發(fā)布時間：2014-07-27 16:07

　　摘要：針對我國目前普遍存在的超載現象，考慮了面基層間接觸，利用bisar3.0 對路表彎沉、面層層底彎拉應力、和土基頂變進行了計算，結果表明，不同的超載率對路面結構力學響應有很大的影響，而層間接觸條件的逐步惡化又加劇了超載對路面的損害效應。
　　由于我國的高等級路面結構絕大部分為半剛性基層瀝青路面，在設計時只考慮層間完全連續(xù)的接觸條件，然而實際上瀝青面層與半剛性基層的模量比較小，導致瀝青路面在車輛的垂直荷載和水平荷載綜合作用下，基層與面層之間產生很大的剪應力，而在超載情況下，層間剪應力非常大，有可能超過層間抗剪強度而出現層間剪切滑移破壞，使得基面層層間接觸總是介于完全連續(xù)與完全滑動之間， 這就造成瀝青路面的層間工作狀態(tài)與理論設計的工作狀態(tài)并不一致的，降低了路面結構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象。本文基于我國普遍存在的超載問題，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構在超載及層間狀態(tài)不同時的力學變化。
　　1分析方法
　　我國瀝青路面設計方法使用的標準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的標準荷載，根據研究，此標準圖示并不能代表超載、重載車輛對路面的作用，隨著軸重的增加，輪胎接地面積和接地半徑也會隨之增加，但車輛本身的構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，而且超載車輛多采用高強輪胎以便降低行車阻力，使得輪胎壓力普遍超過0.7Mpa[2-3]，因此在對超載現象研究時，如果只假定軸重提高而輪胎壓力不變來進行分析，或是將軸重和輪壓之間的關系隔離分布研究，與實際情況也是不符合的。
　　按文獻 對標準荷載圖示進行改進。由于輪壓、接地半徑均發(fā)生了變化，無法確定兩者之間的具體值，對于軸載、輪壓、接地半徑的關系，比較常見是H-K方法和比利時算法，文獻4對兩種方法進行了研究對比，發(fā)現利用兩種計算模型計算的荷載半徑差別很小，認為兩種方法計算出的結果是等效的，在重載輪胎接地壓強分布方面，很多學者也進行了諸多研究，認為輪載作用力大小及分布是十分復雜的，考慮了非均布荷載作用下的重載瀝青路面響應，并建議對輪跡的形式進行修正，但正因為其復雜性，對其修正也是近似計算的一種，且復雜性大大增加，故本文仍將輪跡簡化成雙當量圓，假定輪載均勻分布在圓面積上，通過計算便可求的接地壓力和荷載圓當量半徑。
　　采用BISAR3.0 程序來分析超載情況下，瀝青面層內部的應力變化，并對層間的接觸狀態(tài)進行不同的設置，bisar中為了解決層間接觸問題，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限薄的內層，它的強度就用彈性柔量來表示，簡化的剪切彈性模量即為ALK，通過對ALK賦予不同的值，使得滑移系數a在0~1之間變化，可得到不同的層間接觸。
　　2 參數取值
　　本文選取我國高等級公路常用的半剛性基層瀝青路面結構，其結構參數見表1，
　　表 1 瀝青路面結構及參數
　　路面結構層位模量（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來分別模擬不同程度的超載情況，按比利時方法計算的軸重、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a取0，0.25，0.5，0.75，0.99，來模擬層間接觸狀態(tài)由連續(xù)到完全滑移的五個水平，此時應該注意由于當量圓荷載半徑的變化對滑移系數的影響。
　　3計算結果分析
　　3.1超載對路表彎沉影響
　　圖1 超載率與路表彎沉增幅關系
　　路表彎沉表征路面整體結構在行車荷載重復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，這說明車輛超載對路面彎沉的影響是非常越明顯的，而且從數據上也可看出，超載率100%時，路表彎沉均達到或超過了標準荷載時路表彎沉的100%，由于半剛性基層瀝青路面的車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，這就要求在路面設計的時候，特別要考慮超載對瀝青路面的車轍及路面變形的影響。同時計算發(fā)現在不同的層間狀態(tài)，路表彎沉增加的幅度也是不同的，對曲線擬合比較，發(fā)現面基層間狀態(tài)由連續(xù)到完全光滑時，曲線的斜率越來越大，表明隨著層間接觸條件的逐步惡化，超載現象對路表彎沉的影響越來越劇烈。有圖可知，當層間處于完全滑移狀態(tài)時，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，而當層間接觸處于其他狀態(tài)時，路表彎沉的增幅隨層間狀態(tài)的變化增長并不顯著，這說明只有面基層處于完全滑移時，行車荷載對路表彎沉值才有非常顯著的作用效果，而當層間狀態(tài)處于部分接觸時，行車荷載對路表彎沉影響并因層間狀態(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，這說明路表彎沉應該是一項整體性、綜合性、和表觀性的指標，不能用其定量反映瀝青路面結構層的接觸狀態(tài)。
　　3.2超載對瀝青面層層底拉應力影響
　　圖2 超載率與面層層底拉應變變化率關系
　　我國現行規(guī)范對瀝青路面進行設計時，要求對瀝青路面面層層底進行拉應力驗算，以免其拉應力超過瀝青材料的抗拉強度而發(fā)生破壞，本文以標準荷載和層間完全接觸時的瀝青面層層底拉應力為參考，計算超載及其他層間接觸時面層層底拉應力的變化率。從圖2中可以看出，瀝青面層層底拉應力受軸載作用非常明顯，當超載率為100%時，層底拉應力的增幅超過了100%，可見超載現象對瀝青面層的拉裂破壞非常嚴重，從圖中也可知，當瀝青面基層間接觸變?yōu)橥耆�滑移時，瀝青面層層底拉應力變化明顯，且變化的幅度也越來越大，根據瀝青混凝土材料的疲勞方程，當層間接觸光滑時，瀝青面層的疲勞壽命將會有幾何級數的降低，可見，層間接觸條件對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，瀝青路面極易出現早期破壞。
　　3.3超載對路基頂變的影響
　　圖3 超載率與路基頂變的關系
　　對于半剛性基層，路面車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，但是在車輛荷載作用下，路基頂部也有著不同程度的增加，以標準荷載和層間完全接觸時的路基頂變?yōu)閰⒖�，計算不同荷載和不同層間接觸條件時，路基頂變的變化率，從圖3中可看出，隨著超載率的增加，路基頂的變形量也逐步增加，其變化規(guī)律呈線性分布，當超載率為100%時，層間不同狀態(tài)下，路基頂部變形幅度均很大，幾乎接近100%，這說明路基頂應變對軸載特別是超載是非常敏感的。從路基頂變的值來看，當層間接觸狀態(tài)處于完全滑移時，路基頂壓應變的值較之其他層間狀態(tài)有明顯的降低，因為當層間有部分連續(xù)時，路基頂部受到正應力比較大，當層間趨于光滑時，面層與基層之間的拉應力逐漸變大，剪應力也隨著增大，而傳遞到路基頂部即是壓應力和壓應變逐漸變小。瀝青面基層的接觸條件直接關系到路基的穩(wěn)定性。從路基頂變規(guī)律可以看出，當層間開始滑移時，應力的傳遞變得復雜，路面結構的整體性破壞，路基頂部受到壓應力和拉應力的綜合作用，從結果分析看，路基頂壓應變對超載更為敏感。路基在瀝青路面結構中主要承受由路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載，國內外的許多研究都表明，只要路基在使用過程中保持良好的工作狀態(tài)，就能確保整個路面結構的穩(wěn)定性，如果路基變形過大，故在半剛性基層瀝青路面施工過程中，為了確保路基的強度及穩(wěn)定性，應在基層與面層之間噴灑粘層油。

 

本文編號：7012