高压轮胎作用下沥青路面力学响应分析

【摘要】应用Bisar 3.0，通过力学计算，分析沥青路面在高压轮胎作用下的弯沉和结构应力，指出了高压轮胎作用下沥青路面破坏的主要原因。

【关键词】重载；高压轮胎；弯沉；应力；BISAR

当前，我国公路上的车辆超载、超限十分普遍。重载交通引起的路面破坏问题，已成为影响路面长期使用性能的重要因素。本文利用Bisar 3.0程序，对高压轮胎作用下沥青路面进行了详细分析。

1 计算模型与原理

所取的路面结构模型尺寸为：路面厚度为0.61m，由4cm沥青砼上面层、6cm沥青碎石下面层、25 cm二灰稳定砂砾基层和26cm级配砂砾底基层等4部分组成。其计算模型见表1。

表1 路基路面结构各层材料特性及厚度参数表

路面结构 结构层厚度h

cm 弹性模量E

MPa 泊松比μ

上面层

下面层

基层

底基层

土基 4

6

25

26

― 1500

800

700

200

25 0.25

0.25

0.25

0.35

0.42

由于国内缺乏轮载与轮压、轮胎接地面积关系，因此借用比利时接地面积与轴重经验关系式。

对主要道路：A=(0.008P+152)±70

对次要道路：A=(0.009P+132)±90

式中：A 轮胎接地面积，cm2； P 每一轮胎的荷载，N；

±70、±90为保证达到95%的离差范围。

根据我国道路实际情况，采用如下形式：

A=0.008P+152

根据此公式，并假定轮载P均匀分布在该接触面积的圆面积上，圆半径为 δ，并求得接地压力p=P/πδ2，计算结果如下。

表2 轴重与轮压、轮胎与接地面积的关系

轴重P/kN 100 125 150 175 200 225 250 275 300

接地面积A/cm2 352 402 452 502 552 602 652 702 752

半径δ/cm 10.585 11.312 11.995 12.641 13.255 13.843 14.406 14.948 15.472

轮压p/MPa 0.071 0.078 0.083 0.087 0.091 0.093 0.096 0.098 0.100

2 路面受力特性分析

2.1 路表弯沉

图1 不同轮压下的中表弯沉

由图可知，随着轮压的增大，路表弯沉随之增大。弯沉值Ls(0.01mm)与轮压p(MPa)几乎呈直线变化，且变化率不断增大。高压轮胎作用下，产生的路面弯沉值将超过设计弯沉值，容易造成路面的早期破坏。

2.2 拉应力

图2拉应力沿深度方向之分布

上图为双圆荷载轮隙中点沿厚度方向的拉应力分布图。在车辆荷载作用下，两轮中心点的应力值是最大的，因此需要验算。可以看出，随着轮压的增大，某一尝试处的拉应力值也增大，压应力的起点深度也不断减小。

为了验算路面在高压轮胎作用下是否发生破坏，需对面层底面层两轮中心点应力和基层、底基层的应力进行计算。图中所依据的特征点，依次为不同轮压作用下的上面层层底、下面层层底、基层层底及底基层层底的拉应力值。

如图所示，路面面层在高压轮胎作用下，一般是承受压应力，易产生翘曲和压缩变形。而底基层基本上不能承受拉应力，在高压轮胎任用下，荷载增长较快，图中0.35m即为底基层的顶部，可以看出其应力增长的趋势显著。一旦这样的高压轮胎作用次数频繁，将引起路面的底基层首先被拉坏，后果相当严重。

2.3 压应力

图3 不同轮压作用下路面结构中的压应力分布

上图为不同轮压作用下路面结构中的压应力分布图，可以看出，压应力是由路面表层逐层向下扩散的。而且，随着轮压的增加，将引起路面结构内承受的压应力不断增大。随着车辆荷载的增大，路面结构内面层的压应力逐渐增大，而基层、底基层的压应力增大不明显。因此，在高压轮胎的作用下，沥青面层将被压密。

2.4 剪应力

图4 不同轮压作用下路面结构中的剪应力分布

由上图可知，剪应力值由小到大增加很快，到某一深度达到峰值，然后剪应力开始剪小。峰值的深度随轴载增加而加深。剪应力在上半深度与下半深度的大小变化及增长速率都不同，如前半部分随着轮压的增大应力减小，且在同一荷载作用下变化较大；而后半部分随轮压的增大而减小，在同一荷载作用变化较小。

在高压轮胎反复作用下，沥青路面容易发生疲劳破坏。在高温季节，特别是在有自由水侵入的情况下，剪应力愈大，剪切变形及车辙愈严重。

3 结论

本通过路面力学分析，可以从图形上看出路面在高压轮胎作用下的力学行为。重载交通中，高压轮胎对路面有严重的影响。随着我国经济的发展，大量的车辆运营商超载运输，严重破坏路面，加快了路面的损坏过程。高压轮胎对路面的破坏，应当引起相当的重视。

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