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(上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院，上海 201418)

引言

為研究重載對路面結(jié)構(gòu)受剪、受壓性能的影響，本文結(jié)合重載作用模式，利用雙圓垂直均布荷載模式下的多層彈性體系理論計算方法，分別計算標(biāo)準(zhǔn)軸載與重載作用下半剛性基層瀝青路面靜態(tài)剪應(yīng)力、壓應(yīng)力，分析其在路面結(jié)構(gòu)中的分布規(guī)律，并研究軸載增加對其的影響規(guī)律。

1 路面結(jié)構(gòu)和參數(shù)

本文選用當(dāng)前我國高等級道路上普遍應(yīng)用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)作為代表性路面結(jié)構(gòu)進行分析，路面結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)見圖1。

圖1 典型半剛性基層路面計算圖示

2 重載作用圖示

瀝青路面力學(xué)計算的荷載模式采用雙圓均布荷載，其兩個主要計算參數(shù)是當(dāng)量圓半徑和均布荷載大小。比利時設(shè)計方法認為，重載作用下，輪胎接地壓力、接地面積同時隨軸載的變化而變化，并根據(jù)大量的實際調(diào)查資料統(tǒng)計出如下公式[1]：

主要道路：

A=(0.008P+152)±70

(1)

次要道路：

A=(0.009P+132)±90

(2)

式中：A——輪胎接地面積，cm2；P——每個輪胎所受的荷載，N；±70，±90——為保證率達到95%的離差范圍。 輪胎接地壓力p為：

(3)

根據(jù)我國道路的實際情況，取保證率50%，采用如下形式：

A=0.008P+152

(4)

3 各結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力分析

計算表明，在垂直車輛荷載作用下，面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力一般出現(xiàn)在雙輪外側(cè)邊緣的垂直線上。圖2分別給出了標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN、重載260 kN垂直輪載作用下最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置所在深度處的剪應(yīng)力水平方向分布。圖3為不同軸載下面層剪應(yīng)力隨深度變化圖。

(1)在橫向上的剪應(yīng)力變化趨勢。從圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力值一般出現(xiàn)在荷載邊緣外側(cè)臨界點2.5δ處，即輪胎邊緣外側(cè)，其次為荷載邊緣內(nèi)側(cè)臨界點0.5δ處，即輪胎邊緣內(nèi)側(cè)；隨著輪載的增大，輪胎與路面接觸面積也逐漸增大，路面結(jié)構(gòu)同一深度處，剪應(yīng)力最大值作用位置從輪胎邊緣外側(cè)向內(nèi)部偏移，位于輪胎當(dāng)量圓圓心與輪胎邊緣外側(cè)之間。例如在重載260 kN作用下，剪應(yīng)力最大值作用位置為2.0δ處。隨著軸載的增大，剪應(yīng)力峰值也隨之增大。當(dāng)軸載為100 kN時，剪應(yīng)力峰值為0.22 MPa；當(dāng)軸載為260 kN時，剪應(yīng)力峰值為0.30 MPa，增大了36%。

圖2 面層剪應(yīng)力沿路面橫向分布圖

圖3 不同軸載下面層剪應(yīng)力隨深度變化圖

(2)在深度方向的剪應(yīng)力變化趨勢。從圖3可知，在標(biāo)準(zhǔn)雙圓荷載100 kN作用下，從表面開始往下(表面下7 cm范圍內(nèi))，剪應(yīng)力由小到大增加得很快，到某一深度處達到峰值(表面下8 cm處)，然后剪應(yīng)力開始逐漸變小(表面下9～15 cm)，但速度減弱較慢。

隨著軸載的增加，在面層表面下7 cm范圍內(nèi)，軸載增大對剪應(yīng)力值的影響較小。從面層下7 cm開始，軸載增大對剪應(yīng)力值產(chǎn)生越來越大的影響。隨著軸載的增大，剪應(yīng)力值也越大，出現(xiàn)最大剪應(yīng)力的位置也在逐漸加深，剪應(yīng)力達到峰值后下降的速度也在減緩。所以，對于重載，剪應(yīng)力峰值通常屬于中面層和下面層內(nèi)，故瀝青混凝土中、下面層需要有較高的抗剪性能，以抵抗行車荷載。

4 面層豎向壓應(yīng)力

對于半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)，由于半剛性材料具有較強的整體性和板體性，在壓應(yīng)力作用下，半剛性材料層幾乎不產(chǎn)生壓縮應(yīng)變，行車荷載作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力對半剛性基層幾乎沒有破壞作用。本文僅討論面層內(nèi)壓應(yīng)力分布情況。

圖4為豎向壓應(yīng)力在面層內(nèi)的分布，圖5為面層底部壓應(yīng)力隨軸載變化圖。

圖4 豎向壓應(yīng)力在面層內(nèi)的分布

圖5 面層底部壓應(yīng)力隨軸載變化圖

由圖4可知，在標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN作用下，豎向壓應(yīng)力隨深度的增加而增大，到面層底面達到最大值。隨著軸載的增加，尤其在重載的作用下，豎向壓應(yīng)力隨深度的增加而急劇增大(在面層表面下7 cm范圍內(nèi))，在面層中部達到最大值，隨后豎向壓應(yīng)力隨深度的增加而緩慢減小。

由圖5可知，軸載增大對豎向壓應(yīng)力值的影響較大。以面層底部出現(xiàn)的壓應(yīng)力為例，隨著軸載的增加，豎向壓應(yīng)力值基本呈線性增長。所以重載將顯著增加瀝青面層壓密變形的發(fā)生。

5 結(jié)論

綜合上述計算分析結(jié)果，重載作用下，瀝青中面層和下面層承受較大的剪應(yīng)力和壓應(yīng)力，對于重載半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，其中面層、下面層需要有較高的抗剪性能和抗壓性能。

參考文獻：

[1] 黃文元，王旭東，孫立軍.公路超載特征及重載瀝青路面交通量參數(shù)[J].公路，2003(5)：56-59.