劉紅平

改革開放以來,隨著經(jīng)濟的快速增長,交通狀況有了明顯改善,瀝青路面由于具有良好的行車舒適性、建設速度快、維修方便等特點得到廣泛應用。但由于交通量的大幅度增加,許多瀝青路面出現(xiàn)滑移、壅包等病害,這些病害使瀝青路面的使用性能迅速下降,大大降低了公路的社會效益和經(jīng)濟效益?；茣苯訉е侣访娉霈F(xiàn)開裂、變形,而壅包則直接影響了路面的平整度。

由于現(xiàn)階段道路上行駛車輛多軸數(shù)、重軸載、高輪壓的新特點,使道路路面材料受力狀況較以往發(fā)生了明顯變化,變得更加復雜,傳統(tǒng)路面結(jié)構力學分析所采用的均布輪胎荷載計算模式已經(jīng)不太適應,復雜的接觸壓力導致了面層與面層間的剪應力大幅度增加,研究道路層間的剪應力情況,找到合適的層間表面處理方法,指導道路施工,對保證路面質(zhì)量,合理利用工程資源,延長路面使用壽命都具有重要意義。

1 瀝青路面力學基本理論與假設

本文采用BISAR程序進行路面結(jié)構應力分析,BISAR程序是以多層彈性層狀體系理論為基礎,彈性層狀體系是由若干個彈性層組成,上面各層具有一定的厚度,最下一層為彈性半空間。應用彈性力學方法求解彈性層狀體系的應力、應變和位移等分量時,引入如下假設:1)各層是連續(xù)的、完全彈性的、均質(zhì)的、各向同性的,以及位移和變形是微小的;2)最下一層在水平方向和垂直向下方向為無限大,其上各層厚度為有限、水平方向無限大;3)各層在水平方向無限遠處及最下一層向下無限深處,其應力、變形和位移為零;4)層間接觸條件,應力和位移連續(xù)(稱連續(xù)體系),或者層間僅豎向應力和位移連續(xù)而無摩阻力(稱滑動體系),以及介于二者之間的半連續(xù)半滑動體系;5)不計自重。

2 路面層間剪應力設計指標

瀝青路面基面層間剪應力設計標準取決于兩個因素[1]:

1)在車輛荷載作用下,面層間產(chǎn)生的最大剪應力τmax;2)由層間狀態(tài)所決定的容許剪應力τR。即在垂直荷載和水平荷載共同作用下,面層間可能產(chǎn)生的最大剪應力τmax應不大于面層間的容許剪應力 τR,即 τmax≤τR。

面層間最大剪應力τmax可由有限元程序計算確定,其中作用于路面表面的水平荷載與車輛的行駛狀態(tài)有關,一般用車輪垂直荷載乘以車輪與路面之間的摩擦系數(shù)表示,即:Ph=fPν。

其中,Ph為由車輛行駛狀態(tài)所決定的水平荷載;Pν為車輛垂直荷載,一般用輪載來表示;f為車輪與路面之間的摩擦系數(shù),也稱水平力系數(shù)。摩擦系數(shù) f值與車輛行駛狀態(tài)有關。參考各國的研究成果,車輛行駛狀態(tài)可

分為正常行駛、緩慢制動和緊急制動3種狀態(tài),各種狀態(tài)的摩擦系數(shù) f值如下:正常行駛0.1;緩慢制動0.2;緊急制動0.5。

上下面層間容許剪應力τR由面層間抗剪強度τf除以抗剪結(jié)構強度系數(shù)KT確定,即:

其中,τf為一次荷載作用下上下面層間抗剪強度;KT為抗剪結(jié)構強度系數(shù)?？辜艚Y(jié)構強度系數(shù)KT也與車輛行駛狀態(tài)有關。

緊急制動時(f=0.5),不考慮車輛荷載重復作用(不考慮疲勞作用)

其中,Ne為設計年限內(nèi)一個車道上累計當量軸次,計算累計當量軸次時,采用彎沉等效軸載換算公式進行換算;Ac為公路等級系數(shù),高速公路和一級公路 Ac=1.0,二級公路 Ac=1.1,三級公路和四級公路Ac=1.2。

3 層間剪應力的影響因素分析

本文運用BISAR軟件計算選取的路面結(jié)構按某公路的實體工程選取,如表1所示。

表1 路面結(jié)構層設計參數(shù)

1)荷載對剪應力的影響。保持面層和基層材料參數(shù)不變,改變垂直荷載的大小,分別計算完全連續(xù)和完全光滑時層間最大剪應力的分布規(guī)律,如表2所示。

從表2中可以看出:兩種狀態(tài)下層間最大剪應力都隨著荷載的增大而逐漸增加,在同一級別的荷載作用下,完全光滑時比完全連續(xù)時的最大剪應力要大,且隨著荷載的增大,增大的幅度比完全連續(xù)狀態(tài)下的增幅要大。

表2 荷載對層間剪應力的影響

2)面層厚度對剪應力的影響。改變面層厚度,假設兩層面層為同種材料,基層材料不變,改變面層模量,分別計算完全連續(xù)和完全光滑狀態(tài)下層間最大剪應力,剪應力的分布規(guī)律如表3所示。

表3 面層厚度對層間剪應力的影響

由表3可以看出,兩種狀態(tài)下的剪應力都隨著面層厚度的增加而減小。同一厚度下,完全光滑時的層間剪應力比完全連續(xù)時要大,在條件容許情況下適當增加面層厚度能降低層間剪應力。

4 結(jié)語

1)層間剪應力隨著荷載的增大而逐漸增大,在同一級別的荷載作用下,完全光滑狀態(tài)時比完全連續(xù)狀態(tài)時的最大剪應力要更大,并且隨著荷載的增大,增大幅度比完全連續(xù)狀態(tài)下的增幅要大。

2)層間剪應力都隨著面層厚度的增加而減小。同一厚度下,完全光滑時的層間剪應力比完全連續(xù)時要大,在條件容許情況下適當增加面層厚度能降低層間剪應力,保證路面的質(zhì)量。

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