動、靜荷載下不同瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

何基雷 羅資清 傅松

作者簡介：

何基雷（1988—），工程師，主要從事道路工程、路面養(yǎng)護方面的研究工作。

為探究動、靜荷載下瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)，獲取不同影響因素對路面的實際作用效果，文章利用ABAQUS軟件構(gòu)建了瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)模型，分析荷載形式、車輛軸載、行駛速度等因素對力學(xué)響應(yīng)的影響。研究表明：路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變與車輛軸載存在著一定的線性關(guān)系；相較于靜荷載，動荷載在相同軸載下所產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變值較低，且存在最佳行駛速度使荷載對路面產(chǎn)生的力學(xué)響應(yīng)最小。由此證明，在道路使用時，控制車輛的行駛速度及車輛超載可減緩路面縱向位移及路表彎沉的產(chǎn)生，延長道路的使用壽命。

瀝青路面結(jié)構(gòu)；移動荷載；力學(xué)響應(yīng)；使用壽命；應(yīng)力應(yīng)變

U416.217A190685

0?引言

隨著我國機動車保有量及道路交通量的逐年上升，道路重載及超載現(xiàn)象的持續(xù)增長，使得已建道路在使用過程中暴露出使用壽命不足［1-2］，裂縫、坑槽、松散、剝落、車轍等病害出現(xiàn)頻率較高的現(xiàn)象。道路養(yǎng)護時運營成本增加，而且還影響了交通事業(yè)的發(fā)展［3］。因此，為更好地了解路面結(jié)構(gòu)在不同因素下的力學(xué)響應(yīng)，需探究不同影響因素對路面的力學(xué)響應(yīng)。

國內(nèi)外專家學(xué)者針對瀝青路面的應(yīng)力響應(yīng)從多方面展開了研究。Assogba、Hu、李江等［4-6］通過建立三維有限元模型，研究了車輛速度、車輛超載對瀝青路面的影響，證明較低車速會引起結(jié)構(gòu)受載時間增加，擴大了載荷的沖擊效應(yīng)。嚴戰(zhàn)友、Ogoubi等［7-12］通過建立車輛模型和有限元道路模型，證明路面結(jié)構(gòu)的動態(tài)應(yīng)變應(yīng)力峰值受分析點位、行車速度、瀝青層厚度、車軸荷載、制動工況和道路粗糙度等因素的影響。Liu［13］通過提出了一種將全尺度加速路面試驗（accelerated pavement test，APT）、室內(nèi)試驗和有限元（finite element，F(xiàn)E）模擬相結(jié)合的方法，分析了車輪范圍、溫度及軸重對于瀝青路面的動態(tài)響應(yīng)。蘇凱、斯文彬等［14-17］通過對三種路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力進行三維有限元分析，證明了行車速度、水平力、面層厚度對剪應(yīng)力均有較大的影響，應(yīng)該在路面設(shè)計時對路面結(jié)構(gòu)組合類型的抗車轍能力進行充分的考慮。

匯總國內(nèi)外瀝青路面荷載下動力響應(yīng)的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)對于車輛荷載的研究大多是采用靜荷載或動荷載，卻并未將兩者聯(lián)合起進行討論。同時在對路面結(jié)構(gòu)分析時，對路面超載、行車速度等方面考慮較少?；诖?，本文分別探究動、靜荷載下不同因素對瀝青路面動力響應(yīng)的影響，以期為路面損壞機理研究提供參考。

1?瀝青路面結(jié)構(gòu)及測試方案

1.1?路面結(jié)構(gòu)模型

瀝青路面動力響應(yīng)有限元模型采用直角坐標系，即X方向為行車方向，Y方向為路面縱斷面方向，Z方向為道路深度。研究發(fā)現(xiàn)模型尺寸只要大于3倍的車輪寬度即可滿足模型構(gòu)建的要求［18］，故擬定應(yīng)力場模型尺寸為5×6×4（X×Y×Z） m；模型格結(jié)構(gòu)層網(wǎng)格劃分采用C3D8R［19-20］（八結(jié)點線性六面體單元，減縮積分），網(wǎng)格劃分如圖1所示。

現(xiàn)行規(guī)范采用雙圓均布荷載作為車輛與路面的接觸作用形式，但該形式將造成分析過程中計算量較大，因此研究時將圓形均布荷載均簡化為矩形均布荷載，簡化后不僅便于計算，且更加貼合實際荷載作用效果。其中矩形加載面積為23 m×16 cm，雙輪中心間距為32 cm。路面受力如圖2所示。

為保證數(shù)據(jù)更加貼近真實環(huán)境下的路面力學(xué)響應(yīng)效果，根據(jù)實測材料參數(shù)擬定了以下路面結(jié)構(gòu)組合。以探究面層及基層材料模量對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。具體結(jié)構(gòu)形式見表1。

1.2?動、靜荷載參數(shù)

1.2.1?靜荷載參數(shù)

為研究車輛軸載（超載）對于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，試驗依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）［19］，擬采用軸重為100 kN的單軸雙輪組（BZZ-100）作為標準軸載，并討論不同超載下瀝青路面的應(yīng)力響應(yīng)，靜荷載參數(shù)如表2所示。

1.2.2?動荷載參數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)行車速度會對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力變化產(chǎn)生影響，因此需針對行車速度對瀝青路面的應(yīng)力影響進行研究。具體車輛行車速度參數(shù)如表3所示。

2?路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50-2017）［19］中主要以路表彎沉、瀝青層底部彎拉應(yīng)力以及基層層底拉應(yīng)力作為控制指標。而在力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計法設(shè)計中，設(shè)計指標為瀝青面層底部的彎拉應(yīng)變與路基面的豎向壓應(yīng)變［20］。為更好地評價結(jié)構(gòu)在不同因素影響下的力學(xué)響應(yīng)，最終擬定縱向應(yīng)變、縱向應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力、路表彎沉等四個參數(shù)作為評價指標。

2.1?靜荷載作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析

為比較路面結(jié)構(gòu)在不同荷載（標準荷載及超載）下的應(yīng)力變化，模型測定了路面結(jié)構(gòu)在五種軸載下應(yīng)力指標隨路基深度的變化情況，獲得圖3～6所示數(shù)據(jù)。

試驗獲取了四種路面力學(xué)響應(yīng)指標最大值隨車輛超載率的變化情況表，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

由表4所示數(shù)據(jù)可知：

（1）車輛軸載增加，四項力學(xué)指標均隨之增加。發(fā)現(xiàn)車輛荷載每增加10%，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的最大縱向應(yīng)力、最大縱向位移、最大橫向剪應(yīng)力及路表彎沉平均增長4.8%（見圖7～8），結(jié)構(gòu)證明車輛軸載增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力增大，車轍等路面病害更易產(chǎn)生，因此建議道路實際使用時嚴格控制車輛超載情況。

（2）車輛荷載作用的主要結(jié)構(gòu)層為面層（見圖3～4）。荷載作用后，最大縱向位移及最大縱向應(yīng)力均產(chǎn)生于路面深度下0.02～0.06 m范圍，為結(jié)構(gòu)的上、中面層位置，即面層主要承受荷載作用；而最大剪應(yīng)力則產(chǎn)生于路面深度范圍下0.19～0.23 m，該位置為路面結(jié)構(gòu)的基層位置，證明剪應(yīng)力主要產(chǎn)生于基層。

（3）分析路表彎沉變化可知：路表彎沉在距離道路中心點位置約0.07～0.18 m范圍處的變化較大，分析該范圍是車輛輪跡范圍，而最大值產(chǎn)生于車輛輪跡中心處位置，證明輪跡中心位置為荷載作用的主要受力點；研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)標準荷載作用一次后，路面表面約產(chǎn)生0.3 mm左右的路表彎沉，因此可推斷當(dāng)路表彎沉產(chǎn)生1 cm時，需要在同一位置約作用100次標準荷載。

2.2?動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析

研究表明移動荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的主要因素有行車速度及車輛軸載（胎壓）等。為探究瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同因素作用下的應(yīng)力變化情況，試驗對不同影響因素的參數(shù)進行了調(diào)整，以期通過指標變化評價移動荷載作用下不同因素對瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響。

2.2.1?車輛軸載（胎壓）

通過室內(nèi)模型模擬了車速為12 m/s（43.2 km/h）時，面層結(jié)構(gòu)1下的瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)指標，獲得了不同軸載（胎壓）力學(xué)響應(yīng)指標間的關(guān)系，所得數(shù)據(jù)如圖9～12所示：

由圖9～12數(shù)據(jù)可知：車輛軸載（胎壓）是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的重要指標。隨著車輛胎壓（軸載）的增加，路面結(jié)構(gòu)的縱向應(yīng)力、縱向位移、橫向剪應(yīng)力及路表彎沉均隨之增加，且變化趨勢與靜載下的應(yīng)力指標變化趨勢一致，證明軸載（胎壓）無論是在靜荷載還是移動荷載作用下，均為重要的影響因素。

2.2.2?車輛速度

為比較兩種荷載形式對于路面力學(xué)響應(yīng)的影響，試驗將移動荷載與靜荷載作用下的四項力學(xué)響應(yīng)指標進行比較，得到了表5所示數(shù)據(jù)。

根據(jù)表5所示數(shù)據(jù)，可得結(jié)論：荷載由靜荷載變?yōu)橐苿雍奢d時，最大縱向應(yīng)力、最大縱向位移及最大路表彎沉均隨之降低，最大橫向剪應(yīng)力變化值較小。發(fā)現(xiàn)移動荷載下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)指標相較于靜荷載均有所降低，其中最大縱向應(yīng)力平均下降35%，最大縱向位移平均下降25%，最大路表彎沉平均下降5%，證明當(dāng)由靜荷載轉(zhuǎn)為移動荷載時，縱向應(yīng)力降低將有助于延長路面使用壽命，降低路面車轍等。

為更好地比較車輛行駛速度的影響，試驗?zāi)M了標準軸載（BZZ-100，0.7 MPa）下不同行車速度對于路面的作用效果，獲得了如圖13～16所示數(shù)據(jù)。

比較圖13～16，可得以下結(jié)論：

（1）荷載由靜荷載變?yōu)橐苿雍奢d時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力值將會降低。比較移動荷載與靜荷載下的縱向應(yīng)力最大值，發(fā)現(xiàn)其最大縱向應(yīng)力約下降11.8%，縱向位移最大值約下降了16%，所得結(jié)果印證了上述結(jié)論。

（2）車速較低時荷載對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力值較大。發(fā)現(xiàn)當(dāng)車速為6 m/s時，其縱向位移、縱向應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力及路表彎沉值較大，分析原因主要是因為當(dāng)車速較低時，車輛輪胎與路面接觸的時間較長，致使車輛荷載作用于路面結(jié)構(gòu)的荷載更大。

（3）發(fā)現(xiàn)四項力學(xué)響應(yīng)指標均存在拐點，且拐點變化范圍一致，拐點值所對應(yīng)的車輛速度為18～24 m/s，此速度下路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的縱向位移及縱向應(yīng)力較小，證明路面使用過程中存在最佳行車速度。

3?結(jié)語

（1）在動、靜荷載作用下，車輛軸載是影響瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的重要指標。不同荷載形式時瀝青路面結(jié)構(gòu)的四項應(yīng)力響應(yīng)指標值均隨車輛軸載的增加而顯著增長，證明車輛超載是引起瀝青路面病害的重要因素。因此在道路實際使用過程中應(yīng)嚴格控制車輛超載，以減少因車輛超載而造成路面結(jié)構(gòu)損壞。

（2）車輛軸載相同時，移動荷載相較于靜荷載在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)所產(chǎn)生的應(yīng)力值更小。移動荷載時五種不同行駛速度所產(chǎn)生的應(yīng)力值均小于靜荷載的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力，證明荷載由靜荷載轉(zhuǎn)為移動荷載時，縮短了車輛輪胎與路面的接觸時間，縮短了車輛荷載的作用效果。

（3）存在最佳行車速度使得路面結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力值最小。比較不同車輛行駛速度對路面結(jié)構(gòu)的作用效果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)車輛速度為64.8～86.4 km/h時，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力值最低，此時車輛荷載作用于路面結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生的位移值最小。

參考文獻

［1］在加快建設(shè)交通強國新征程上建新功——《2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》評讀［J］.交通財會，2022（6）：96-97.

［2］王克輝.全國機動車保有量突破4億輛［N］.人民公安報，2022-07-07.

［3］曹秋華.基于溫度場的瀝青路面車轍影響因素分析［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2020.

［4］Assogba O C，Tan Y，Sun Z，et al.Effect of vehicle speed and overload on dynamic response of semi-rigid base asphalt pavement［J］.Road Materials and Pavement Design，2021，22（3）.

［5］Xiao-di H，L.F W.Modeling mechanistic responses in asphalt pavements under three-dimensional tire-pavement contact pressure［J］.Journal of Central South University of Technology，2011，18（1）：250-258.

［6］李?江，王曉濤，余勝軍.不同車速下瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)［J］.公路交通科技，2015，32（8）：6-11.

［7］嚴戰(zhàn)友，王朝輝，陳恩利，等.離散元法的瀝青路面車-路動力學(xué)響應(yīng)分析［J］.中國公路學(xué)報，2019，32（9）：51-60.

［8］Ogoubi C A，Zhiqi S，Yiqiu T，et al.Finite-Element Simulation of Instrumented Asphalt Pavement Response under Moving Vehicular Load［J］.International Journal of Geomechanics，2020，20（3）：1-19.

［9］Ye Z，Miao Y，Zhang W，et al.Effects of Random Non-uniform Load on Asphalt Pavement Dynamic Response［J］.International Journal of Pavement Research and Technology，2020，14（3）：299-308.

［10］黃晚清，曹明明，游?宏.行車荷載下不同瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試分析［J］.公路交通科技，2020，37（4）：1-8.

［11］宋小金，樊?亮.移動荷載作用下瀝青路面應(yīng)力響應(yīng)的持續(xù)時間［J］.湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，45（7）：71-76.

［12］Cao M，Huang W，Wu Z.Influence of Axle Load and Asphalt Layer Thickness on Dynamic Response of Asphalt Pavement［J］.Geofluids，2022（2022）：1-16.

［13］Liu Z，Gu X，Ren H，et al.Analysis of the dynamic responses of asphalt pavement based on full-scale accelerated testing and finite element simulation［J］.Construction and Building Materials，2022，325（3）：1-17.

［14］蘇?凱，孫立軍，王永新，等.行車荷載及路面結(jié)構(gòu)對車轍影響的有限元分析［J］.同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007（2）：187-192.

［15］斯文彬.基于有限元的組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

［16］艾長發(fā)，肖?川，曾?杰，等.瀝青路面動應(yīng)變響應(yīng)及其動荷載作用等效換算［J］.土木工程學(xué)報，2017，50（1）：123-132.

［17］肖?川，艾長發(fā)，邱延峻.動載作用下典型瀝青路面剪應(yīng)力特性分析［J］.公路交通科技，2016，33（7）：19-26.

［18］包聰靈.重載作用下半剛性基層瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)分析［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

［19］JTG D50-2017，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［20］田?博.車路相互作用試驗段瀝青路面的動力響應(yīng)研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.