重载交通下的不同半刚性与柔性基层沥青路面结构适应性分析

摘 要 半刚性基层和柔性基层沥青路面结构以其优良的路面用性能广泛应用我国道路的修建中，但在我国现阶段超载情况非常严重，导致沥青路面早期破坏的现象日益严重，严重缩短道路使用寿命。结合马鞍山重载交通情况分析，通过ABAQUS有限元软件，分析不同沥青路面结构在超载作用下面层和基层应力应变情况。根据计算结果，分析不同半刚性基层和柔性基层沥青路面结构在重载交通作用下的适应性，并验证其产生破坏的原因，由此推荐较为合理的沥青路面结构层组合，为重载交通下的沥青路面设计提供参考。

关键词 重载；半刚性基层；柔性基层；应力应变

中图分类号U41 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）107-0117-03

0引言

沥青路面以其优良的路用性能被广泛应用我国道路建设中，由于我国经济发展需要车辆超载非常严重，导致道路出现不同程度的损害，其中相关研究发现超载车辆对路面产生破坏相当于标准轴载的几倍甚至几十倍。超载导致沥青路面过早出现破坏，严重缩短使用寿命，已成为道路破坏的最主要因素。研究人员已针对重载交通下的路面结构进行积极研究，但许多研究未能充分利用相关材料的特点，结合重载产生破坏的机理，设计合理的路面结构。基层是路面结构主要承重层，承受由面层传来的车辆荷载的竖向作用力，并扩散到下面的土基中，其应具有足够的强度、刚度和水稳定性，并具有良好的扩散应力的功能。半刚性基层和柔性基层以其优良的性能已成为沥青路面结构的两种典型基层结构，但在重载作用下产生的裂缝机理不同，不同的组合结构对重载的适用性不同。因此，如何利用材料的特点设计合理厚度是重载交通下路面结构研究成功的关键。

1荷载分析

1.1 交通分析

通过对马鞍山市主干道的客车和货车超载情况进行统计分析，见表1。根据统计结果显示，车辆超载率较为严重。

2 重载车辆轮压研究

由于重载车辆的轮压作用特点与规范中[1]标准荷载作用不同，其标准图式已不能准确描述超重载车辆对路面的作用。通过对轮胎与路面相互作用方式研究可知，其作用实际图形为椭圆性，为方便计算对接触面积进行等效换算，在轴载的增加下轮压和接地面积都不断的增加。相关研究表明两轮载中线之间距离＼* MERGEFORMAT保持不变，比较符合实际情况（如图1）。轴载与接地面积及轮压比与轴载比的经验关系表示如下。

于备自投逻辑，可通过软压板选择投入或退出，表2 轮压及接触面积等效表

3 路面结构有限元模型建立和参数的选取

3.1路面结构确定

由于不同路面结构在荷载作用下有不同的应力应变响应，根据马鞍山市交通情况，为适应重载交通，分别选择几种不同路面结构，分析其在轴载不断变化作用下的应力应变关系，供沥青路面结构的设计参考。

结构1和结构2主要是半刚性基层路面结构，主要分析其在面层与基层变化对弯沉、拉应力、剪应力带来的影响；3和4路面结构是柔性基层，与前两种结构对比分析，四种结构在重载交通作用下的适用性。

3.2三维有限元模型

1）基本假定

为方便ABAQUS有限元计算分析，将模型进行如下几点假设：1）各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；2）各层层间竖向、水平位移均连续；3）基础底面各向位移为零，各结构侧面水平方向位移为零；4）不计路面结构自重；5）各层之间为完全连续。

2）有限元模型的建立及材料参数的确定

地基采用扩大尺寸来模拟，拟定为5m×10m，厚度为5m，其他参数见表3；轴载、轮压及等效尺寸按照表2进行计算分析，双轮等效间距为31.95cm，有限元模型中全部采用C3D8单元。

4 计算结果及分析

通过在不同轴载变化下，对各路面结构应力应变进行分析。

4.1沥青路面弯沉分析

弯沉是沥青路面设计的重要参考指标，能够反应面层在荷载作用下的竖向位移。在计算时考虑轮载变化接触面积也变，轮压由0.7MPa～1.1MPa，对四种结构双轮轴载中线上路表弯沉在轮压变化下的反应，见图2和图3。

1）由图2和图3可以看出，弯沉关系依次为结构4>结构3>结构2>结构1，主要由于3和4结构中存在低模量级配碎石，符合柔性基层弯沉大于半刚性基层；

2）结构1和2，由于总厚度相同，沥青模量与5%水稳模量相差不大，在轴载作用下，两种路面结构路表弯沉基本相差不大；

3）半刚性基层与刚性基层路面都随着轮压的变化最大弯沉值逐渐增加，增长随率增加，最大弯沉处于轮载正下方，未随着轮压的增加发生位置移动。

4.2 沥青面层受力分析

为能分析四种路面结构路表受拉破坏状态，确定双轮轴载中线点作为计算点，研究其在轮压变化作用下的应力反应。

1）从图4和图5中可以看出，轮胎作用位置处于受压状态，距轮载作用外侧位置20cm处，拉应力值最大，大小为104数量级，随着轮压的增加最大拉应力不断增加，轮压有0.7MPa增加到1.1MPa，最大拉应力增加60%；

2）路表最大拉应力结构4>结构3>结构2>结构1，由于结构4在荷载作用下产生的应变最大；

3）通过计算只有产生较小竖向应变的结构1双轮中线点，处于受拉状态，在标准轴载作用下最大拉应力为0.048MPa，随着轮压的增加拉应力逐渐增加，由于结构1承重层主要为水稳基层，有良好的刚度，变形较小，面层产生的竖向应变增大，导致中心点出现拉应力；

4）半刚性基层与刚性基层路面都随着轮压的变化，路表最大拉应力位置未发生变化。

4.3各层底面拉应力分析

弯拉破坏是沥青路面最主要的破坏形态，由于路面结构在轮载作用下，各发生竖向位移，各层底面会产生相应拉应力。考虑到半刚性基层和柔性基层材料特性，在道路中线处，随着构造深度和轮压增加计算分析应力变化，受力状态见图6。

1）四种结构沥青面层底面都处于受压状态，结构1和结构2采用半刚性基层其刚度大、模量高，为路面结构的承重层；由图6可以看出路面结构1和路面2的基层、底基层式中处于受拉状态，根据半刚性材料特性极易产生弯拉破坏，破坏由底基层逐渐延伸至面层形成反射裂缝，这种结构性破坏加快了路面的损坏，缩短了使用寿命；

2）路面结构3和4，沥青稳定碎石层处于受拉状态，且大于半刚性基层底面的弯拉应力，但由于其抗拉性能优越及和较好的自愈能力，可以减轻弯拉破坏；级配碎石层由于模量远低于沥青稳定碎石层和11%石灰土，通过计算可得其处于受压状态，阻止11%石灰土底面弯拉应力的传递，可有效缓解由底基层产生的应力破坏；

3）结构3在沥青稳定碎石层和石灰土层底面处的完了应力要小于结构4，随着路面结构厚度的增加柔性基层缓解弯拉应力效果要好；沥青面层与沥青稳定碎石模量相差较小，都为承重层，随着面层厚度的增加，承重成中性面上移，导致面层底面处于受拉状态，因此可以通过增加沥青稳定碎石层厚度来降低面层底面弯拉应力；

4）通过对路面结构1和2分析，梁结构厚度相同，由于基层、面层厚度不同组合，结构1面层轮载中心处处于受拉状态，结构1各层底面最大拉应力要小于结构2，通过材料的分析面层有一定自愈能力其破坏为使用性能破坏，基层破坏为结构性能破坏，因此通过增加水稳厚度比增加面层厚度缓解基层结构破坏效果要有效。

4.4最大剪应力分析

在荷载作用下路面结构不仅仅产生弯拉破坏，还有剪切破坏，车辙就是在荷载作用下剪切破坏的蠕变累加。利用有限元软件计算随着构造深度增加，分析最大剪应力的变化，见图7和图8。

随着结构深度的增加四种结构剪应力先增加后减，且最大剪应力都处于面层5cm深处，随着轮压的增加剪应力都不断增加，增加的幅度逐渐增大，且几种结构的最大剪应力位置未发生较大变化。

5 结论

通过对超载车辆与路面接触面的分析，并借助马鞍山江东大道、雨山路等主干道的交通分析，利用ABAUQS有限元软件计算四种路面结构在重载交通下的适用性。

1）随着轮载的增加，面层弯沉、各层拉应力及剪应力都不断增加；

2）柔性基层产生主要是使用性能破坏，半刚性基层产生的为结构性能破坏，柔性基层比半刚性基层更能使用重载交通，且路面结构3最适用于重载交通；

3）路面产生剪切破坏主要为使用性能破坏，由5cm处向面层两端扩展不是结构性能破坏，因此需要在中面层添加抗车辙剂；

4）柔性基层结构可以通过调整沥青稳定碎石厚度，缓解中性面移动导致面层底面拉应力破坏；

5）半刚性基层路面结构通过增加水稳基层厚度比增加面层厚度缓解基层底面弯拉应力效果要理想。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[Z].北京：人民交通出版社，2006.