李紅英

（鄭州市公路管理局，河南 鄭州 450001）

0 引言

隨著公路工程建設(shè)的快速發(fā)展，瀝青路面結(jié)構(gòu)作為一種主要的高級路面結(jié)構(gòu)形式被廣泛采用。但同時，隨著交通流量的日益增大以及車輛大型化和重載車比例的不斷增加，公路瀝青路面結(jié)構(gòu)正在面臨嚴峻的考驗。很多采用瀝青路面結(jié)構(gòu)的公路在使用一段時間后出現(xiàn)不同程度的問題，如裂縫、車轍、松散、沉陷等，這都嚴重影響了公路的高速、順暢交通。

為了能更好地使用瀝青路面，有必要對瀝青路面進行分析與研究。本文將根據(jù)實際情況，建立模型，對瀝青路面在動載作用下的三維受力情況進行分析，研究瀝青路面的損傷機理，以便能針對性地對瀝青路面進行改進，提高瀝青路面的耐用性及安全性。

1 模型參數(shù)的選取

模型中車輛荷載的確定參考《公路橋涵設(shè)計規(guī)范》［1］，采用自重300kN的汽-20級荷載，前軸重力為60kN，后軸重力為240kN。計算中考慮動力放大作用，將每根車軸上承擔的荷載提高，簡化為兩個沖擊荷載作用于地面。模型試驗中所加軸荷載的峰值是250kN，通過四個車輪（兩對）加載。

公路面層是路面結(jié)構(gòu)中的主要承重部分，承受了大部分由車輛荷載引起的動附加應(yīng)力［2］，故本研究主要分析面層性質(zhì)對分層地基力學響應(yīng)的影響，并進行界面損傷分析。本研究采用常用的路面結(jié)構(gòu)層［3］，確定如表1所示的路面結(jié)構(gòu)形式。基層為水泥穩(wěn)定碎石，底基層為水泥穩(wěn)定土。

表1 路面結(jié)構(gòu)形式及計算參數(shù)

2 有限元計算模型

本研究以有限元分析軟件ANSYS7.0為工具對動載作用下的瀝青路面三維受力情況進行建模并分析［4］。根據(jù)實際情況并依據(jù)垂直應(yīng)力和接地尺寸的特性，分析X、Y軸（路面剖面）范圍。X軸為路面橫向軸，根據(jù)典型車道寬度，取12m；Y軸為豎向軸，按照典型路面結(jié)構(gòu)厚度［5］，取0.1m+0.18m+0.32m+2m+5m=7.6m；Z軸為公路縱向，根據(jù)行車歷程及計算設(shè)定的要求，沿長度方向取25m。公路路面結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，建模時各界面采用共高斯點的方式進行連接。

圖1 公路路面結(jié)構(gòu)圖

3 三維計算結(jié)果整理與分析

3.1 輪對的影響范圍

按應(yīng)力集度sint判斷，在公路表面上提取縱向影響范圍共3.5m，橫向影響范圍共3.2m。通過調(diào)整及計算，得到在第18步荷載時公路結(jié)構(gòu)層面的位移矢量和如圖2所示。

圖2 位移矢量和（第18步荷載）

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)，在縱向（行車方向）有波前效應(yīng)，因此要深入研究道路界面損傷，必須以動力問題為出發(fā)點進行分析。考慮到軸荷載到達前后的疊加影響，可計算得到該荷載18步時刻，最大豎向位移為0.564mm。隨著路面深度的增加，發(fā)現(xiàn)在路表下面4.75～110mm深度，垂直剪應(yīng)變明顯大于縱向及橫向拉應(yīng)變。相反，在瀝青結(jié)構(gòu)層層底，輪胎荷載的縱向和橫向拉應(yīng)變大于垂直剪應(yīng)變。在大多數(shù)傳統(tǒng)疲勞損傷傳遞中，常用瀝青混合料層底橫向（有時為縱向）拉應(yīng)變來確定疲勞損傷程度。然而，本研究認為，表面下的垂直剪應(yīng)變也很重要，其對臨近表面的潛在裂縫損傷起主要作用，可以當作瀝青混合料淺處特殊的疲勞裂縫損傷來處理。

3.2 動載作用對橫向彎沉的影響

路表彎沉是在一定車輛荷載作用下路表面的豎向變形，是反映路面整體承載能力高低和使用狀況好壞的最直觀、最簡單的指標，也是從側(cè)面反映界面損傷的重要參數(shù)。它是路面各結(jié)構(gòu)層各自變形的綜合結(jié)果，因此該變形在一定程度上反映了路面各結(jié)構(gòu)層及土基的力學性質(zhì)。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范的要求［6］，在雙輪車輛荷載作用下，路表面輪隙中心處采用彎沉作為路面整體抗變形能力的指標。選取這個點的彎沉作為路面設(shè)計指標有一定的局限性，不能反映復(fù)合路面的路用性能，但是一方面它便于實地測量，另一方面它也能反映出路面的整體抗變形能力。

當車輛兩輪中心橫向坐標分別為-0.86m、-1.14m時，在250kN（典型荷載）軸載動力作用下，車輛駛過復(fù)合面層頂面時，路表輪隙中心點的彎沉值變化如圖3所示。由圖3可以看出，車輛荷載作用下路表彎沉最大值發(fā)生在輪胎與路面接觸面的中心，它與路表輪隙中心點彎沉值差別不大。

圖3 路面橫向彎沉曲線

另外，計算界面1、界面2及界面3的橫向彎沉可以發(fā)現(xiàn)，車輛荷載作用下各個界面彎沉最大值均發(fā)生在輪胎與路面接觸面的中心的正下方，其最大值分別為0.487mm、0.456mm、0.385mm。由于該彎沉值均遠遠大于標準軸載作用下的路表彎沉值，所以容易導致路面開裂、沉陷及坑槽等病害的發(fā)生。且路面結(jié)構(gòu)中不同層次的剛度不同，在橫向彎沉的情況下也為界面損傷提供了直接的源動力，是界面損傷發(fā)生的根本原因。

3.3 動載作用對拉應(yīng)力的影響

在標準荷載作用下公路結(jié)構(gòu)各層的豎向應(yīng)變?nèi)鐖D4所示，可以看出，在車輪荷載作用的一定區(qū)域內(nèi)，路面承受的是壓應(yīng)力，而車輪荷載外側(cè)承受的是拉應(yīng)力。這樣，在車輪兩邊外側(cè)承受拉應(yīng)力的地方，就是不少道路上輪跡帶外側(cè)出現(xiàn)平行于行車方向自上而下裂縫的地方。

圖4 路面結(jié)構(gòu)各層豎向等效應(yīng)變剖面圖

移動荷載作用下路表最大豎向應(yīng)力如圖5所示，路表最大拉應(yīng)力的位置一般在輪跡帶的內(nèi)側(cè)邊緣。由于道路前期大多處于彈性階段，可推測出隨著軸載水平的增加，路表最大拉應(yīng)力值也近似成比例增加。

圖5 公路結(jié)構(gòu)層豎向應(yīng)力剖面圖

動載使公路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力，又由于瀝青上面層的拉應(yīng)力最大，所以很多道路路面的破壞最早發(fā)生在面層上?，F(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中，瀝青混凝土層、半剛性材料基層和底基層以拉應(yīng)力為設(shè)計或驗算指標［7］。因此，有必要對動載作用下結(jié)構(gòu)層層底彎拉應(yīng)力進行研究。

根據(jù)對路面及各個界面的豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力和剪應(yīng)變進行模擬、整理并分析，可知在荷載作用下，瀝青面層內(nèi)部以承受剪切應(yīng)力為主，特別是面層表面的剪應(yīng)力水平較高。在重載交通條件下，瀝青混凝土表面在較大的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的綜合作用下將首先產(chǎn)生破壞，這與路面實際觀測的病害現(xiàn)象一致：瀝青路面的縱向裂縫首先產(chǎn)生在輪跡帶位置，并且從上向下逐漸發(fā)展。同時，由于面層底面沿水平方向分布的拉應(yīng)力為負值，而基層沿水平方向分布的拉應(yīng)力為正值，說明在荷載反復(fù)作用下面層產(chǎn)生彎曲和壓縮變形，而基層以下各層則產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。這樣在面層和基層接觸面上會產(chǎn)生很強的剪切疲勞作用，容易造成路面的剪切破壞。

4 固定點的時程計算結(jié)果分析

針對公路結(jié)構(gòu)面的固定點，進行行車過程中的動力時程分析，計算中取Interface1表示界面1，Interface2表示界面2，Interface3表示界面3。

4.1 公路結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)過程

通過對各個固定點處在整個行車過程中的動力響應(yīng)時程（包括豎向位移時程、等效應(yīng)力時程、層面內(nèi)剪應(yīng)力時程、豎向應(yīng)力時程等）進行整理及計算，得出行車作用過程中時間歷程的最大值，如表2所示。

表2 行車作用過程中時間歷程最大值

在較大車速（本研究中取為90km/h）下，外力產(chǎn)生的慣性力可能比低速時更大。因為在迅速加載時，動態(tài)系統(tǒng)的加速度增大，這樣導致了一個短的動態(tài)脈沖上升時間。因此，速度快的車輛荷載比速度慢的會產(chǎn)生更大的慣性力，這時可能會引起更高的路面響應(yīng)。

經(jīng)驗表明，對于長壽命瀝青路面來說，路面的損傷主要發(fā)生在路表面［8］。因此，為了掌握長壽命路面的損傷行為，有必要結(jié)合路面力學響應(yīng)，對路面損傷進行分析。計算典型輪胎荷載（250kN）在一定車速（90km/h）下引起的臨界路面響應(yīng)，得出公路結(jié)構(gòu)三個界面處的豎向應(yīng)變時程曲線，如圖6所示。

圖6 公路結(jié)構(gòu)三個界面處的豎向應(yīng)變時程曲線

4.2 路基頂部的臨界壓應(yīng)變

路基永久變形一般與路基頂部的壓應(yīng)變有關(guān)。從圖6可以看出，在特定速度（90km/h）和典型荷載（250kN）作用下，結(jié)構(gòu)路基頂部壓應(yīng)變在界面1處達335με，明顯超出200με，存在較高損傷破壞的風險；界面2和界面3也大于200με，這是移動荷載的放大與疊加作用結(jié)果。這也說明，結(jié)構(gòu)的路基頂部壓應(yīng)變不滿足長壽命路面路基頂部壓應(yīng)變應(yīng)小于200με的指標要求，需要加強。

結(jié)合前面的分析，假設(shè)路面的設(shè)計年限內(nèi)一個車道累計當量軸次為600萬次，可得瀝青面層的極限抗拉強度為0.287MPa，基層的極限抗拉強度為0.257MPa，底基層的極限抗拉強度為0.12MPa。對于這種結(jié)構(gòu)形式的路面，當軸載超過250kN的車輛駛過時，所產(chǎn)生的界面第一主應(yīng)力已超過抗拉強度設(shè)計值，瀝青面層就有可能發(fā)生極限破壞，下層界面雖然絕對應(yīng)力稍小，但容許設(shè)計拉應(yīng)力相應(yīng)地也小，同樣很有可能發(fā)生破壞。因此，為了保證路面結(jié)構(gòu)的安全性，需要采取特殊的工程措施。

5 結(jié)論

本研究從公路路面結(jié)構(gòu)入手，利用三維有限元的方法對動載作用下的路面進行力學計算和分析，得出如下主要研究結(jié)論。

5.1 車輛移動荷載作用下路表彎沉最大值發(fā)生在輪胎與路面接觸面的中心。當軸載水平很大時，路表的理論彎沉值遠遠大于標準軸載作用下的路表彎沉值，故容易造成路面開裂、沉陷及坑槽等病害。

5.2 在車輪移動荷載作用的一定區(qū)域內(nèi)，路面表面承受的力為壓應(yīng)力，而車輪荷載外側(cè)承受的力為拉應(yīng)力。所以，在車輪兩邊外側(cè)承受拉應(yīng)力的地方，就是不少道路上輪跡帶外側(cè)出現(xiàn)平行于行車方向自上而下裂縫的地方。

5.3 路表最大剪應(yīng)力的位置在輪胎邊緣附近，與路表最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置接近。因此，行車帶輪跡邊緣附近在路表拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的共同作用下容易出現(xiàn)平行于行車帶自上而下的裂縫。其最大剪應(yīng)力隨著深度的增加而先增大后減小，最大剪應(yīng)力通常出現(xiàn)在面層的中上部。

5.4 動力過程有疊加影響，本研究采用的動力計算能彌補靜力分析的不足，結(jié)果更加科學合理。

［1］JTG D60—2004，公路橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］JTG F40—2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］伍光濤.基于三維有限元的瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)可靠性分析［J］.公路，2010，（2）：87-90.

［5］隋圓圓.重載交通瀝青路面受力機理及結(jié)構(gòu)組合設(shè)計［D］.西安：長安大學，2007.

［6］GB 50009—2001，結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范［S］.

［7］JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］劉福明.長壽命瀝青路面損傷行為及其結(jié)構(gòu)壽命合理匹配研究［D］.廣州：華南理工大學，2010.