李 斌，梁乃興，馮小軍

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

隨著公路交通量的日益增大和軸載的不斷增加，路面在汽車作用下長期處于應力、應變交迭變化之下[1-3]，當作用次數(shù)達到一定值后，路面結構強度逐漸降低，形成疲勞破壞。彭文俊等通過分析長壽命瀝青路面各層的功能和抗疲勞層的力學特性，提出了細級配抗疲勞層瀝青混合料，并得出抗疲勞層的厚度、模量對路面彎沉和抗疲勞層層底拉應變影響不大,但對瀝青穩(wěn)定基層層底拉應變影響很大[4-6]。孫亞文等通過試驗對瀝青混凝土水、溫作用下的疲勞方程特性進行了研究，結果表明，水、溫綜合作用下瀝青混凝土的疲勞壽命顯著降低[7-9]。朱洪洲等分別從混合料級配、瀝青品種、油石比、應變水平、間歇時間和試驗溫度對瀝青混合料疲勞性能進行了分析，結果表明：混合料飽和度和孔隙率對疲勞壽命影響較大，且影響程度由大到小依次為間歇時間、溫度、瀝青品種、級配、瀝青用量、荷載頻率[10-12]。 王志怡等通過擊實和劈裂試驗分析了冷再生混合料的疲勞性能，并給出了在高低應力狀態(tài)下冷再生材料在2種舊瀝青混合料摻量下的應變控制指標[13-14]。胡朋等采用有限元模擬方法對瀝青路面的疲勞特性進行研究，結果表明，在僅考慮荷載作用的條件下，瀝青面層疲勞開裂首先發(fā)生在輪隙中心，隨后向兩側擴展，且路表應力出現(xiàn)時間隨深度增加而依次滯后[15-17]。何杰等針對不同車速及非均布動荷載作用下路表面彎沉值的變化進行了計算和分析，結果表明，當重載車速在10～32 km·h-1之間時，路面的動態(tài)彎沉值顯著大于靜態(tài)彎沉值[18]。

以上大多數(shù)研究都是針對瀝青混凝土的不同材料、配合比和荷載作用下的疲勞性能及特性，對路面結構層厚度的影響研究相對較少，故本文基于課題組針對云南省高等級路面結構形式進行的瀝青路面基層路用性能研究的成果，利用有限元分析軟件ANSYS對汽車荷載作用下不同基層厚度的路面結構層受力及疲勞性能進行分析。

1 路面結構層

本文選用的路面結構為：上面層為AC-13C細粒式瀝青混凝土，厚度H1；中面層為AC-20C中粒式瀝青混凝土，厚度為H2；下面層為AC-25C粗粒式瀝青混凝土，厚度為H3；基層為水泥穩(wěn)定級配碎石，厚度H4經(jīng)計算分析后再進行確定；底基層為砂礫，其厚度H5=30 cm；路基土深度方向為無限[19]。

2 有限元模型及結構層參數(shù)

2.1 有限元模型

考慮到計算機的性能和所用的時間，將對面層的3層結構在建模時簡化為一層，厚度為面層厚度的總和，其性能以中面層的AC-20C中粒式瀝青混凝土為基準。在分析時假設瀝青面層、基層、底基層以及土基之間為完全連續(xù)。路面結構有限元計算模型如圖1所示。其中網(wǎng)格劃分如下：瀝青混凝土面層劃分為3層；水泥穩(wěn)定級配碎石基層每層2 cm，視其厚度劃分為不同的層數(shù)；砂礫石底基層30 cm劃分為3層，每層10 cm；土基劃分為2層。荷載按照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2006)中的雙圓均布荷載進行加載，荷載半徑為10.65 cm，軸載為100 kN，荷載應力為0.7 MPa。

圖1 路面結構有限元模型

2.2 模型參數(shù)

在運用路面結構有限元模型進行計算時，根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2006)對水泥穩(wěn)定基層厚度推薦值及云南路面結構常用參數(shù)值進行綜合考慮，取值如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)

3 面層和基層厚度對路面疲勞性能的影響

3.1 面層底面拉應力

面層底面拉應力隨路面結構層厚度變化的計算結果如表2所示。

表2 面層底面拉應力計算結果

3.1.1 基層厚度對面層底面拉應力的影響

面層底面拉應力隨基層厚度增加的變化如圖2所示。由表2和圖2可知：面層底面拉應力隨基層厚度的增加而減小；當面層厚度為5 cm時，面層底面拉應力隨基層厚度增加而減小的趨勢較為明顯；面層厚度為10 cm和15 cm時，面層底面拉應力隨基層厚度的增加而減小的趨勢較面層厚度為5 cm時明顯減弱。

圖2 拉應力隨基層厚度的變化

面層厚度相同的情況下，面層底面拉應力隨基層厚度的變化如圖3所示。由圖3可知：當基層厚度為20 cm時，面層底面拉應力減小0.097 4 MPa，且面層底面拉應力變化值隨基層厚度的增加而減??；當基層厚度為44 cm時，面層底面拉應力減小為0.058 2 MPa；當面層厚度由5 cm增加到15 cm時，面層底面拉應力隨基層厚度的增加不斷減小。

圖3 拉應力隨基層厚度的變化

3.1.2 面層厚度對面層底面拉應力的影響

面層底面拉應力隨面層厚度增加的變化如圖4所示。由圖4可知：當基層厚度為20 cm，面層厚度由5 cm增加到10 cm時，面層底面拉應力減小0.060 1 MPa；面層厚度再由10 cm增加到15 cm，面層底面拉應力減小0.037 3 MPa；當基層厚度保持不變時，面層底面拉應力隨著面層厚度的增加而減小。

圖4 拉應力隨面層厚度的變化

圖5 拉應力變化值隨面層厚度的變化

基層厚度相同時，面層底面拉應力變化值隨面層厚度的變化如圖5所示。當面層厚度分別為5、10、15 cm時，基層厚度均由20 cm增加至44 cm，面層底面拉應力分別減小0.046 6、0.017 5、0.007 4 MPa?；鶎雍穸茸兓嗤那闆r下，面層底面拉應力隨面層厚度的增加不斷減小。

3.2 面層底面拉應變

不同面層厚度時，面層底面拉應變隨基層厚度的變化如表3所示。

1、選取授課主題?？梢葬槍r(nóng)業(yè)生產(chǎn)實際問題、機器構造原理等，要抓住學員的興趣點和共鳴點。例如，在農(nóng)機安全生產(chǎn)方面，由于涉及學員切身安危，事故觸目驚心，使人警醒，學員們在聽到有關這些方面的內(nèi)容案例時，往往注意力非常集中，不時地、不約而同地發(fā)出惋惜的聲音。培訓主題抓住這些興趣點和共鳴點，能很好的提升授課培訓質(zhì)量。在講解收割機構造和功能時，抓住問題導向，以收割機作業(yè)中的常見故障為切入點，對機具的部件、原理和功能進行講解，既讓學員明白了故障的處理，又讓學員熟悉了機器的各個部件。

表3 面層底面拉應變計算結果

3.2.1 基層厚度對面層底面拉應變的影響

面層底面拉應變隨面層厚度增加的變化如圖6所示。由表3和圖6可知：在面層厚度為5 cm時，基層厚度分別為20、32、44 cm的面層底面拉應變分別為142.31×10-6、128.11×10-6、117.23×10-6。由此可見，面層厚度一定時，面層底面拉應變隨著基層厚度的增加而減小。

圖6 拉應變隨基層厚度的變化

圖7 拉應變變化值隨基層厚度的變化

在面層厚度變化相同的情況下，面層底拉應變變化值隨基層厚度的變化如圖7所示。在面層厚度均由5 cm增加至15 cm的情況下，隨著基層厚度的增加，面層底面拉應變不斷減小。

3.2.2 面層厚度對面層底面拉應變的影響

面層底面拉應變隨面層厚度的變化如圖8所示。由圖8可知，當基層厚度一定時，面層底面拉應變隨著面層厚度的增加不斷減小，且減小趨勢逐漸減弱。

圖8 拉應變隨基層厚度的變化

圖9 拉應變變化值隨基層厚度的變化

不同面層厚度下面層底面拉應變的變化如圖9所示。由圖9可知，在基層厚度相同的情況下，當面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加到15 cm時，面層底面拉應變的變化值分別為25.08×10-6、14.17×10-6和5.46×10-6，減小幅度分別為17.62%、15.22%和7.89%。故面層底面拉應變隨面層厚度的增加不斷減小。

由以上分析可知：面層底面拉應變對于面層厚度的變化更為敏感；基層厚度變化對于面層底面拉應變雖有影響，但與面層厚度變化的影響相比較弱。因此，增加面層厚度比增加基層厚度能更有效地減小面層底面的拉應變，但一味采用增大面層厚度的方法來減小面層底拉應變是不合適的。

3.3 面層疲勞分析

本課題組研究得出AC-20C中粒式瀝青混凝土的應變疲勞方程為

(1)

式中：Nε為AC-20C中粒式瀝青混凝土的疲勞壽命；εx為AC-20C中粒式瀝青混凝土的疲勞應變。

面層疲勞壽命隨結構層厚度變化的計算結果如表4所示。

表4 面層疲勞壽命計算結果

3.3.1 基層厚度對面層疲勞壽命的影響

面層疲勞壽命隨基層厚度的變化情況如圖10所示。由表4和圖10可知，當面層厚度由5 cm增加至15 cm的情況下，基層厚度分別為20、32、44 cm時，面層疲勞壽命分別增加1 494.8萬次、1 680.5萬次和1 890.9萬次。由此可知，在面層厚度相同的情況下，面層疲勞壽命的變化隨基層厚度的增加而增加。

圖10 疲勞壽命隨基層厚度的變化

3.3.2 面層厚度對面層疲勞壽命的影響

當基層厚度不變時，面層疲勞壽命隨面層厚度的變化如圖11所示。

由圖11可知：當基層厚度為20 cm的情況下，面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm時，面層疲勞壽命分別增加451.1萬次和1 043.7萬次；基層厚度為44 cm的情況下，面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm時，面層疲勞壽命分別增加767.7萬次和1 123.2萬次。由此可得，基層厚度一定，面層疲勞壽命隨面層厚度的增大而增加，且變化趨勢隨面層厚度的增大而增加。

不同面層厚度下面層疲勞壽命變化值如圖12所示。由圖12可知：隨著路面結構層的不斷增加，面層底面拉應變不斷減小，疲勞壽命增加幅度較大；隨著路面結構厚度進一步增大，面層底面應變減小幅度不斷減小，致使路面疲勞壽命的增加幅度也隨之減小。

圖12 疲勞壽命變化值隨基層厚度的變化

4 結 語

本文以課題組研究所得的瀝青混凝土疲勞方程為基礎，利用有限元軟件ANSYS對路面各結構層的受力情況進行模擬計算，結果表明：路面面層底面拉應力隨路面結構厚度的增加而不斷減?。幻鎸拥酌鎽冸S路面結構層厚度的增加不斷減??；面層疲勞壽命隨路面結構層的增加不斷增加。