郭寅川，王禮根，申愛琴，顧聘聘

(長(zhǎng)安大學(xué)　公路學(xué)院，陜西　西安　710064)

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動(dòng)載作用下級(jí)配碎石基層瀝青路面力學(xué)分析

郭寅川，王禮根，申愛琴，顧聘聘

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

新疆地區(qū)半剛性瀝青路面反射裂縫嚴(yán)重，采用級(jí)配碎石基層全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)是根治反射裂縫的有效途徑?；诩?jí)配碎石基層全柔性瀝青路面破壞形式對(duì)控制指標(biāo)進(jìn)行分析，研究路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)量在不同的動(dòng)態(tài)荷載條件下的變化規(guī)律，為新疆地區(qū)級(jí)配碎石基層全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。通過(guò)ANSYS有限元軟件建立三維模型，并施加半正弦動(dòng)態(tài)荷載，最后利用非線性有限元計(jì)算程序LS-DYNA進(jìn)行顯式計(jì)算。分析結(jié)果表明：瀝青層拉應(yīng)力對(duì)車速以及面層厚度敏感性較高，面層厚度對(duì)級(jí)配碎石層剪應(yīng)力影響較大；瀝青面層厚度10 cm是瀝青層拉應(yīng)力以及級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)變化的一個(gè)拐點(diǎn)。

道路工程；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析；全柔性瀝青路面；動(dòng)態(tài)荷載

0　引言

隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，新疆公路建設(shè)如火如荼。近年來(lái)，該地區(qū)所建高速和一級(jí)公路以半剛性基層瀝青路面為主，多采用瀝青面層為(4+6)cm,(5+7)cm和(4+5+7)cm結(jié)構(gòu)，基層為30 cm或33 cm水穩(wěn)砂礫基層以及15 cm或20 cm砂礫墊層結(jié)構(gòu)。由于新疆屬于典型的大溫差地帶，溫差達(dá)到50 ℃左右，在交通及環(huán)境因素作用下，半剛性基層的干縮和溫縮較其他地區(qū)更為突出，路面反射裂縫病害非常嚴(yán)重，如不加以防治，將會(huì)大大縮減路面的使用壽命。

國(guó)外大量實(shí)踐證明，柔性基層瀝青路面可以根治半剛性瀝青路面開裂嚴(yán)重的頑疾，特別是級(jí)配碎石基層，效果更佳。張敏江[1]等利用ABAQUS有限元軟件研究了級(jí)配碎石基層非線性對(duì)級(jí)配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)受力的影響，并基于此推薦了面層和基層厚度范圍。申愛琴[2]等利用BISAR3.0和Mathlab7.0軟件對(duì)柔性、復(fù)合式以及半剛性基層瀝青路面進(jìn)行了力學(xué)響應(yīng)量的計(jì)算分析，并對(duì)比了3種結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)量。朱洪洲[3]等利用正交分析方法對(duì)柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析，得出了級(jí)配碎石和瀝青穩(wěn)定基層厚度等對(duì)路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力兩項(xiàng)指標(biāo)的影響。

但是目前對(duì)級(jí)配碎石基層瀝青路面進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)大都基于豎向靜荷載，沒有考慮動(dòng)荷載的影響，更是忽略了水平力的影響，這與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。另外，在進(jìn)行級(jí)配碎石基層瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，仍套用半剛性瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)，既不能對(duì)柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)受力起到有效的控制作用，也不能防止柔性基層瀝青路面病害的發(fā)生。

鑒于此，本文針對(duì)新疆特殊氣候環(huán)境，采用瀝青面層+瀝青穩(wěn)定碎石上基層+級(jí)配碎石基層+砂礫墊層的全柔性路面結(jié)構(gòu)組合形式，考慮到級(jí)配碎石非線性的條件，擬定了級(jí)配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件建立全柔性路面結(jié)構(gòu)三維模型，通過(guò)施加不同的動(dòng)態(tài)荷載，深入分析各設(shè)計(jì)指標(biāo)的變化規(guī)律，探索面層厚度相對(duì)于瀝青層拉應(yīng)力和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)變化的拐點(diǎn)，為新疆地區(qū)該種路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1　柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

國(guó)內(nèi)外針對(duì)柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究中，提出了大量的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如瀝青層底拉應(yīng)力(應(yīng)變)、級(jí)配碎石層表面豎向位移以及彎沉等。本文則從級(jí)配碎石基層全柔性瀝青路面的主要破壞形式考慮，采用如下結(jié)構(gòu)控制指標(biāo)：

(1)瀝青面層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力

在國(guó)外鋪筑的大量柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，TOP-DOWN裂縫是路面主要破壞形式之一。因此，進(jìn)行柔性瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)這種破壞形式必然要重點(diǎn)考慮。TOP-DOWN裂縫的產(chǎn)生是瀝青表面的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，所以采用瀝青面層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

(2)級(jí)配碎石層剪應(yīng)力

同樣，大量實(shí)踐表明級(jí)配碎石基層柔性基層瀝青路面的另一種破壞形式是級(jí)配碎石的剪切破壞。在設(shè)計(jì)階段可以通過(guò)調(diào)整路面結(jié)構(gòu)，將級(jí)配碎石層的剪應(yīng)力控制在一個(gè)合理的范圍以內(nèi)。因此，本文將級(jí)配碎石層剪應(yīng)力作為一項(xiàng)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。

(3)土基頂面壓應(yīng)變

土基頂面壓應(yīng)變是控制路基永久變形的指標(biāo)，以此來(lái)表征瀝青路面的永久變形。此項(xiàng)指標(biāo)在國(guó)外有著廣泛的運(yùn)用，在國(guó)內(nèi)仍以路表彎沉予以代替。但是路表彎沉是瀝青路面結(jié)構(gòu)綜合性的指標(biāo)，不能表征土基頂面壓應(yīng)變。因此，為了更好地對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文將土基頂面壓應(yīng)變作為一項(xiàng)控制指標(biāo)。

(4)路表彎沉

如上所述，路表彎沉是瀝青路面一項(xiàng)綜合性設(shè)計(jì)指標(biāo)，也是表征瀝青路面結(jié)構(gòu)整體承載能力的最直觀的指標(biāo)。大量柔性基層瀝青路面的實(shí)踐表明，路表彎沉與柔性基層瀝青路面使用壽命的相關(guān)性不大，即彎沉大的柔性基層瀝青路面，使用壽命并不一定小。鑒于此，本文將路表彎沉作為一項(xiàng)參考指標(biāo)。

2　級(jí)配碎石層的非線性模型

級(jí)配碎石是顆粒型松散材料，由其構(gòu)成的級(jí)配碎石層具有典型的非線性特性。在國(guó)內(nèi)外的研究中，級(jí)配碎石的代表模型主要有D-P模型、U zan模型和k-θ模型。其中，D-P模型的回彈模量是固定值，與實(shí)際中模量隨著應(yīng)力狀態(tài)變化而變化(非線性)的情況相差甚遠(yuǎn)。東南大學(xué)黃曉明[4-5]等利用U zan模型和k-θ模型回歸了級(jí)配碎石動(dòng)三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)具有相當(dāng)好的可靠度，且證明了U zan模型較k-θ模型能更好地反映級(jí)配碎石回彈模量的非線性特性。U zan模型的表達(dá)式如下：

(1)

式中，E為級(jí)配碎石的回彈模量；θ為主應(yīng)力之和或第一應(yīng)力不變量(σ1+2σ3)；σd為偏應(yīng)力(σ1-σ3)；σ1為主應(yīng)力；k1、k2和k3為回歸系數(shù)，k1，k2和k3的值通常根據(jù)室內(nèi)重復(fù)動(dòng)三軸試驗(yàn)回歸得來(lái)，本文結(jié)合新疆級(jí)配碎石材料性質(zhì)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)取值，k1，k2和k3的值分別為424，0.5和0.125。

3　有限元模型的建立

3.1動(dòng)載的形式

作用在路面上的車輛荷載是典型的動(dòng)荷載，不同動(dòng)載的作用形式對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力情況有一定區(qū)別。依據(jù)《新疆公路瀝青路面設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè)》，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用雙圓均布荷載，但雙圓均布荷載是靜載模式，且該手冊(cè)忽略了水平力的作用，與實(shí)際差異甚大。此外，根據(jù)同濟(jì)大學(xué)胡小弟[6]等人實(shí)測(cè)研究，隨著載荷的增加，輪胎接地形狀愈接近于矩形。本文選取動(dòng)載模擬汽車荷載，并采用雙矩形荷載圖式；同時(shí)考慮水平力的影響，取摩擦力系數(shù)為0.2。其中，兩矩形的形心相距0.32 m，是矩形長(zhǎng)度的1.5倍，矩形的寬為0.188 m。根據(jù)美國(guó)Imad L.AL-Qadi[7-8]教授等人的實(shí)測(cè)結(jié)果，實(shí)際道路中的動(dòng)荷載曲線更接近于半正弦波形式，如圖1所示。因此，取動(dòng)載為半正弦模式，如式(2)所示。

(2)

(3)

式中，Pt為任意t時(shí)刻荷載；P為靜載數(shù)值，0.7 MPa；T為荷載作用時(shí)間；R為輪載作用面等效半徑，數(shù)值為0.106 5 m；v為車速。

圖1　半正弦荷載模式Fig.1　Half sine load mode

3.2有限元模型及其邊界條件

本文利用ANSYS前處理器對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)建立有限元模型，采用12 m×12 m×12 m模型。單元采用ANSYS/LS-DYNA指定的SOLID164，單元的數(shù)量約為180 000，如圖2所示。其中，關(guān)于級(jí)配碎石層U zan模型是利用ANSYS中UPFS提供的二次編程FORTRAN77程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在有限元模型中y軸代表路面厚度方向，x軸為橫向，z軸與汽車行駛方向一致。對(duì)于邊界條件的設(shè)定，本文采用路面結(jié)構(gòu)層與層之間為完全連續(xù)狀態(tài)；x與z方向前后兩面的位移為0，并將y軸底面設(shè)為固定狀態(tài)。

圖2　路面結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2　Finite element model of pavement structure

4　計(jì)算結(jié)果分析

4.1不同速度對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)量的影響

4.1.1路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的確定

考慮到新疆地區(qū)交通、環(huán)境及經(jīng)濟(jì)條件等因素，本文采用了瀝青穩(wěn)定碎石層以增加瀝青層厚度降低工程造價(jià)，具體路面結(jié)構(gòu)如表1所示。由于本文對(duì)路面結(jié)構(gòu)施加動(dòng)荷載，必須使用動(dòng)態(tài)參數(shù)，而動(dòng)態(tài)回彈模量的取值與眾多因素有關(guān)，如溫度、荷載以及頻率等。通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)分析認(rèn)為，當(dāng)試驗(yàn)頻率在10 Hz(即加載時(shí)間為0.016 s)時(shí)，相當(dāng)于汽車以60～65 km/h的速度行駛在瀝青路面上，故標(biāo)準(zhǔn)條件的頻率選定為10 Hz。參考新疆地區(qū)所用瀝青混合料的研究成果[9]，以及長(zhǎng)安大學(xué)申愛琴課題組[10-11]對(duì)新疆地區(qū)瀝青混合料相關(guān)試驗(yàn)，本文采用的瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量如表1所示。此外，眾所周知,對(duì)任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算就必須考慮阻尼作用，阻尼起到減少結(jié)構(gòu)不必要的震動(dòng)作用。瑞利阻尼是最常用的阻尼形式，其參數(shù)為阻尼比，阻尼比取值在0.14以下，路面結(jié)構(gòu)阻尼比的一般取值范圍為0.02～0.09。因此本文采用瑞利阻尼模擬路面結(jié)構(gòu)中的阻尼現(xiàn)象，并取阻尼比為0.05。

表1　新疆級(jí)配碎石柔性路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

4.1.2不同速度條件下的計(jì)算結(jié)果分析

利用所建立的計(jì)算模型及確定的參數(shù)，首先計(jì)算不同速度條件下新疆級(jí)配碎石瀝青路面結(jié)構(gòu)的各設(shè)計(jì)指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖3～圖7所示。

如圖3所示，在輪胎開始作用時(shí)彎沉值逐漸增大；輪胎駛過(guò)時(shí)，彎沉值逐漸減小，并在車輛離開后一段時(shí)間后，路表彎沉值以0為基準(zhǔn)點(diǎn)上下波動(dòng)并且逐漸趨于0。車速的變化對(duì)路表彎沉值的大小有一定的影響。車速在20～40 km/h之間時(shí)，隨著車速的增加彎沉值逐漸增加。當(dāng)車速為40 km/h時(shí)，路表彎沉值最大為38.5(0.01 mm)。當(dāng)車速由40 km/h 逐漸提高到100 km/h過(guò)程中，路表彎沉值逐漸減小。因此，當(dāng)車速達(dá)到40 km/h時(shí)，隨著車速的提高對(duì)路表彎沉指標(biāo)越有利，且車速為40 km/h是路表彎沉指標(biāo)變化的分界點(diǎn)。

圖3　路表彎沉隨時(shí)間變化圖Fig.3　Deflection of pavement surface varying with time

如圖4所示，瀝青層拉應(yīng)力值均在80 kPa以下，且峰值隨著車速的提高先降低后提高，其中40 km/h 為其分界點(diǎn)。在車速為20 km/h時(shí)，在汽車離開后的拉應(yīng)力值的波動(dòng)峰值為最大峰值的7.2%；車速為40 km/h時(shí)，波動(dòng)峰值為最大峰值的23.1%；車速為60，80 km/h和100 km/h時(shí)，波動(dòng)峰值約為最大峰值的35%。因此，在計(jì)算瀝青層拉應(yīng)力指標(biāo)時(shí)，應(yīng)計(jì)算高速狀態(tài)下的最大波峰值，并有必要考慮波動(dòng)時(shí)峰值的大小。瀝青層的容許拉應(yīng)力一般在100～300 kPa之間[12-13]。新疆地區(qū)白天氣溫較高，輻射的效應(yīng)使路面溫度可達(dá)到60 ℃以上，因此拉應(yīng)力容許值建議取低值。此外，隨著車速的提高瀝青層拉應(yīng)力波峰存在的時(shí)間逐漸減小，在速度為20 km/h 的瀝青層拉應(yīng)力波峰存在的時(shí)間是速度為100 km/h時(shí)的2.5倍。

圖4　瀝青層拉應(yīng)力隨時(shí)間變化圖Fig.4　Tensile stress of asphalt layer varying with time

由圖5可知，瀝青層剪應(yīng)力隨著車速的增加，其峰值沒有太大的變化，約為135 kPa。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)畢玉峰以及長(zhǎng)安大學(xué)莊傳儀等人研究，瀝青混合料視材料不同，抗剪強(qiáng)度(60 ℃)一般在200～400 kPa 之間[14-15]，因此車速對(duì)瀝青層剪應(yīng)力的峰值影響不大。此外，速度為20 km/h時(shí)的瀝青層剪應(yīng)力波峰存在的時(shí)間是速度為100 km/h時(shí)的2.5倍，所以，在進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多考慮汽車低速狀態(tài)下應(yīng)力在結(jié)構(gòu)內(nèi)的保持時(shí)間，以此來(lái)提高瀝青混合料在路面結(jié)構(gòu)層中的疲勞壽命。

圖5　瀝青層剪應(yīng)力隨時(shí)間變化圖Fig.5　Shear stress of asphalt layer varying with time

由圖6可看出，級(jí)配碎石層剪應(yīng)力峰值處于40 kPa 以下，且隨著速度的增加變化不明顯。國(guó)外的一些研究指出，級(jí)配碎石層剪應(yīng)力應(yīng)控制在70 kPa 以下[16]，此處顯然滿足要求。當(dāng)速度從20 km/h提高到100 km/h時(shí)，級(jí)配碎石層剪應(yīng)力值增加了0.45 kPa。車速為20 km/h對(duì)應(yīng)的級(jí)配碎石層剪應(yīng)力波峰存在時(shí)間是車速100 km/h時(shí)的2.5倍。車速對(duì)級(jí)配碎石剪應(yīng)力峰值影響不大，但在級(jí)配碎石層中剪應(yīng)力作用時(shí)間低速時(shí)比高速時(shí)更長(zhǎng)。因此，在進(jìn)行級(jí)配碎石材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮汽車低速行駛時(shí)級(jí)配碎石層中剪應(yīng)力的保持時(shí)間，以此提高該層的疲勞壽命。

圖6　級(jí)配碎石層剪應(yīng)力隨時(shí)間變化圖Fig.6　Shear stress of graded macadamlayer varying with time

如圖7所示，對(duì)于路基頂面壓應(yīng)變而言，在車速為20 km/h時(shí)最大，為186 με；在40 km/h峰值最小，為175 με；在車速為100 km/h時(shí)，為180 με。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究指出，路基頂面壓應(yīng)變應(yīng)控制在280 με以下[16]。由于新疆地區(qū)土基較好，模量達(dá)到70 MPa，因此壓應(yīng)變值容易滿足要求。

圖7　路基頂面壓應(yīng)變隨時(shí)間變化圖Fig.7　Compressive strain of subgrade top surface varying with time

由上述分析可知，瀝青層拉應(yīng)力最不利情況發(fā)生在高速行駛條件下，其他各項(xiàng)指標(biāo)最不利條件發(fā)生在低速行駛條件下。建議在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以設(shè)計(jì)速度對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)荷載計(jì)算瀝青層拉應(yīng)力指標(biāo)；在材料設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮低速行駛時(shí)瀝青層和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)在結(jié)構(gòu)層中保持的時(shí)間，以期提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

4.2不同面層厚度對(duì)柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)量的影響

4.2.1路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

對(duì)于柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，面層的厚度不僅涉及到路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布，還關(guān)系到工程造價(jià)。結(jié)合新疆瀝青路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，本文擬定路面結(jié)構(gòu)的模型及其參數(shù)如表2所示，考慮到新疆汽車行駛速度的代表性，采用80 km/h進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算。

表2　新疆變化面層的柔性路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

4.2.2計(jì)算結(jié)果分析

按照以上確定的參數(shù)，計(jì)算出柔性基層瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)在同一速度條件下隨時(shí)間的變化如圖8～圖12所示。

圖8　不同面層厚度條件下路表彎沉變化圖Fig.8　Curves of road surface deflection under the conditions of different layer thicknesses

從圖8可看出，隨著瀝青面層厚度的增加，最大波峰峰值逐漸降低，當(dāng)面層厚度達(dá)到10 cm時(shí)，彎沉降到40(0.01 mm)以下。當(dāng)面層厚度從10 cm減到5 cm的過(guò)程中，厚度每減少1 cm，彎沉較最大峰值增加了4.1%左右；當(dāng)面層厚度從10 cm增加到14 cm的過(guò)程中，厚度每增加1 cm，彎沉較最大峰值減小3.1%左右。由此可見，瀝青面層厚度值大小對(duì)路表彎沉最大波峰峰值有所影響，其中瀝青面層厚度為10 cm時(shí)，是路表彎沉值變化的分界點(diǎn)。

由圖9可知，當(dāng)瀝青面層厚度從10 cm減到5 cm 的過(guò)程中，厚度每減少1 cm，瀝青層拉應(yīng)力較最大峰值增加11.8%左右；當(dāng)面層厚度從10 cm增加到14 cm的過(guò)程中，厚度每增加1 cm，瀝青層拉應(yīng)力較最大峰值減小5%左右。因此，瀝青面層厚度為10 cm 是瀝青層拉應(yīng)力數(shù)值變化的拐點(diǎn)?？紤]新疆大溫差情況，面層厚度為5 cm時(shí)，瀝青層拉應(yīng)力值大于100 kPa，顯然過(guò)高。

圖9　不同面層厚度條件下瀝青層拉應(yīng)力變化圖Fig.9　Curves of tensile stress of asphalt layer under condition of different surface layer thicknesses

由圖10可知，面層厚度為10 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，剪應(yīng)力較峰值減小6.3%；厚度每減小1 cm，剪應(yīng)力較峰值增加7.1%。因此瀝青面層厚度為10 cm時(shí)，是瀝青層剪應(yīng)力數(shù)值變化的分界點(diǎn)。面層厚度為5 cm時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，剪應(yīng)力值達(dá)到200 kPa以上，考慮新疆大溫差環(huán)境以及公路超載情況，這個(gè)剪應(yīng)力值顯然偏高。

圖10　不同面層厚度條件下瀝青層剪應(yīng)力變化圖Fig.10　Curves of shear stress of asphalt layer under condition of different surface layer thicknesses

由圖11可看出，面層厚度為10 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，級(jí)配碎石層剪應(yīng)力值較峰值減小6.9%；然而面層厚度每減小1 cm，剪應(yīng)力數(shù)值較峰值增加11.8%。因此，面層厚度為10 cm亦是級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)數(shù)值變化的拐點(diǎn)。此外，當(dāng)面層厚度為5 cm 時(shí)，級(jí)配碎石層剪應(yīng)力大于70 kPa，顯然偏高。

圖11　不同面層厚度條件下級(jí)配碎石層剪應(yīng)力變化圖Fig.11　Curves of shear stress of graded macadam layer under condition of different surface layer thicknesses

由圖12可知，面層厚度為10 cm時(shí)，厚度每增加1 cm，土基頂面壓應(yīng)變值較其峰值減小4.6%；當(dāng)面層厚度每減小1 cm，土基頂面壓應(yīng)變數(shù)值較峰值增加6.1%。當(dāng)面層為5 cm時(shí)，壓應(yīng)變值達(dá)到了260 με。雖然在這一速度下滿足280 με指標(biāo)要求，但此處僅考慮了標(biāo)準(zhǔn)軸載，實(shí)際中面層厚度仍需予以提高。

圖12　不同面層條件下土基頂面壓應(yīng)變變化圖Fig.12　Curves of compressive strain of soil base top under condition of different surface layer thicknesses

因此，面層厚度對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)都有影響，其中對(duì)瀝青層拉應(yīng)力和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力影響最為突出。當(dāng)面層厚度從10 cm減到5 cm的過(guò)程中，厚度每減少1 cm，兩指標(biāo)均較最大峰值增加了11.8%左右。分析發(fā)現(xiàn)，面層厚度為10 cm是瀝青層拉應(yīng)力和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力變化的拐點(diǎn)。

5　結(jié)論

(1)瀝青層拉應(yīng)力對(duì)于車速最為敏感。在車速達(dá)到60 km/h以上時(shí)，瀝青層拉應(yīng)力波動(dòng)峰值達(dá)到了最大峰值的35%。因此，在進(jìn)行柔性基層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)以設(shè)計(jì)速度條件下的動(dòng)態(tài)荷載來(lái)計(jì)算瀝青層底的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)指標(biāo)。

(2)瀝青層和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)在車速為20 km/h時(shí)對(duì)應(yīng)的最大波峰存在時(shí)間是100 km/h時(shí)的2.5倍。因此，在材料設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮車輛低速時(shí)，瀝青層和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力在結(jié)構(gòu)層中持續(xù)作用的時(shí)間，確保高路面結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命。

(3)瀝青層拉應(yīng)力和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力指標(biāo)對(duì)于面層厚度變化最為敏感。當(dāng)面層厚度從10 cm減到5 cm的過(guò)程中，厚度每減少1 cm，兩指標(biāo)均較最大峰值增加11.8%左右。面層厚度為10 cm是瀝青層拉應(yīng)力和級(jí)配碎石層剪應(yīng)力變化的拐點(diǎn)，考慮到新疆經(jīng)濟(jì)情況，建議新疆地區(qū)級(jí)配碎石柔性基層瀝青路面面層最小厚度為10 cm。

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Dynamic Analysis of Graded Crushed Stone as Base of Asphalt Pavement

GUO Yin-chuan,WANG Li-gen,SHEN Ai-qin,GU Pin-pin

(School of Highway,Chang’an University,Xi’an Shaanxi 710064,China)

Using the graded macadam roadbase flexible asphalt pavement structure is an effective way to cure reflection crack,which is frequently happened in Xinjiang semi-rigid asphalt pavement.Based on the damage form of graded crushed stone roadbase flexible asphalt pavement structure,an analysis of control indicators is made,and the changing regularity of mechanical response of pavement structure under different dynamic loading conditions is studied for providing the theory basis of the designation about this kind of pavement in Xinjiang.A 3D model with half sine dynamic load is established by finite element software ANSYS,and the explicit calculation is performed by using nonlinear finite element program LS-DYNA.The analysis result shows that (1) the tensile stress of asphalt layer is sensitive to the vehicle speed and the thickness of surface layer,and the thickness of surface layer has a great influence on the shear stress of the graded macadam layer;(3)10 cm thickness of asphalt surface is a turning point of change curve of asphalt layer tensile stress indicator and graded macadam layer shear stress indicator.

road engineering;pavement structure design;finite element analysis;flexible asphalt pavement;dynamic load

2016-02-28

郭寅川(1983-)，男，江西九江人，副教授，博士.(silver007007@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.01.005

U416.217

A

1002-0268(2016)01-0027-07