為高溫條件下復(fù)合式路面超載控制提供理論參考。

1 復(fù)合式路面模型的建立

1.1 模型的建立

依托某復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模分析,面層分為兩層鋪筑,分別為5 cmAC-16C上面層+6 cm AC-20C下面層;基層采用28 cm厚C40水泥混凝土基層+34 cm的水泥溫度碎石+12 cm的級配碎石,結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 路面結(jié)構(gòu)

為便于計算,對模型進(jìn)行假設(shè)如下。

H1:各結(jié)構(gòu)層是連續(xù)均勻體,除了瀝青面層,其他層為完全彈性體。

H2:在混凝土基層中央構(gòu)建5 mm寬的貫穿裂縫用以模擬基層構(gòu)造縫。

H3:模型尺寸:10 m長×10 m寬×5.65 m厚。

H4:約束條件:底面為完全約束,四周法向約束。

1.2 計算參數(shù)的選取

結(jié)合鄧乃銘等[8]、劉永棵[9]、鄧鳳祥等[10]的研究,確定瀝青層外其他層的參數(shù)(表1),瀝青面層采用黏彈性相關(guān)指標(biāo)參數(shù)(表2)。溫度場分析時采用DC3D8單元類型網(wǎng)格,力學(xué)響應(yīng)分析時應(yīng)用C3D8R單元類型網(wǎng)格。

表1 基層與路基材料參數(shù)

表2 瀝青層彈性參數(shù)與蠕變參數(shù)

1.3 荷載作用位置

輪胎與路面接觸面積為18.9 cm×18.9 cm的正方形,雙輪中心距為32 cm,荷載作用位置選取在水泥混凝土基層板腳處的正上方,具體如圖2所示。

圖2 荷載作用位置

2 復(fù)合式路面溫度場及車轍影響分析

瀝青混合料是一種溫度敏感性材料,彈性模型隨溫度升高而降低,瀝青加鋪層中病害受溫度影響較大,因此,接下來對復(fù)合式路面的溫度場進(jìn)行模擬分析。

2.1 相關(guān)理論和計算方法

路面處于自然界中,與空氣直接接觸,其主要與大氣進(jìn)行熱交換的方式有太陽輻射、路面有效輻射、空氣對流熱交換等方式形成路面溫度場。

2.1.1 太陽輻射

太陽輻射q(t)的日變化過程可采用以下函數(shù)近似表示:

(1)

式中:t為時刻(h);c為實際有效日照對數(shù);q0為中午最大輻射,q0=0.131Qm,m=12/c;Q為日太陽輻射總量(J/m2);ω為角頻率,ω=2π/24(rad)。太陽輻射在軟件中的load模塊中定義。

2.1.2 氣溫及對流熱交換

氣溫的日變化過程可用以下公式進(jìn)行模擬:

(2)

2.1.3 路面有效輻射

路面有效輻射可采用以下直接實現(xiàn)地面有效輻射的邊界條件:

qF=εσ[(T1|z=0-TZ)4-(Ta-TZ)4]

(3)

式中:ε為路面發(fā)射率(黑度),瀝青路面取0.81;qF為地面有效輻射,單位為W/(m2·℃);σ為黑體輻射系數(shù),σ=5.669 7×10-8,單位為W/(m2K4);T1|z=0為路表溫度(℃);Ta為大氣溫度(℃);TZ為絕對零度值,TZ=-273 ℃。路面有效輻射在軟件中的Interaction中定義。

2.2 溫度場分析

結(jié)合上述理論,模擬出一天24 h溫度變化情況,提取24 h內(nèi)各結(jié)構(gòu)層不同深度的溫度場數(shù)據(jù)(圖3)。

圖3 不同時刻和深度的溫度場曲線

由圖3可知,瀝青面層在6∶00—13∶00處于持續(xù)升溫狀態(tài),且在13∶00時溫度達(dá)到最高60.25 ℃,相較于面層,水泥混凝土基層受環(huán)境溫度影響較小,基層溫度在凌晨00∶00—6∶00小幅度降低,后溫度持續(xù)上升,在18∶00左右溫度達(dá)到最大值為37.84 ℃,面層與基層溫度都隨著深度加深,波動逐漸減小,但瀝青層由于直接與空氣接觸,且瀝青混合料溫度敏感性更高,路面溫度波動較基層大;在距路面深度1 m處的位置,溫度基本不受影響,處于持平狀態(tài)。

2.3 超載對車轍影響

將上述計算的溫度場導(dǎo)入車轍計算模型中進(jìn)行車轍模擬計算,在車轍模擬分析時,核心是計算每個分析步的時長,即在該分析步通過改變荷載的作用時間,從而達(dá)到多次汽車加載的模擬,計算公式為

(4)

式中:nw為軸的輪數(shù)(個);v為速度,取80 km/h;B為輪胎接地寬度;N為累計作用次數(shù);P為接地壓強。

參考薛文[11],輪胎的胎壓對應(yīng)的軸重關(guān)系如表3所示。

表3 軸重與接地壓強關(guān)系

結(jié)合式(4)和表3,計算出不同軸重作用下不同累計作用次數(shù)所用時間,如表4所示。

表4 不同軸重作用下不同累計作用次數(shù)所用時間

根據(jù)上述計算出的累計所用時間,分別計算不同接地壓強與不同軸載作用次數(shù)作用下的絕對車轍深度如圖4所示。

圖4 車轍深度與軸載作用次數(shù)及接地壓強的關(guān)系

由圖4可知,同一接地壓強作用下隨著累計軸載作用次數(shù)的增加,絕對車轍深度隨之增加,但增長率逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定。隨著接地壓強的增大,車轍深度逐漸增加,且隨著累計軸載作用次數(shù)的增加,曲線呈發(fā)散趨勢,超載作用對路面車轍病害越顯著。

3 超載作用對路面力學(xué)影響研究與疲勞壽命預(yù)估

3.1 超載作用對路面應(yīng)力的影響

以軸載作用50萬次為例,根據(jù)表3,當(dāng)接地壓強為0.7 MPa時對應(yīng)100 KN的標(biāo)準(zhǔn)軸載,當(dāng)超載一倍時,接地壓強近似于0.9 MPa,超載達(dá)到兩倍時,接地壓強近似于為1.0 MPa。荷載作用在最不利位置——板腳處,大小逐漸由標(biāo)準(zhǔn)壓強增加到超載達(dá)到一倍時的壓強(即1.0 MPa),瀝青面層和剛性基層計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 橫向應(yīng)力(S22)沿路表深度分析

由圖5可知,瀝青上面層主要在S22方向上受拉應(yīng)力影響,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在表面層,且隨著軸載增大,拉應(yīng)力呈增大趨勢,下面層主要受壓應(yīng)力影響,水泥混凝土層受拉應(yīng)力影響較小。

橫向剪應(yīng)力是導(dǎo)致路面開裂和車轍的主要原因,如圖6所示,最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在路表處,接地壓強越大,橫向剪應(yīng)力越大,隨著深度的加深,橫向剪應(yīng)力逐漸減小,且受軸載作用影響程度也逐漸減小,水泥混凝土基層所受橫向剪應(yīng)力較小。

圖6 剪應(yīng)力(τyz)沿路表深度分析

對于復(fù)合式路面結(jié)構(gòu),瀝青面層的橫向拉應(yīng)力、剪應(yīng)力是瀝青路面設(shè)計的兩個重要指標(biāo),在路面使用過程中要求避免達(dá)到極限抗拉強度和抗剪強度。參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD50—2006),粗粒式瀝青混凝土容許拉應(yīng)力與剪應(yīng)力分別為0.236 7 MPa和0.6 MPa。C40混凝土基層的抗拉強度為1.71 MPa、抗剪強度為2.6 MPa,遠(yuǎn)大于瀝青層的容許拉應(yīng)力與剪應(yīng)力,而從上述計算結(jié)果可以看出瀝青層所受的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力遠(yuǎn)大于水泥混凝土基層,基于此,本文不討論水泥混凝土基層的破壞情況。

由圖5和圖6可知,瀝青面層的最大橫向拉應(yīng)力與橫向最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在瀝青表面層,且受軸載作用影響較大,選取各壓強作用下的最大拉應(yīng)力與剪應(yīng)力繪制圖7,分析不同軸載作用下拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化趨勢。

圖7 瀝青層最大拉應(yīng)力與剪應(yīng)力與不同接地壓強之間的關(guān)系

由圖7可知,瀝青面層的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力隨軸載的增加近似都呈線性增加,且剪應(yīng)力增加幅度大于拉應(yīng)力,經(jīng)擬合計算,當(dāng)接地壓強每增加 0.1 MPa,拉應(yīng)力增加約為0.019 8 MPa、剪應(yīng)力增加約為0.050 5 MPa。當(dāng)超載達(dá)到一倍,即接地壓強為0.9 MPa時,瀝青混合料面層最大拉應(yīng)力增大到0.178 5 MPa,增幅達(dá)到28.6%,最大剪應(yīng)力增大到0.412 MPa,增幅達(dá)到28.3%;當(dāng)超載軸重達(dá)到兩倍時,瀝青混合料面層最大拉應(yīng)力增加到0.198 3 MPa,增幅達(dá)到42.8%,剪應(yīng)力增加到0.458 MPa,增幅達(dá)到42.7%。

結(jié)合公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范的規(guī)定值,粗粒式瀝青層容許拉應(yīng)力為0.236 7 MPa,容許剪應(yīng)力為0.6 MPa。經(jīng)計算,瀝青層首先發(fā)生拉裂破壞,當(dāng)接地壓強達(dá)到1.2 MPa時,瀝青層超過容許抗拉強度,發(fā)生拉裂破壞;當(dāng)接地壓強達(dá)到1.3MPa時,瀝青層超過容許剪應(yīng)力,此時發(fā)生易發(fā)生剪切破壞。因而,應(yīng)嚴(yán)格限制通行車輛的最大接地壓強為 1.2 MPa,避免大量復(fù)合式路面出現(xiàn)早期破壞。

3.2 疲勞開裂壽命預(yù)估

3.2.1 數(shù)值模擬計算

參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)中,將瀝青路面疲勞破壞形式反映到路面設(shè)計指標(biāo)中。具體公式如下:

(5)

式中:Nf1為累計軸載作用次數(shù)。

根據(jù)有限元計算結(jié)果,參考《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50—2017)表3.0.1,可靠度指標(biāo)β為1.65,按本規(guī)范附錄G溫度調(diào)整系數(shù)kT1為1.51,20 ℃時的瀝青混合料動態(tài)模量Ea為12 000 MPa,瀝青飽和度VFA取65%。計算得到不同接地壓強作用下的瀝青混合料層層底拉應(yīng)變?nèi)绫?所示。根據(jù)以上參數(shù),按式(5)計算得到不同接地壓強下瀝青混合料層疲勞開裂壽命。

表5 不同接地壓強下的疲勞開裂壽命

由圖8可知,當(dāng)超載達(dá)到一倍時,瀝青層疲勞開裂壽命下降63%,當(dāng)超載達(dá)到兩倍時,瀝青層疲勞開裂壽命下降達(dá)到75.6%,超載作用會大幅度降低復(fù)合式路面的疲勞開裂壽命。

圖8 超載作用下疲勞開裂壽命下降率

4 工程實例調(diào)查

4.1 交通量組成觀測結(jié)果

對某省道進(jìn)行了為期一天的交通量調(diào)查,雙向交通量為2 602輛(客車1 611輛,貨車991輛),其中A-B方向的車輛為1 366輛(客車826輛,貨車540輛),B-A方向為1 236輛(客車785輛,貨車451輛)。

4.2 貨車超載調(diào)查表

在進(jìn)行路面損壞情況分析時,對整個路段瀝青混凝土面層進(jìn)行了FWD完成檢測及路面破損調(diào)查,檢測結(jié)果表明,經(jīng)過8個多月的運營使用后,彎沉的合格率僅為39.09%。

由路面破損調(diào)查結(jié)果上看,路面的大面積裂縫主要由于路面整體的強度已不能適應(yīng)實際交通量的結(jié)構(gòu)性破壞。由表6可知,從A-B方向的超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重,其中3類車中的單機車12超載現(xiàn)象更是高達(dá)90%;B-A方向的貨車超載現(xiàn)象則相對要輕一些,結(jié)合破損調(diào)查結(jié)果可以看出路面損壞的原因是由于貨車超載所引起的。

表6 貨車超載比例情況

4 結(jié)論

同一接地壓強作用下隨著累計軸載作用次數(shù)的增加,絕對車轍深度隨之增加,但增長率逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定。隨著接地壓強的增大,車轍深度逐漸增加,且隨著累計軸載作用次數(shù)的增加,曲線呈發(fā)散趨勢,超載作用對路面車轍越顯著。

當(dāng)超載達(dá)到一倍,即接地壓強為0.9 MPa時,瀝青面層拉應(yīng)力增大到0.178 5 MPa,增幅達(dá)到28.6%,剪應(yīng)力增大到0.412 MPa,增幅達(dá)到28.3%;當(dāng)超載達(dá)到兩倍時,瀝青層拉應(yīng)力增加到0.198 3 MPa,增幅達(dá)到42.8%,剪應(yīng)力增加到0.458 MPa,增幅達(dá)到42.7%。

超載達(dá)到一倍,瀝青面層拉應(yīng)力增幅達(dá)到28.6%,剪應(yīng)力增幅達(dá)到28.3%,瀝青層疲勞開裂壽命下降63%;當(dāng)超載達(dá)到兩倍時,瀝青層拉應(yīng)力增幅達(dá)到42.8%,剪應(yīng)力增幅達(dá)到42.7%,瀝青層疲勞開裂壽命下降幅度達(dá)到75.6%。超載作用會大幅度降低路面的疲勞開裂壽命。

工程實例調(diào)查顯示,超載會大大路面結(jié)構(gòu)破壞,因此,結(jié)合數(shù)值模擬分析,為減少超載車輛對路面造成早起破壞,應(yīng)控制車輛的接地壓強不超過1.2 MPa。