□文 /焦曉磊

氣候變化以及交通量是引起瀝青路面病害的主要原因。我國高等級(jí)公路常常在通車2～3 a就出現(xiàn)較嚴(yán)重的早期破損，嚴(yán)重超載是造成早期破損的主要原因之一。對(duì)于柔性路面，國家設(shè)計(jì)規(guī)范采用路表彎沉值控制，使用年限采用累計(jì)折合成的標(biāo)準(zhǔn)荷載次數(shù)作為控制指標(biāo)，但對(duì)重型車，特別是超重型車輛對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響卻沒有細(xì)化的要求。規(guī)范中的折算系數(shù)并未考慮路面承載極限能力，一旦超出極限荷載行駛，將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p傷，使路面開裂，出現(xiàn)推擠、擁包，甚至局部下陷。本文著重研究此類特殊荷載對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響。

1 軸型參數(shù)

1.1 高等級(jí)公路交通組成

1）我國高等級(jí)公路以二軸車為主；三、四軸車占一定比例；五、六軸車占比較小，為非典型車輛。

2）各型軸載都有一定比例的超載，尤其5型軸與7型軸超載較為嚴(yán)重。而5型軸與7型軸間的聯(lián)合作用，對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響更是不可低估。

1.2 基本假設(shè)與有限元模型

瀝青路面在力學(xué)性質(zhì)上屬于彈-粘-塑性體，但由于車輪與對(duì)路面作用是瞬時(shí)的，因而產(chǎn)生的粘-塑性變形很小，故將厚度較大、強(qiáng)度較高的路面結(jié)構(gòu)視作線性彈性體并采用彈性層狀體系理論分析是合適的?；趶椥詫訝铙w系理論，應(yīng)用有限元軟件ANSYS 10.0建立道路結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)模型（忽略氣候影響）。模型需滿足彈性層狀體系假設(shè)：

1）各層是連續(xù)的、完全彈性的、均勻的、各項(xiàng)同性的以及位移和變形是微小的；

2）最下一層在水平方向和垂直向下方為無限大；其上各厚度有限，水平方向無限大；

3）各層在水平方向無限遠(yuǎn)處及最下一層向下無限深處，應(yīng)力、變形和位移為0；用glue命令將各層連接，進(jìn)而形成多層完全連續(xù)體系；

4）層間接觸，或者位移完全連續(xù)，或者層間僅順向應(yīng)力和位移連續(xù)而無摩阻力；

5）不計(jì)自重。

1.3 模型尺寸與材料參數(shù)

在多層彈性理論下，各層在水平方向及最下一層垂直向下方為無限大，但在有限元模型中只能取有限尺寸。通過多次建模對(duì)其結(jié)果分析，土基厚度取6 m，各層在水平面取6 m×6 m，最終確定各層尺寸及力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 道路模型參數(shù)

1.4 荷載參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)軸載為單軸、每側(cè)雙輪，加載時(shí)每側(cè)雙輪采用單圓荷載，輪胎接觸壓力取0.7 MPa。對(duì)于雙聯(lián)軸載，三聯(lián)軸載每側(cè)亦取單圓荷載，輪胎與道路接觸壓力均取胎壓，見圖1和圖2。

2 不同軸載作用對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響

從沿軸向（x方向）與沿一側(cè)輪下向(z方向)兩個(gè)角度論述。

2.1 路表彎沉

沿x方向、z方向，不同位置處的彎沉值，見圖3。圖3a中，2.1、3.9 m處為輪載作用位置；圖3b中，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用位置在3 m處，雙聯(lián)軸載位置為2.4、3.8 m處，三聯(lián)軸輪載分別在1.6、3、4.4 m處。

圖2 軸載布載

圖3 不同軸載下路表彎沉分布

分析圖3可以得出以下主要結(jié)論。

1）最大彎沉值。三種軸載下，最大彎沉均發(fā)生在輪下，其中三聯(lián)軸軸載作用時(shí)發(fā)生在中輪下。標(biāo)準(zhǔn)軸載、雙聯(lián)軸載、三聯(lián)軸載作用下最大值分別為62.92、97.54、134.32（0.01 mm），因而對(duì)于最大彎沉值，雙聯(lián)軸載與三聯(lián)軸載作用時(shí)分別較標(biāo)準(zhǔn)軸載增大55.02%、113.4%。

2）彎沉分布。除輪載作用位置，在同一位置，雙聯(lián)軸與三聯(lián)軸較標(biāo)準(zhǔn)軸載作用時(shí)的輪間（軸向與單側(cè)輪輪之間）彎沉亦有較大幅度增加，三聯(lián)軸幅度最大，雙聯(lián)軸次之。這主要是多軸、多輪作用時(shí)所產(chǎn)生變形疊加所致。

2.2 各路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力

分析標(biāo)準(zhǔn)軸載、雙聯(lián)軸載和三聯(lián)軸載作用下，x方向分布路面結(jié)構(gòu)各層層底x、z方向拉（壓）應(yīng)力。其中三聯(lián)軸取中軸。

1）面層層底以受壓為主，基層和底基層層底以受拉為主，最大水平壓應(yīng)力發(fā)生在上面層層底。

2）最大層底拉應(yīng)力出現(xiàn)在基層底部。

在上面層層底，x方向水平模型兩端，局部也出現(xiàn)了拉應(yīng)力，見圖 4，分別為 39.04、64.23、90.46 kPa?？梢?，雙聯(lián)軸載和三聯(lián)軸載在面層底產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，其對(duì)面層受力形式產(chǎn)生了較大影響。

圖4 上面層層底x方向應(yīng)力

2.3 剪應(yīng)力、剪應(yīng)變分布

由于模型的對(duì)稱性與荷載的對(duì)稱性，選取輪下、軸中心、1/4軸下以及同一排輪之間的三等分點(diǎn)這四個(gè)位置處向道路深度方向作路徑，映射剪應(yīng)力、剪應(yīng)變。對(duì)于三聯(lián)軸載，中間軸載附近與前后兩端軸載附近剪應(yīng)力分布有所不同，故將三聯(lián)軸中這兩種軸載同時(shí)研究，分別為三聯(lián)軸1與三聯(lián)軸2。

1）剪應(yīng)力。在x方向，輪下剪應(yīng)力最大，軸心最小。標(biāo)準(zhǔn)軸載剪應(yīng)力稍大于其他兩者。

2）剪應(yīng)變。剪應(yīng)變沿z方向，在剪應(yīng)力最大處和路基部分（約1 m深處）均出現(xiàn)極值，是由于路基土剛度較路面結(jié)構(gòu)層小。綜合三種剪應(yīng)變，最大剪應(yīng)變?yōu)?5×10-5上下徘徊，三聯(lián)軸載最大，雙聯(lián)軸載次之，標(biāo)準(zhǔn)軸載最小。

3 結(jié)論

1）在特殊交通荷載作用下，路表彎沉有明顯的增大。在輪下，雙聯(lián)軸載和三聯(lián)軸載彎沉較標(biāo)準(zhǔn)軸載有55.02%和113.4%的增長。路表彎沉影響范圍亦是三聯(lián)軸最大，雙聯(lián)軸次之。

按照設(shè)計(jì)理論，累計(jì)當(dāng)量軸次(ESAL)是道路發(fā)生破壞的主要原因。因此，特殊交通荷載將大大縮減道路使用壽命，對(duì)路面損壞的程度亦是顯而易見的。

2）在標(biāo)準(zhǔn)軸載荷載作用下，面層各層底以受壓為主，拉應(yīng)力不大。在特殊交通荷載作用下，面層各層底壓應(yīng)力與標(biāo)準(zhǔn)荷載有所差異，主要是上面層層底出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力。

特殊交通荷載對(duì)面層易產(chǎn)生疲勞作用，導(dǎo)致面層損壞，應(yīng)引起足夠重視。特殊交通荷載對(duì)面層材料破壞更直接，對(duì)面層材料性能要求更高。因此，重載交通下的路面需要進(jìn)行特殊的力學(xué)材料設(shè)計(jì)。

3）道路基層、底基層均受拉，基層層底拉應(yīng)力較大。軸下拉應(yīng)力、拉應(yīng)變?cè)跇?biāo)準(zhǔn)軸載作用時(shí)最大，雙聯(lián)軸次之，三聯(lián)軸最小。故特殊交通荷載并未增大基層底部拉應(yīng)力。

4）剪應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谳喯伦畲?，軸心最小。軸型對(duì)剪應(yīng)力分布影響不大。但在本文中發(fā)現(xiàn)，在路基處，即距路表約1 m深處，土基剪應(yīng)變較大，因而土基的強(qiáng)度對(duì)道路的抗剪切破壞有較大影響。