黃慶泓，范紅靜

（海南省公路勘察設(shè)計(jì)院，海南 ?？?570206）

0 引言

目前我國(guó)修建的高等級(jí)公路大多采用半剛性基層?；鶎右话悴捎脽o機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料，底基層一般采用無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土。采用半剛性基層可以增加路面結(jié)構(gòu)的承載力，為瀝青面層提供穩(wěn)定的支承。但是半剛性基層的材料的結(jié)構(gòu)性能比較容易造成基層開裂，在瀝青面層形成反射裂縫。為了避免使用半剛性基層而產(chǎn)生反射裂縫，提出了柔性基層（瀝青穩(wěn)定基層）的概念，它是在國(guó)外級(jí)配碎石瀝青路面基礎(chǔ)上發(fā)展起來的[1]。

國(guó)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究表明，較厚的瀝青面層有利于減小瀝青層底的拉應(yīng)變，降低其疲勞開裂的可能性，其疲勞壽命要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面。目前滬寧高速公路江蘇段的擴(kuò)建工程就采用了瀝青穩(wěn)定基層結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)利用AASHT01993版設(shè)計(jì)方法，參照美國(guó)的工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)滬寧高速公路的擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，得出了表1所示的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案。設(shè)計(jì)中考慮了超載對(duì)交通量的影響以及干壓二灰碎石廢料的利用[1]。

表1 柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方案

即使柔性基層路面能夠通過傳統(tǒng)力學(xué)模式的驗(yàn)算，在實(shí)際使用過程中，也會(huì)出現(xiàn)因強(qiáng)度不足而引起的疲勞開裂、車轍等各種破壞[2]。因此，本文利用三維有限元軟件研究滬寧高速公路擴(kuò)建工程中柔性基層在實(shí)測(cè)荷載作用下結(jié)構(gòu)層內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變。

1 實(shí)測(cè)輪胎地面接觸壓力簡(jiǎn)化模型

我國(guó)的瀝青路面設(shè)計(jì)方法中，以圓形均布荷載近似描述輪載對(duì)路面的作用力。在大多數(shù)道路設(shè)計(jì)方法中，輪胎與路面的接觸壓力被視為等同于輪胎壓力并一律分布于圓形區(qū)域。目前缺乏明確的計(jì)算輪胎膨脹壓力和相應(yīng)的與路面接觸壓力的方法論。為了使研究更加符合實(shí)際，本文采用黃河JN150重型貨車，11.00—20走向花紋輪胎在標(biāo)胎0.6MPa、額定載荷2500kg下的實(shí)測(cè)輪胎接觸壓力[3]，并簡(jiǎn)化成非均布荷載作用模型，如圖1所示。

圖1 實(shí)測(cè)計(jì)算用的11.00—20走向花紋輪胎接地面簡(jiǎn)化圖示

2 計(jì)算三維有限元模型

分析范圍在x、y軸方向都為3m，z軸方向（深度）為6m。計(jì)算采用ANSYS9.0中8結(jié)點(diǎn)等參單元Solid45，每個(gè)節(jié)點(diǎn)3個(gè)自由度，即x、y、z三個(gè)方向。該元素性質(zhì)為塑性、徐變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變。邊界條件假設(shè)為：底面上沒有z方向位移，左右兩面沒有x方向位移，前后兩側(cè)沒有y方向位移，各結(jié)構(gòu)層間接觸條件為完全連續(xù)，見圖2。

圖2 三維有限元計(jì)算模型

3 標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下有限元分析結(jié)果

（1）在考慮超載作用條件下，滬寧高速交通量折算為標(biāo)準(zhǔn)軸載總數(shù)為7.09×107次，此時(shí)柔性基層路面設(shè)計(jì)彎沉值為0.258mm[1]。在有限元分析中，輪胎對(duì)路面作用一次時(shí)，輪胎接觸路表面z軸方向的最大位移是0.270mm，比路面設(shè)計(jì)彎沉值高出0.012mm。由圖3中xy平面上的位移等值線可以看出，在輪胎直接接觸下的路面σz比較大，等值線呈不規(guī)則的拋物線。

圖3 xy平面上的位移等值線

（2）圖4、圖5所示為各層間在輪胎接觸中心z向上的應(yīng)力應(yīng)變。輪胎接觸中心是路面受力的最不利地點(diǎn)，路面病害大多發(fā)生在這些地方。為了同傳統(tǒng)的圓形均布荷載近似描述輪載對(duì)路面的作用力做比較，用有限元分析了在圓形均布荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)。取均布接觸壓力為0.7MPa，接觸半徑為0.107m，兩接觸圓形面中心相距0.321m。從圖4、圖5可以看出，應(yīng)力應(yīng)變曲線在實(shí)測(cè)和圓形荷載的作用下，走向非常相似，只是數(shù)值不同。實(shí)測(cè)的z向最大應(yīng)力為591650Pa，而圓形均布荷載的z向最大應(yīng)力為699330Pa，比實(shí)測(cè)的高出18.4%，這樣的設(shè)計(jì)明顯過于保守，增加了費(fèi)用。

圖4 各層間在輪胎中心的z向應(yīng)力

圖5 各層間在輪胎中心的z向位移

（3）路面結(jié)構(gòu)薄，則當(dāng)車輪荷載增加時(shí)瀝青底層x軸和y軸方向上的張力會(huì)先增大然后再減小。這種現(xiàn)象可以用瀝青層的厚度解釋：當(dāng)瀝青層厚度與荷載半徑相比較小時(shí)，張力不會(huì)完全顯現(xiàn)，薄的瀝青層為下面的結(jié)構(gòu)層傳輸更多的荷載。路面越厚，隨著輪胎荷載的增大，瀝青底層張力相應(yīng)增加。本文研究的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層的厚度達(dá)37cm，z向的應(yīng)力主要作用在瀝青層內(nèi)，在29cm厚的瀝青層內(nèi)，應(yīng)力的變化比較明顯，而應(yīng)變曲線的變化很緩和，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，證明路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及材料的應(yīng)用是合理的。根據(jù)瀝青路面結(jié)構(gòu)的環(huán)道試驗(yàn)得出以下結(jié)論：平均相對(duì)車轍為15.36mm，級(jí)配碎石基層的變形非常小，土基的變形為0.23mm[1]。從有限元分析結(jié)果來看，土基頂部在實(shí)測(cè)荷載作用一次下，變形為0.17mm，而級(jí)配碎石層頂部的z向應(yīng)力為32016Pa，z向位移為0.2mm。因此，有限元分析的結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果相似。

4 不同胎壓作用下有限元分析結(jié)果

當(dāng)面層結(jié)構(gòu)的材料抗剪強(qiáng)度較低時(shí)，面層有可能產(chǎn)生剪切破壞[6]。輪胎胎壓過低，會(huì)導(dǎo)致胎面的邊緣負(fù)荷劇增，使胎面的磨損不均勻（中部磨損較小，胎肩部分磨損嚴(yán)重）；胎壓過高，會(huì)使輪胎過度伸張，胎體疲勞進(jìn)程加快，造成輪胎早期爆裂。胎壓過高還會(huì)使輪胎與地面的接觸面積減小，增加了單位面積的負(fù)荷，造成胎冠中部嚴(yán)重磨損[7]。表2列出了不同胎壓下柔性路面有限元計(jì)算結(jié)果。

表2 不同胎壓下柔性路面有限元計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，在相同輪胎、額定荷載、不同胎壓下，整個(gè)瀝青層最大拉應(yīng)力σx、σy基本是隨胎壓的增加而增大；σz的變化與最大剪應(yīng)力峰值一樣，既有可能增大也有可能減小。雖然輪胎的負(fù)荷相同，但是由于胎壓不同，產(chǎn)生的剪應(yīng)力也不相同。在輪胎接觸地面的范圍內(nèi)，高胎壓產(chǎn)生的剪應(yīng)力最大，其次是標(biāo)準(zhǔn)胎壓，最后是低胎壓。相同負(fù)荷下，胎壓對(duì)路面剪應(yīng)力的影響很大。但不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為胎壓越高，所獲得的剪應(yīng)力就越大。在個(gè)別點(diǎn)處，低胎壓下產(chǎn)生的剪應(yīng)力最高，特別是在輪隙處。

同樣的輪胎，在額定負(fù)荷、不同胎壓下，最大剪應(yīng)力變化的規(guī)律較復(fù)雜，既有可能隨著胎壓的提高，峰值增大，也有可能隨著胎壓的提高，峰值降低。也就是說，當(dāng)負(fù)荷相同時(shí)，隨著車輛輪胎氣壓的變化，輪胎對(duì)路面的剪切作用與輪胎接地壓力的分布特性關(guān)系非常密切。

此外，高胎壓對(duì)路面產(chǎn)生的影響最大。由于胎壓過高，減少了輪胎與路面的接觸面積，增加了單位面積上的負(fù)荷，從而導(dǎo)致剪應(yīng)力過大。在路面結(jié)構(gòu)深度2cm處，高胎壓的最大剪應(yīng)力值為181490Pa，標(biāo)準(zhǔn)胎壓的最大剪應(yīng)力值為109350Pa，輪胎壓力增大了79.5%，相應(yīng)的剪應(yīng)力增大了66%。在輪胎接地范圍內(nèi)，即路面的磨耗層內(nèi)，高胎壓產(chǎn)生的剪應(yīng)力都遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)胎壓和低胎壓所產(chǎn)生的剪應(yīng)力。因此，必須避免高胎壓對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的損害。

5 結(jié)論

本文利用有限元軟件分析了柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變，得出以下結(jié)論：

（1）采用實(shí)測(cè)的輪胎接觸壓力下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變值比圓形均布荷載作用下路面的應(yīng)力應(yīng)變值小，而應(yīng)力值的變化主要發(fā)生在瀝青層內(nèi)，因此適當(dāng)增加瀝青層的厚度有利于緩解碎石基層的受力；

（2）從路面剪應(yīng)力分析來看，輕型貨車對(duì)路面結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定程度的應(yīng)力響應(yīng)，特別是在高胎壓的情況下；額定車輛荷載、不同胎壓作用于路面時(shí)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)彎沉的影響不大，但是對(duì)于局部應(yīng)力，尤其是瀝青層內(nèi)的力學(xué)響應(yīng)有明顯的影響；

（3）采用柔性基層并不會(huì)使土基受力過大，土基的變形在允許范圍之內(nèi)；級(jí)配碎石層頂和層底的受力大小相差不大，變形也很緩和；

（4）本文中分析的柔性路面結(jié)構(gòu)層在z軸方向的應(yīng)力應(yīng)變被控制在合理的范圍之內(nèi)，為柔性路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了很好的經(jīng)驗(yàn)。

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