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
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。
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
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
(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