尚云飛

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

長大縱坡路段瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分析

尚云飛1，2

(1.北黑高速公路建設(shè)指揮部;2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院)

為了解決山區(qū)瀝青路面上坡路段嚴重的車轍破壞，通過對車輛縱向行駛特性以及行駛速度與坡度和坡長變化關(guān)系的分析，研究車輛對結(jié)構(gòu)水平和垂直荷載隨坡度的變化，并通過建立道路三維有限元模型，利用有限元計算方法分析山區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的力學特性，最后采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)指標，提高山區(qū)瀝青路面抗剪切性能。

上坡路段;有限元分析;剪應(yīng)力;車轍

0 前言

隨著中國高等級公路建設(shè)的不斷發(fā)展，公路建設(shè)方向已經(jīng)逐漸從經(jīng)濟發(fā)達的平原、微丘地區(qū)轉(zhuǎn)向山嶺、丘陵地區(qū)，地形、地貌、地質(zhì)條件會變得十分復雜，在今后相當長的一段時期內(nèi)，中國公路建設(shè)將不可避免的面對長大縱坡路段增多，坡道坡度增大和連續(xù)縱坡等問題。

通過對黑龍江省已建高等級公路瀝青路面車轍破壞的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，上坡路段最容易產(chǎn)生車轍，特別在坡度較大，上坡坡道較長的路段，車轍破壞程度遠遠大于平坦路段，產(chǎn)生破壞的時間也較早，這是山區(qū)瀝青路面最主要的早期破壞形式。為了解決山區(qū)上坡路段嚴重的車轍破壞，通過對上坡路段車輛行駛特性的分析，計算車輛對路面結(jié)構(gòu)的水平和垂直荷載，通過建立道路三維有限元模型，分析山區(qū)瀝青路面車輛荷載對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的特性，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)指標，提高山區(qū)瀝青路面抗剪切性能，為山嶺、丘陵地區(qū)高等級公路建設(shè)提供可靠的技術(shù)保證。

1 車輛荷載對路面的作用

車輛在平坦路段一般保持勻速行駛狀態(tài)，遇到上坡路段時，為克服坡道阻力，以較高的行駛效率通過坡段，車輛一般在上坡前開始加速，利用慣性力沖坡，隨著阻力不斷增大，行駛速度下降，及時改換低檔位增大牽引力，使車輛保持一定的穩(wěn)定速度通過上坡段。當車輛減速行駛克服坡道阻力時，車輛輪胎與路面沿坡道方向的水平荷載將會增大，作用持續(xù)時間加長，對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，直到路面發(fā)生疲勞剪切破壞并形成嚴重的轍槽。

通過對車輛行駛特性的分析，進一步研究了車輛在平路和坡路狀態(tài)下行駛速度隨坡度和坡長的變化趨勢。根據(jù)國內(nèi)公路不同路段車輛行駛速度的觀測和國外相關(guān)研究資料，本文綜合確定了不同坡度下車輛行駛速度的變化值，并結(jié)合車輛縱向動力學的基本理論，以黃河JN150作為代表車型，計算了不同坡度和軸載狀態(tài)下，車輛對路面結(jié)構(gòu)的水平和垂直荷載，如表1和表2所示。

表1 車輛單輪荷載隨坡度變化

表2 當坡度為4%時車輛單輪荷載隨軸重變化

2 車輛荷載對路面三維有限元分析

三維有限元模型采用典型半剛性基層結(jié)構(gòu)，如圖1所示，模型建立的基本假設(shè)與彈性層狀體系理論解析法的假設(shè)保持一致，空間尺寸x、y和z方向均為3 m，如圖2所示。結(jié)構(gòu)單元類型采用8節(jié)點等參立方體單元，計算車型為標準車黃河JN150，后軸重100 kN，荷載作用形式為雙輪均布矩形荷載，單個矩形荷載尺寸為16 cm×24 cm，水平荷載作用方向與行車方向相反，模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖1 路面應(yīng)力分析簡化結(jié)構(gòu)圖

圖2 有限元模型圖

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分圖

圖4 結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分布圖

通過三維有限元數(shù)值模擬方法，分析了上坡坡度、車輛軸重、面層厚度，以及面層和基層模量等因素對瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響，結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力分布方式如圖4所示，沿兩輪中心呈對稱分布，在路表以下3～8 cm范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力達到極值，并隨深度增加逐漸減小。不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力曲線按照表3進行編號。

表3 不同狀態(tài)下結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力曲線表

車輛荷載對瀝青路面的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力隨著坡度增加而增大，如圖5所示，平路最大剪應(yīng)力為0.16 MPa，4%坡度為0.28 MPa，6%坡度為0.36 MPa，三種狀態(tài)下垂直荷載幾乎相等，水平荷載的增加使得剪應(yīng)力不同，從平路到4%坡度，水平荷載提高5.8倍，最大剪應(yīng)力提高1.8倍;從4%坡度到6%坡度，水平荷載提高1.4倍，最大剪應(yīng)力提高1.3倍。超載對路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響非常明顯，如圖6所示，通過后軸重100 kN和150 kN的對比，平路最大剪應(yīng)力從0.16增加到 0.24 MPa，4%坡度最大剪應(yīng)力從 0.28 增加到 0.41 MPa，增幅50%。

圖5 平路、4%和6%坡度時面層最大剪應(yīng)力

圖6 超載時平路和4%坡路面層最大剪應(yīng)力

面層瀝青混合料彈性模量變化對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的影響，如圖7、8所示，對于4%坡度，當面層模量為600，1 200和1 800 MPa時，最大剪應(yīng)力分別為 0.26，0.28 和0.30 MPa，最大剪應(yīng)變分別為 1.19，0.64 和 0.45，即面層模量提高，面層剪應(yīng)力略微增加，剪應(yīng)變大幅度減小。

圖7 不同面層模量下面層最大剪應(yīng)力

圖8 不同面層模量下面層最大剪應(yīng)變

面層厚度變化對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響，如圖9所示，面層厚度增加5 cm，相同深度最大剪應(yīng)力略微減小。半剛性基層模量變化對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的影響，如圖10所示，對于4%坡度，當基層模量為800，1 400和2 000 MPa時，最大剪應(yīng)力分別為 0.30，0.28 和 0.27 MPa，即基層模量提高，面層最大剪應(yīng)力略有減小。

圖9 不同面層厚度下面層最大剪應(yīng)力

圖10 不同基層模量下面層最大剪應(yīng)力

3 結(jié)語

(1)山區(qū)公路瀝青路面嚴重的車轍破壞是由于車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變造成的，主要產(chǎn)生在坡道的中上段，即車輛減速后經(jīng)過的路段。隨著坡度增加，車輪的水平荷載不斷增大，剪應(yīng)力相應(yīng)增加，在路表以下3～8 cm范圍內(nèi)較大，在深度5 cm左右達到最大值，因此，必須加強上面層和中面層的層間結(jié)合強度，提高中、下面層抗剪切性能。

(2)超載車輛對路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力影響顯著，后軸軸重增加50 kN，平路和4%坡度的最大剪應(yīng)力增加50%。由于垂直荷載增加對剪應(yīng)力的影響要大于水平荷載的影響，應(yīng)該禁止超載車輛通過坡度較大的路段，以減輕對路面的剪切破壞。

(3)瀝青路面面層模量增加和基層模量降低都會使結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力增大，但變化幅度較小。當面層厚度增加時剪應(yīng)力會略微減小。

(4)面層模量的提高對結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變影響非常顯著，雖然降低面層模量剪應(yīng)力會減小，但剪應(yīng)變會大幅度增加。為防止夏天面層模量隨溫度升高逐漸減低，荷載產(chǎn)生的巨大剪應(yīng)變會使瀝青混合料發(fā)生剪切流變破壞，增大面層模量是提高結(jié)構(gòu)抗剪切性能最有效的方法。

(5)公路縱斷面設(shè)計中，坡度和坡長的選擇主要考慮車輛的行駛速度，缺少對路面早期破壞的考慮。為了減小路面結(jié)構(gòu)剪切破壞，應(yīng)該結(jié)合車輛軸載分布，選擇合適的坡度和坡長作為設(shè)計指標，防止坡度大和坡段長產(chǎn)生嚴重的車轍破壞。

U412

C

1008－3383(2011)12－0041－03

2011－10－28