發(fā)布時(shí)間：2014-07-27 16:07

　　摘要：針對(duì)我國目前普遍存在的超載現(xiàn)象，考慮了面基層間接觸，利用bisar3.0 對(duì)路表彎沉、面層層底彎拉應(yīng)力、和土基頂變進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明，不同的超載率對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)有很大的影響，而層間接觸條件的逐步惡化又加劇了超載對(duì)路面的損害效應(yīng)。
　　由于我國的高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)絕大部分為半剛性基層瀝青路面，在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮層間完全連續(xù)的接觸條件，然而實(shí)際上瀝青面層與半剛性基層的模量比較小，導(dǎo)致瀝青路面在車輛的垂直荷載和水平荷載綜合作用下，基層與面層之間產(chǎn)生很大的剪應(yīng)力，而在超載情況下，層間剪應(yīng)力非常大，有可能超過層間抗剪強(qiáng)度而出現(xiàn)層間剪切滑移破壞，使得基面層層間接觸總是介于完全連續(xù)與完全滑動(dòng)之間， 這就造成瀝青路面的層間工作狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)的工作狀態(tài)并不一致的，降低了路面結(jié)構(gòu)層在荷載作用下的整體性，并逐步演化為路面的早期病害現(xiàn)象。本文基于我國普遍存在的超載問題，考慮瀝青面層與基層間的接觸狀態(tài)的不同，利用彈性層狀理論分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在超載及層間狀態(tài)不同時(shí)的力學(xué)變化。
　　1分析方法
　　我國瀝青路面設(shè)計(jì)方法使用的標(biāo)準(zhǔn)荷載圖示是雙輪雙圓，圓中心距等于3倍接地半徑，接地壓力0.7Mpa的標(biāo)準(zhǔn)荷載，根據(jù)研究，此標(biāo)準(zhǔn)圖示并不能代表超載、重載車輛對(duì)路面的作用，隨著軸重的增加，輪胎接地面積和接地半徑也會(huì)隨之增加，但車輛本身的構(gòu)造決定著輪胎間距是一定的，即雙輪荷載圓中心距離是不變的，而且超載車輛多采用高強(qiáng)輪胎以便降低行車阻力，使得輪胎壓力普遍超過0.7Mpa[2-3]，因此在對(duì)超載現(xiàn)象研究時(shí)，如果只假定軸重提高而輪胎壓力不變來進(jìn)行分析，或是將軸重和輪壓之間的關(guān)系隔離分布研究，與實(shí)際情況也是不符合的。
　　按文獻(xiàn) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)荷載圖示進(jìn)行改進(jìn)。由于輪壓、接地半徑均發(fā)生了變化，無法確定兩者之間的具體值，對(duì)于軸載、輪壓、接地半徑的關(guān)系，比較常見是H-K方法和比利時(shí)算法，文獻(xiàn)4對(duì)兩種方法進(jìn)行了研究對(duì)比，發(fā)現(xiàn)利用兩種計(jì)算模型計(jì)算的荷載半徑差別很小，認(rèn)為兩種方法計(jì)算出的結(jié)果是等效的，在重載輪胎接地壓強(qiáng)分布方面，很多學(xué)者也進(jìn)行了諸多研究，認(rèn)為輪載作用力大小及分布是十分復(fù)雜的，考慮了非均布荷載作用下的重載瀝青路面響應(yīng)，并建議對(duì)輪跡的形式進(jìn)行修正，但正因?yàn)槠鋸?fù)雜性，對(duì)其修正也是近似計(jì)算的一種，且復(fù)雜性大大增加，故本文仍將輪跡簡化成雙當(dāng)量圓，假定輪載均勻分布在圓面積上，通過計(jì)算便可求的接地壓力和荷載圓當(dāng)量半徑。
　　采用BISAR3.0 程序來分析超載情況下，瀝青面層內(nèi)部的應(yīng)力變化，并對(duì)層間的接觸狀態(tài)進(jìn)行不同的設(shè)置，bisar中為了解決層間接觸問題，引入了剪切彈性柔量（spring compliance）概念，筆耕文化傳播，將兩層分界面看成無限薄的內(nèi)層，它的強(qiáng)度就用彈性柔量來表示，簡化的剪切彈性模量即為ALK，通過對(duì)ALK賦予不同的值，使得滑移系數(shù)a在0~1之間變化，可得到不同的層間接觸。
　　2 參數(shù)取值
　　本文選取我國高等級(jí)公路常用的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，
　　表 1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)
　　路面結(jié)構(gòu)層位模量（MPa）厚度（cm）泊松比
　　瀝青混凝土面層1200150.25
　　水泥穩(wěn)定碎石基層1500300.25
　　水泥穩(wěn)定碎石底基層1200200.25
　　土基40—0.35
　　選取軸載為100，120，140，160，180，200N來分別模擬不同程度的超載情況，按比利時(shí)方法計(jì)算的軸重、輪壓與輪胎接地面積 及荷載圓半徑如表2 所示：
　　表-2 軸重與輪壓，接地面積關(guān)系
　　軸重P（kN）100120140160180200220
　　接地面積A（cm2）356392432472512552592
　　輪壓p（MPa）0.7070.7650.8100.8470.8790.9060.929
　　荷載圓半徑δ（cm）1 0.6511.1711.7312.2612.7713.2613.73
　　滑移系數(shù)a取0，0.25，0.5，0.75，0.99，來模擬層間接觸狀態(tài)由連續(xù)到完全滑移的五個(gè)水平，此時(shí)應(yīng)該注意由于當(dāng)量圓荷載半徑的變化對(duì)滑移系數(shù)的影響。
　　3計(jì)算結(jié)果分析
　　3.1超載對(duì)路表彎沉影響
　　圖1 超載率與路表彎沉增幅關(guān)系
　　路表彎沉表征路面整體結(jié)構(gòu)在行車荷載重復(fù)作用下的豎向位移量，從圖1 中可以看出，不論層間接觸狀體如何，路表彎沉隨著超載率的增加而增加，其增幅幾乎是線性分布，這說明車輛超載對(duì)路面彎沉的影響是非常越明顯的，而且從數(shù)據(jù)上也可看出，超載率100%時(shí)，路表彎沉均達(dá)到或超過了標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)路表彎沉的100%，由于半剛性基層瀝青路面的車轍及路面總變形大部分是由瀝青面層提供的，故由路表彎沉隨車轍的增加的規(guī)律，可知瀝青路面在超載的作用下面層的變形也是不斷的增加的，這就要求在路面設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別要考慮超載對(duì)瀝青路面的車轍及路面變形的影響。同時(shí)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在不同的層間狀態(tài)，路表彎沉增加的幅度也是不同的，對(duì)曲線擬合比較，發(fā)現(xiàn)面基層間狀態(tài)由連續(xù)到完全光滑時(shí)，曲線的斜率越來越大，表明隨著層間接觸條件的逐步惡化，超載現(xiàn)象對(duì)路表彎沉的影響越來越劇烈。有圖可知，當(dāng)層間處于完全滑移狀態(tài)時(shí)，路表彎沉值普遍大于層間其他狀態(tài)，且其曲線斜率也是非常高的，而當(dāng)層間接觸處于其他狀態(tài)時(shí)，路表彎沉的增幅隨層間狀態(tài)的變化增長并不顯著，這說明只有面基層處于完全滑移時(shí)，行車荷載對(duì)路表彎沉值才有非常顯著的作用效果，而當(dāng)層間狀態(tài)處于部分接觸時(shí)，行車荷載對(duì)路表彎沉影響并因?qū)娱g狀態(tài)的不同而有所區(qū)別。由于瀝青面層與半剛性基層存在材料的差異，以及施工因素和環(huán)境因素的影響，面基層之間很難達(dá)到完全的連續(xù)，從上文分析，只要面基層間不是完全滑移，路表彎沉在同一荷載下受層間狀態(tài)的變化并不顯著，這說明路表彎沉應(yīng)該是一項(xiàng)整體性、綜合性、和表觀性的指標(biāo)，不能用其定量反映瀝青路面結(jié)構(gòu)層的接觸狀態(tài)。
　　3.2超載對(duì)瀝青面層層底拉應(yīng)力影響
　　圖2 超載率與面層層底拉應(yīng)變變化率關(guān)系
　　我國現(xiàn)行規(guī)范對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要求對(duì)瀝青路面面層層底進(jìn)行拉應(yīng)力驗(yàn)算，以免其拉應(yīng)力超過瀝青材料的抗拉強(qiáng)度而發(fā)生破壞，本文以標(biāo)準(zhǔn)荷載和層間完全接觸時(shí)的瀝青面層層底拉應(yīng)力為參考，計(jì)算超載及其他層間接觸時(shí)面層層底拉應(yīng)力的變化率。從圖2中可以看出，瀝青面層層底拉應(yīng)力受軸載作用非常明顯，當(dāng)超載率為100%時(shí)，層底拉應(yīng)力的增幅超過了100%，可見超載現(xiàn)象對(duì)瀝青面層的拉裂破壞非常嚴(yán)重，從圖中也可知，當(dāng)瀝青面基層間接觸變?yōu)橥耆�滑移時(shí)，瀝青面層層底拉應(yīng)力變化明顯，且變化的幅度也越來越大，根據(jù)瀝青混凝土材料的疲勞方程，當(dāng)層間接觸光滑時(shí)，瀝青面層的疲勞壽命將會(huì)有幾何級(jí)數(shù)的降低，可見，層間接觸條件對(duì)路面的壽命有很大的影響。特別是在超載超壓的情況下，如果面基層間的接觸條件不好，在外界環(huán)境因素的影響下，瀝青路面極易出現(xiàn)早期破壞。
　　3.3超載對(duì)路基頂變的影響
　　圖3 超載率與路基頂變的關(guān)系
　　對(duì)于半剛性基層，路面車轍及路面變形主要是瀝青路面面層提供的，基層及路基的變形量很小，但是在車輛荷載作用下，路基頂部也有著不同程度的增加，以標(biāo)準(zhǔn)荷載和層間完全接觸時(shí)的路基頂變?yōu)閰⒖�，�?jì)算不同荷載和不同層間接觸條件時(shí)，路基頂變的變化率，從圖3中可看出，隨著超載率的增加，路基頂?shù)淖冃瘟恳仓鸩皆黾�，其變化�?guī)律呈線性分布，當(dāng)超載率為100%時(shí)，層間不同狀態(tài)下，路基頂部變形幅度均很大，幾乎接近100%，這說明路基頂應(yīng)變對(duì)軸載特別是超載是非常敏感的。從路基頂變的值來看，當(dāng)層間接觸狀態(tài)處于完全滑移時(shí)，路基頂壓應(yīng)變的值較之其他層間狀態(tài)有明顯的降低，因?yàn)楫?dāng)層間有部分連續(xù)時(shí)，路基頂部受到正應(yīng)力比較大，當(dāng)層間趨于光滑時(shí)，面層與基層之間的拉應(yīng)力逐漸變大，剪應(yīng)力也隨著增大，而傳遞到路基頂部即是壓應(yīng)力和壓應(yīng)變逐漸變小。瀝青面基層的接觸條件直接關(guān)系到路基的穩(wěn)定性。從路基頂變規(guī)律可以看出，當(dāng)層間開始滑移時(shí)，應(yīng)力的傳遞變得復(fù)雜，路面結(jié)構(gòu)的整體性破壞，路基頂部受到壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的綜合作用，從結(jié)果分析看，路基頂壓應(yīng)變對(duì)超載更為敏感。路基在瀝青路面結(jié)構(gòu)中主要承受由路面?zhèn)鬟f下來的行車荷載，國內(nèi)外的許多研究都表明，只要路基在使用過程中保持良好的工作狀態(tài)，就能確保整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如果路基變形過大，故在半剛性基層瀝青路面施工過程中，為了確保路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性，應(yīng)在基層與面層之間噴灑粘層油。

 

本文編號(hào)：7012