發(fā)布時(shí)間：2014-07-27 16:07

　　摘要：針對(duì)我國(guó)目前普遍存在的超載現(xiàn)象，考慮了面基層間接觸，利用bisar3.0 對(duì)路表彎沉、面層層底彎拉應(yīng)力、和土基頂變進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，不同的超載率對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)有很大的影響，而層間接觸條件的逐步惡化又加劇了超載對(duì)路面的損害效應(yīng)。
　　由于我國(guó)的高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)絕大部分為半剛性基層瀝青路面，在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮層間完全連續(xù)的接觸條件，然而實(shí)際上瀝青面層與半剛性基層的模量比較小，導(dǎo)致瀝青路面在車(chē)輛的垂直荷載和水平荷載綜合作用下，基層與面層之間產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力，而在超載情況下，層間剪應(yīng)力非常大，有可能超過(guò)層間抗剪強(qiáng)度而出現(xiàn)層間剪切滑移破壞，使得基面層層間接觸總是介于完全連續(xù)與完全滑動(dòng)之間， 這就造成瀝青路面的層間工作狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)并不一致的，降低了路面結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的整體性，并逐步演化為路面的早期病害現(xiàn)象。本文基于我國(guó)普遍存在的超載問(wèn)題，考慮瀝青面層與基層間的接觸狀態(tài)的不同，利用彈性層狀理論分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在超載及層間狀態(tài)不同時(shí)的力學(xué)變化。
　　1分析方法
　　我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)方法使用的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖示是雙輪雙圓，圓中心距等于3倍接地半徑，接地壓力0.7Mpa的標(biāo)準(zhǔn)荷載，根據(jù)研究，此標(biāo)準(zhǔn)圖示并不能代表超載、重載車(chē)輛對(duì)路面的作用，隨著軸重的增加，輪胎接地面積和接地半徑也會(huì)隨之增加，但車(chē)輛本身的構(gòu)造決定著輪胎間距是一定的，即雙輪荷載圓中心距離是不變的，而且超載車(chē)輛多采用高強(qiáng)輪胎以便降低行車(chē)阻力，使得輪胎壓力普遍超過(guò)0.7Mpa[2-3]，因此在對(duì)超載現(xiàn)象研究時(shí)，如果只假定軸重提高而輪胎壓力不變來(lái)進(jìn)行分析，或是將軸重和輪壓之間的關(guān)系隔離分布研究，與實(shí)際情況也是不符合的。
　　按文獻(xiàn) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)荷載圖示進(jìn)行改進(jìn)。由于輪壓、接地半徑均發(fā)生了變化，無(wú)法確定兩者之間的具體值，對(duì)于軸載、輪壓、接地半徑的關(guān)系，比較常見(jiàn)是H-K方法和比利時(shí)算法，文獻(xiàn)4對(duì)兩種方法進(jìn)行了研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)利用兩種計(jì)算模型計(jì)算的荷載半徑差別很小，認(rèn)為兩種方法計(jì)算出的結(jié)果是等效的，在重載輪胎接地壓強(qiáng)分布方面，很多學(xué)者也進(jìn)行了諸多研究，認(rèn)為輪載作用力大小及分布是十分復(fù)雜的，考慮了非均布荷載作用下的重載瀝青路面響應(yīng)，并建議對(duì)輪跡的形式進(jìn)行修正，但正因?yàn)槠鋸?fù)雜性，對(duì)其修正也是近似計(jì)算的一種，且復(fù)雜性大大增加，故本文仍將輪跡簡(jiǎn)化成雙當(dāng)量圓，假定輪載均勻分布在圓面積上，通過(guò)計(jì)算便可求的接地壓力和荷載圓當(dāng)量半徑。
　　采用BISAR3.0 程序來(lái)分析超載情況下，瀝青面層內(nèi)部的應(yīng)力變化，并對(duì)層間的接觸狀態(tài)進(jìn)行不同的設(shè)置，bisar中為了解決層間接觸問(wèn)題，引入了剪切彈性柔量（spring compliance）概念，筆耕文化傳播，將兩層分界面看成無(wú)限薄的內(nèi)層，它的強(qiáng)度就用彈性柔量來(lái)表示，簡(jiǎn)化的剪切彈性模量即為ALK，通過(guò)對(duì)ALK賦予不同的值，使得滑移系數(shù)a在0~1之間變化，可得到不同的層間接觸。
　　2 參數(shù)取值
　　本文選取我國(guó)高等級(jí)公路常用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，
　　表 1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)
　　路面結(jié)構(gòu)層位模量（MPa）厚度（cm）泊松比
　　瀝青混凝土面層1200150.25
　　水泥穩(wěn)定碎石基層1500300.25
　　水泥穩(wěn)定碎石底基層1200200.25
　　土基40—0.35
　　選取軸載為100，120，140，160，180，200N來(lái)分別模擬不同程度的超載情況，按比利時(shí)方法計(jì)算的軸重、輪壓與輪胎接地面積 及荷載圓半徑如表2 所示：
　　表-2 軸重與輪壓，接地面積關(guān)系
　　軸重P（kN）100120140160180200220
　　接地面積A（cm2）356392432472512552592
　　輪壓p（MPa）0.7070.7650.8100.8470.8790.9060.929
　　荷載圓半徑δ（cm）1 0.6511.1711.7312.2612.7713.2613.73
　　滑移系數(shù)a取0，0.25，0.5，0.75，0.99，來(lái)模擬層間接觸狀態(tài)由連續(xù)到完全滑移的五個(gè)水平，此時(shí)應(yīng)該注意由于當(dāng)量圓荷載半徑的變化對(duì)滑移系數(shù)的影響。
　　3計(jì)算結(jié)果分析
　　3.1超載對(duì)路表彎沉影響
　　圖1 超載率與路表彎沉增幅關(guān)系
　　路表彎沉表征路面整體結(jié)構(gòu)在行車(chē)荷載重復(fù)作用下的豎向位移量，從圖1 中可以看出，不論層間接觸狀體如何，路表彎沉隨著超載率的增加而增加，其增幅幾乎是線性分布，這說(shuō)明車(chē)輛超載對(duì)路面彎沉的影響是非常越明顯的，而且從數(shù)據(jù)上也可看出，超載率100%時(shí)，路表彎沉均達(dá)到或超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)路表彎沉的100%，由于半剛性基層瀝青路面的車(chē)轍及路面總變形大部分是由瀝青面層提供的，故由路表彎沉隨車(chē)轍的增加的規(guī)律，可知瀝青路面在超載的作用下面層的變形也是不斷的增加的，這就要求在路面設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別要考慮超載對(duì)瀝青路面的車(chē)轍及路面變形的影響。同時(shí)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在不同的層間狀態(tài)，路表彎沉增加的幅度也是不同的，對(duì)曲線擬合比較，發(fā)現(xiàn)面基層間狀態(tài)由連續(xù)到完全光滑時(shí)，曲線的斜率越來(lái)越大，表明隨著層間接觸條件的逐步惡化，超載現(xiàn)象對(duì)路表彎沉的影響越來(lái)越劇烈。有圖可知，當(dāng)層間處于完全滑移狀態(tài)時(shí)，路表彎沉值普遍大于層間其他狀態(tài)，且其曲線斜率也是非常高的，而當(dāng)層間接觸處于其他狀態(tài)時(shí)，路表彎沉的增幅隨層間狀態(tài)的變化增長(zhǎng)并不顯著，這說(shuō)明只有面基層處于完全滑移時(shí)，行車(chē)荷載對(duì)路表彎沉值才有非常顯著的作用效果，而當(dāng)層間狀態(tài)處于部分接觸時(shí)，行車(chē)荷載對(duì)路表彎沉影響并因?qū)娱g狀態(tài)的不同而有所區(qū)別。由于瀝青面層與半剛性基層存在材料的差異，以及施工因素和環(huán)境因素的影響，面基層之間很難達(dá)到完全的連續(xù)，從上文分析，只要面基層間不是完全滑移，路表彎沉在同一荷載下受層間狀態(tài)的變化并不顯著，這說(shuō)明路表彎沉應(yīng)該是一項(xiàng)整體性、綜合性、和表觀性的指標(biāo)，不能用其定量反映瀝青路面結(jié)構(gòu)層的接觸狀態(tài)。
　　3.2超載對(duì)瀝青面層層底拉應(yīng)力影響
　　圖2 超載率與面層層底拉應(yīng)變變化率關(guān)系
　　我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求對(duì)瀝青路面面層層底進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算，以免其拉應(yīng)力超過(guò)瀝青材料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破壞，本文以標(biāo)準(zhǔn)荷載和層間完全接觸時(shí)的瀝青面層層底拉應(yīng)力為參考，計(jì)算超載及其他層間接觸時(shí)面層層底拉應(yīng)力的變化率。從圖2中可以看出，瀝青面層層底拉應(yīng)力受軸載作用非常明顯，當(dāng)超載率為100%時(shí)，層底拉應(yīng)力的增幅超過(guò)了100%，可見(jiàn)超載現(xiàn)象對(duì)瀝青面層的拉裂破壞非常嚴(yán)重，從圖中也可知，當(dāng)瀝青面基層間接觸變?yōu)橥耆�滑移時(shí)，瀝青面層層底拉應(yīng)力變化明顯，且變化的幅度也越來(lái)越大，根據(jù)瀝青混凝土材料的疲勞方程，當(dāng)層間接觸光滑時(shí)，瀝青面層的疲勞壽命將會(huì)有幾何級(jí)數(shù)的降低，可見(jiàn)，層間接觸條件對(duì)路面的壽命有很大的影響。特別是在超載超壓的情況下，如果面基層間的接觸條件不好，在外界環(huán)境因素的影響下，瀝青路面極易出現(xiàn)早期破壞。
　　3.3超載對(duì)路基頂變的影響
　　圖3 超載率與路基頂變的關(guān)系
　　對(duì)于半剛性基層，路面車(chē)轍及路面變形主要是瀝青路面面層提供的，基層及路基的變形量很小，但是在車(chē)輛荷載作用下，路基頂部也有著不同程度的增加，以標(biāo)準(zhǔn)荷載和層間完全接觸時(shí)的路基頂變?yōu)閰⒖�，�?jì)算不同荷載和不同層間接觸條件時(shí)，路基頂變的變化率，從圖3中可看出，隨著超載率的增加，路基頂?shù)淖冃瘟恳仓鸩皆黾�，其變化�?guī)律呈線性分布，當(dāng)超載率為100%時(shí)，層間不同狀態(tài)下，路基頂部變形幅度均很大，幾乎接近100%，這說(shuō)明路基頂應(yīng)變對(duì)軸載特別是超載是非常敏感的。從路基頂變的值來(lái)看，當(dāng)層間接觸狀態(tài)處于完全滑移時(shí)，路基頂壓應(yīng)變的值較之其他層間狀態(tài)有明顯的降低，因?yàn)楫?dāng)層間有部分連續(xù)時(shí)，路基頂部受到正應(yīng)力比較大，當(dāng)層間趨于光滑時(shí)，面層與基層之間的拉應(yīng)力逐漸變大，剪應(yīng)力也隨著增大，而傳遞到路基頂部即是壓應(yīng)力和壓應(yīng)變逐漸變小。瀝青面基層的接觸條件直接關(guān)系到路基的穩(wěn)定性。從路基頂變規(guī)律可以看出，當(dāng)層間開(kāi)始滑移時(shí)，應(yīng)力的傳遞變得復(fù)雜，路面結(jié)構(gòu)的整體性破壞，路基頂部受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的綜合作用，從結(jié)果分析看，路基頂壓應(yīng)變對(duì)超載更為敏感。路基在瀝青路面結(jié)構(gòu)中主要承受由路面?zhèn)鬟f下來(lái)的行車(chē)荷載，國(guó)內(nèi)外的許多研究都表明，只要路基在使用過(guò)程中保持良好的工作狀態(tài)，就能確保整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果路基變形過(guò)大，故在半剛性基層瀝青路面施工過(guò)程中，為了確保路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，應(yīng)在基層與面層之間噴灑粘層油。

 

本文編號(hào)：7012