楊國(guó)峰，于保陽(yáng)

（1.杭州市蕭山區(qū)交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 311203；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

不同的行車(chē)荷載將產(chǎn)生不同的應(yīng)力場(chǎng)分布，本文通過(guò)有限元建模對(duì)比分析不同的超載工況下國(guó)內(nèi)常用的半剛性路面結(jié)構(gòu)與倒裝式路面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，判斷后者是否適用于重荷載交通。

1 國(guó)內(nèi)瀝青路面結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)的高等級(jí)公路以半剛性路面結(jié)構(gòu)為主，這與中國(guó)國(guó)情息息相關(guān)，是由半剛性路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層薄、承載力好、彎沉小、初期投資少等特點(diǎn)決定的。但隨著交通量的快速增長(zhǎng)，超載、超限已經(jīng)成為導(dǎo)致路面破壞的主要原因。

在我國(guó)，柔性路面并不是陌生的概念，我國(guó)原來(lái)的設(shè)計(jì)規(guī)范就稱(chēng)作《柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》。在當(dāng)時(shí)實(shí)際應(yīng)用中也有相當(dāng)一部分二級(jí)公路采用了柔性路面。受交通實(shí)際狀況制約,在我國(guó)大面積使用全壽命路面結(jié)構(gòu)尚不可能。近年來(lái)，全國(guó)各地相關(guān)部門(mén)，相繼開(kāi)展了倒裝式路面的研究工作，并取得了一定成果[1-2]。

本文為驗(yàn)證倒裝式路面結(jié)構(gòu)同樣適用于重載交通，對(duì)比分析了兩種路面結(jié)構(gòu)在重載下的力學(xué)響應(yīng)。

2 倒裝式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析

由于考慮了材料的非線性性能，在不同荷載等級(jí)下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)也會(huì)不同于線彈性材料的力學(xué)響應(yīng)。本文分析不同軸載等級(jí)倒裝式路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)及其變化趨勢(shì)。

2.1 建立模型[3-6]

首先利用有限元模擬分析重載交通量下典型倒裝式瀝青混凝土路面。倒裝式瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)、半剛性路面結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1 倒裝式路面結(jié)構(gòu)圖

圖2 半剛性路面結(jié)構(gòu)圖

為所建模型能真實(shí)全面地模擬路面結(jié)構(gòu)荷載反應(yīng)，用BISAR 對(duì)所采用倒裝式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，荷載采用1.3 MPa。計(jì)算得到上面層拉應(yīng)力隨位置改變的變化規(guī)律，如圖3。

圖3 拉應(yīng)力隨位置變化圖

從圖3 中不難看出，距作用點(diǎn)2 m 左右，面層拉應(yīng)力出現(xiàn)峰值，故建立3.75 m×3.75 m×3.75 m的路面結(jié)構(gòu)模型，如圖4。

圖4 模型及邊界條件

2.2 材料參數(shù)選取

路面結(jié)構(gòu)基本參數(shù)選取如表1。

表1 材料基本參數(shù)

材料的非線性特性根據(jù)相關(guān)資料[7-9]選取。

2.3 模型計(jì)算分析

此模型計(jì)算分析過(guò)程均采用準(zhǔn)靜態(tài)分析步，在該步中施加所需施加的均布荷載。

近些年的超重、超限現(xiàn)象十分嚴(yán)重，參考論文資料[10-12]，以間距0.2 MPa 選取，荷載分別取0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa、1.3 MPa、1.5 MPa。

2.4 結(jié)果分析

2.4.1 數(shù)據(jù)匯總及分析

取兩種路面結(jié)構(gòu)部分有代表性的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，如表2、表3。

下面給出輪載工況為1.5 MPa 時(shí)兩種路面結(jié)構(gòu)幾個(gè)主要力學(xué)指標(biāo)云圖。

表2 倒裝結(jié)構(gòu)在不同輪載作用下結(jié)果表

表3 半剛性結(jié)構(gòu)不同載荷下結(jié)果表

圖5 倒裝式結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖6 半剛性結(jié)構(gòu)豎向位移云圖

圖7 倒裝式結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力云圖

圖8 半剛性結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力云圖

圖9 倒裝式路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力云圖

圖10 半剛性路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力云圖

從圖和表可以看出，以上兩種路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的相似處如下：

a）兩種路面結(jié)構(gòu)的最大MISES 應(yīng)力、最大主壓應(yīng)力都出現(xiàn)在車(chē)輪荷載點(diǎn)位上面層層底，這是因?yàn)檐?chē)輪荷載的作用導(dǎo)致的這一結(jié)果。

b）上面層最大拉應(yīng)力、中面層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離車(chē)輪荷載的行車(chē)方向邊界，并且在路面結(jié)構(gòu)層上表面，為軸載下路面結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)所致。

c）兩路面結(jié)構(gòu)的基層最大拉應(yīng)力、砂墊層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在同一位置，均出現(xiàn)在輪載中心下各層底面。

d）兩種路面結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力均出現(xiàn)在水泥穩(wěn)定碎石層底面。

e）兩種路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力均出現(xiàn)在面層輪載邊緣。

兩種路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的不同之處主要是半剛性路面結(jié)構(gòu)的下面層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離車(chē)輪荷載的行車(chē)方向邊界，并且在其上表面，而倒裝式路面結(jié)構(gòu)則出現(xiàn)在輪載中心下下面層底面。

2.4.2 各力學(xué)響應(yīng)隨輪載變化趨勢(shì)分析

a）輪隙中心處彎沉值隨荷載變化曲線圖。

圖11 中心點(diǎn)彎沉隨荷載變化

從圖11可以看出，兩種路面結(jié)構(gòu)輪隙中心點(diǎn)彎沉值均隨車(chē)輪軸載增加呈現(xiàn)線形增加趨勢(shì)，相比較倒裝式路面結(jié)構(gòu)的彎沉值略大。線性增加趨勢(shì)表明兩種路面結(jié)構(gòu)基本處于線彈性階段。彎沉值差距隨著荷載增大而略有增長(zhǎng)，本次最大差距為0.126 6 mm，為可以接受狀態(tài)。

b）最大MISES 應(yīng)力值變化曲線圖。

圖12 最大MISES 應(yīng)力隨荷載變化

從圖12可以看出，兩種路面結(jié)構(gòu)的最大MISES應(yīng)力相差很小。最大MISES 應(yīng)力的差距隨輪載增加而增大，但是差距不大。

c）最大主壓應(yīng)力值變化曲線圖。

圖13 最大主壓應(yīng)力隨荷載變化

從圖13可以看出，兩種路面結(jié)構(gòu)最大主壓應(yīng)力為倒裝式路面結(jié)構(gòu)略大，變化趨勢(shì)均呈現(xiàn)出線形增長(zhǎng)，且倒裝式路面結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力增長(zhǎng)速率略大。主要原因?yàn)樽畲笾鲏簯?yīng)力一般出現(xiàn)在瀝青面層，由于級(jí)配碎石層的存在導(dǎo)致面層受力增大，從而導(dǎo)致倒裝式路面結(jié)構(gòu)最大壓應(yīng)力大于半剛性路面結(jié)構(gòu)。

d）上面層最大主拉應(yīng)力值變化曲線圖。

圖14 上面層最大主拉應(yīng)力隨荷載變化

從圖14可以看出，倒裝式路面結(jié)構(gòu)上面層最大拉應(yīng)力值及增長(zhǎng)速率均大于半剛性路面結(jié)構(gòu)。主要原因是前者整體變形更大，面層底受拉的趨勢(shì)也就較后者大。

e）中面層最大主拉應(yīng)力值變化曲線圖。

圖15 中面層最大主拉應(yīng)力隨荷載變化

圖15中，中面層的最大拉應(yīng)力值較半剛性路面結(jié)構(gòu)略大，但是較上面層最大拉應(yīng)力差距來(lái)說(shuō)，這種差距很小。

f）下面層最大主拉應(yīng)力值變化曲線圖。

圖16 下面層最大主拉應(yīng)力隨荷載變化

從圖16 中可以看出，下面層最大拉應(yīng)力倒裝式路面結(jié)構(gòu)明顯大很多，更易出現(xiàn)下面層因拉應(yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂，同時(shí)也是更容易發(fā)生下面層疲勞破壞。

從面層最大拉應(yīng)力情況可以看出，半剛性路面結(jié)構(gòu)和倒裝式路面結(jié)構(gòu)面層主要受拉位置分別是上面層和下面層。

g）水泥穩(wěn)定碎石層最大主拉應(yīng)力值變化曲線圖、最大剪應(yīng)力值變化曲線圖。

圖17 水泥穩(wěn)定碎石層最大主拉應(yīng)力隨荷載變化

圖17中水泥穩(wěn)定碎石層最大拉應(yīng)力比倒裝式路面結(jié)構(gòu)較大，主要是由于級(jí)配碎石層的存在使得在受力分配上水泥穩(wěn)定碎石層承擔(dān)了更多的力。雖然如此，倒裝式路面結(jié)構(gòu)的級(jí)配碎石層的防止反射裂縫的能力是不容忽視的。

圖18 最大剪應(yīng)力隨荷載變化

圖18中可以看出倒裝式路面結(jié)構(gòu)由于級(jí)配碎石層的存在，路面結(jié)構(gòu)在靜載作用下所承受的剪力較半剛性路面結(jié)構(gòu)有所增加，但是增加的幅度不大，從上述數(shù)據(jù)以及分析可以看出，倒裝式路面結(jié)構(gòu)雖然在各力學(xué)響應(yīng)上均大于半剛性路面結(jié)構(gòu)，但是數(shù)值上與半剛性路面結(jié)構(gòu)的力值基本上相差不大，并不會(huì)影響應(yīng)用，并且以其能有效防止反射裂縫的能力，其在高速公路中是適用的。從各力學(xué)響應(yīng)隨輪壓的變化趨勢(shì)看，選擇1.5 MPa 的輪壓作為重載是合適的，這樣既能滿足目前國(guó)內(nèi)重載輪壓的最重值，又能滿足一定時(shí)間內(nèi)重載輪壓不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

3 行車(chē)移動(dòng)荷載作用下倒裝式路面結(jié)構(gòu)分析

3.1 荷載確定

為模擬車(chē)輛行駛過(guò)程，采用輪壓1.5 MPa 的半正弦荷載，荷載作用時(shí)間取0.1 s，總時(shí)間采用1 s（即考慮10 輛車(chē)駛過(guò)），荷載公式如式（1）：

3.2 結(jié)果分析

圖19 動(dòng)、靜載作用下輪隙中心點(diǎn)彎沉

如圖19 所示，由于考慮了材料的黏彈塑性，使變形具有滯后性，豎向位移尚未完全恢復(fù)就需承受下一個(gè)荷載，且恢復(fù)的量逐漸減少，即變形越大，但其值始終小于靜載作用下位移值。當(dāng)卸載時(shí)，兩種加載方式豎向變形均基本消失，說(shuō)明整個(gè)加載過(guò)程中，路面結(jié)構(gòu)基本處于彈性狀態(tài)。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪壓為1.8 MPa 時(shí)，級(jí)配碎石層才會(huì)出現(xiàn)塑性變形。

4 結(jié)論

通過(guò)本文研究，得到如下結(jié)論：

a）從力學(xué)響應(yīng)看，雖倒裝式路面結(jié)構(gòu)的各力學(xué)響應(yīng)均大于半剛性路面結(jié)構(gòu)，但是都在可以接受的范圍內(nèi)。由于級(jí)配碎石層良好的防止反射裂縫的作用，使得其具有較好的應(yīng)用前景。

b）通過(guò)中、重交通中典型的倒裝式路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元力學(xué)分析，得出倒裝式路面結(jié)構(gòu)在高等級(jí)公路中也是適用的。從各力學(xué)響應(yīng)隨輪壓的變化趨勢(shì)看，選擇1.5 MPa 的輪壓作為重載是適宜的，這樣既能滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)重載輪壓的最重值，又能滿足一定時(shí)間內(nèi)重載輪壓不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

c）通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)建立模型，并選擇摩爾庫(kù)倫模型作為級(jí)配碎石材料的本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)輪壓為1.8 MPa 時(shí)，級(jí)配碎石層才會(huì)出現(xiàn)塑性變形，而1.8 MPa 的重壓在目前乃至很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)是不會(huì)出現(xiàn)的。也就是說(shuō)，級(jí)配碎石在實(shí)際應(yīng)用中不必過(guò)多地?fù)?dān)心永久變形。