楊三強，劉娜，張帥，杜二霞

(1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.河北大學 人事處，河北 保定 071002)

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荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構設計指標與路面結構力學分析

楊三強1，劉娜2，張帥1，杜二霞1

(1.河北大學 建筑工程學院，河北 保定 071002；2.河北大學 人事處，河北 保定 071002)

通過分析荒漠地區(qū)惡劣自然環(huán)境下的重荷載交通瀝青路面使用狀況，采用有限元分析，提出了采用路面性能指數PCI、路表面彎沉與路面車轍作為路面結構的設計指標；得出了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構受力分布.結果表明：不同軸載作用下路表最大豎向變形與軸載近似成線性關系，隨著軸載的增大，最大豎向變形逐漸增大；路表最大拉應力以輪軸線呈現對稱分布；路面結構層內的剪應力隨著深度增加而增大，在距路表5 cm處剪應力達到峰值.研究成果可為荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面選材與結構設計提供科學的理論支撐與技術指導.

耐久性；瀝青路面；結構設計；力學分析

瀝青路面的損壞類型是多種多樣且難以控制的，各損壞類型也對瀝青路面的使用性能產生著不同性質和不同程度的影響，因此，當對瀝青路面進行結構設計時，就不能像其他一些結構設計那樣，選用單一的臨界狀態(tài)和設計指標.中國的路面結構設計中，往往把路面彎沉作為設計指標，但路面彎沉是一個具有綜合性質的指標，不能夠準確反映出其所控制的層次或損壞類型.一般認為，路面的彎沉主要來源于路基，但對道路進行實測后發(fā)現，這一說法缺乏一定的實用性.基于此，進行瀝青路面結構設計指標與結構力學分析具有及其重要的意義.

1 荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構的設計思想與方法

以路面性能為依據進行路面結構設計的方法，能夠綜合考慮影響路面性能的各種因素和路面的損壞狀況.在眾多的路面損壞類型中，車轍是一種普遍存在的損壞，且與荷載重復作用有著密切的關系，是進行結構定量設計時所應考慮的主要變形類因素.本研究采用按照性能設計、力學驗算的思想，結合基于性能和力學的方法，采用的設計指標為：1)路面性能指數PCI；2)路表面彎沉；3)路面車轍.

2 耐久性瀝青路面結構模型參數的選取

在荒漠區(qū)耐久性瀝青路面結構組合類型的基礎上，結合荒漠區(qū)晝夜溫差大、日照時間長、夏季高溫少雨、冬季寒冷干燥、季節(jié)性冰凍等環(huán)境特點，依照《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50-2006)中關于結構層模量和厚度的相關規(guī)定，選取的荒漠區(qū)耐久性瀝青路面結構參數如表1所示.

表1 瀝青路面結構參數

選用的耐久性瀝青路面結構模型基本參數為：行車方向定為x方向，路面橫向定為y方向，垂直于路面向上為z方向，且模型的長度、寬度和深度都取6 m.利用有限元對模型進行分析，選取的單元體為8節(jié)點的六面體，且假設在單元體底面只有z方向存在位移，表層是自由面，層間接觸狀態(tài)為連續(xù),如圖1所示.

3 耐久性瀝青路面結構輪胎作用形式分析

經實地觀測發(fā)現，汽車輪胎作用于瀝青路面而產生的接觸面形狀及作用于瀝青路面的壓力是極其復雜的，且接觸面形狀與矩形更加接近.基于此，本文所采用的輪胎與瀝青路面接觸面模型為由2個半徑為0.3L的半圓和長度和寬度分別為L、0.6L的矩形組成，如圖2所示.

a.瀝青路面結構模型;b.網格劃分模型.圖1 瀝青路面結構及其網格劃分有限元模型Fig.1 Finite element model of asphalt pavement structure and after meshing

圖2 荷載接觸面積模型Fig.2 Load contact area model

由圖3可得，該形狀的面積為

A0=π×(0.3L)2+0.4L×0.6L,

(1)

(2)

等效矩形的長度為

(3)

在進行瀝青路面設計時，依據彈性層狀體系設計理論，將雙輪中心距定義為3倍的軸載接地面當量圓半徑，理論研究發(fā)現，雙輪中心距與軸載之間存在相關性，其關系式為ds=0.98Ps+274dd=0.98Pd+274,其中ds、dd代表后軸雙輪中心距，Ps、Pd是軸載，如圖3所示.

a.雙輪中心距關系;b.額定軸載關系.圖3 雙輪中心距與額定軸載關系Fig.3 Wheel center distance and the rated axle load diagram

為了簡化計算，本研究采用表2中數值.

表2 載重車輛后軸雙輪中心距計算值

進行接地壓力的實測，從其測試的數據發(fā)現，當軸載增加的時候，輪胎的接地壓力急劇增加，數據見表3所示.

表3 輪印和輪壓的取值

4 不同軸載作用下路面力學響應分析

4.1 路表豎向變形分析

4.1.1 路表最大豎向變形分析

路面的彎沉是指豎向變形在路基及路面結構處的總和，結合荒漠區(qū)道路交通荷載等級狀況，選取軸載100～300 kN，并在該軸載范圍內，對不同軸載作用下的瀝青路面豎向變形進行分析，可得不同軸載下的路面彎沉關系圖，如圖4.

圖4 不同軸載作用下路表豎向變形Fig.4 Vertical deformation curve of the road surface under different axle loads

從圖4得到，隨著軸載的增大，路面最大豎向變形也呈上升趨勢.當軸載為276.8 kN時，路表最大豎向變形變成標準軸載作用下的2.73倍，且軸載和路面最大豎向變形可近似看成是線性關系；在相同的軸載作用下，最大豎向變形出現在雙輪荷載作用處.路面彎沉是瀝青路面結構強度的表征，隨著彎沉值的增大，路面結構的剛度也會降低，路面的使用壽命也會縮短.

4.1.2 路表豎向變形變化趨勢

圖5給出了不同軸載下路面豎向變形沿橫向、縱向變化趨勢.圖6給出了路面表面豎向變形云圖.

a.橫向變形曲線;b.縱向變形曲線.圖5 不同軸載作用下路表豎向沿橫向及沿縱向變形曲線Fig.5 Relationship curve of vertical deformation of road surface

圖6 路表豎向變形云圖Fig.6 Road table vertical deformation nephogram

由圖4、圖5、圖6可知,瀝青路面表面最大豎向變形出現荷載作用位置處，并向四周同比例擴散，豎向變形以輪軸線呈現對稱分布.

4.2 路面結構層拉應力分析

4.2.1 路面結構內最大拉應力分析

引起路面結構層發(fā)生疲勞破壞的因素很多，其中路面結構內的最大拉應力、拉應變是最重要的因素，因此，對不同軸載下的路面結構層內的最大拉應力及拉應變進行分析是非常有必要的.經研究得到在選取的軸載范圍內，不同軸載下的路面結構層內的最大拉應力和拉應變的變化規(guī)律，如圖7所示.

a.最大拉應力曲線;b.最大拉應變曲線.圖7 不同軸載作用下路面結構內最大拉應力及最大拉應變Fig.7 Maximum tensile stress and tensile strain of pavement structure under different axle loads

從圖7可得，隨著軸載的增大，結構層內的最大拉應力和拉應變都成上升趨勢，當軸載達到276.8 kN時，路面結構內最大拉應力達到了標準軸載下的2.83倍.

4.2.2 路面拉應力分布

最大拉應力出現位置坐標如表4.

表4 最大拉應力出現位置

對表4進行分析，可知最大拉應力出現位置均在路面表面處，且在荷載作用的邊緣位置.如圖8所示，拉應力以輪軸線或其垂線對稱分布且最大拉應力出現在A處.

4.3 路面結構層內剪應力分析

4.3.1 路面結構層內最大剪應力分析

如圖9所示，隨著軸載的逐漸增大，瀝青路面面層內的最大剪應力也呈上升趨勢.因此可以得出，當路面處于重載車輛作用下時，很容易發(fā)生剪應力破壞.

圖9 不同軸載作用下路面結構內最大剪應力Fig.9 Maximum shear stress of pavement structure under different axle loads

4.3.2 路面最大剪應力出現位置

路面結構內的最大剪應力出現位置坐標如表5.

表5 最大剪應力出現位置

由表5可知，隨著輪載的增大，瀝青路面結構層內剪應力隨之增大.當軸載較大時，剪應力影響范圍更大.

4.3.3 路面剪應力分布

圖10給出了在選取的軸載范圍內，不同軸載作用下剪應力隨深度方向變化曲線及剪應力沿深度方向擴散云圖.

a.剪應力隨深度方向變化曲線;b.剪應力隨深度方向擴散云圖.圖10 不同軸載作用下剪應力隨深度方向變化曲線及其擴散云圖Fig.10 Variation and diffusion cloud of shear stress with depth in different axial loads

分析圖10可以得到，路面結構層內的剪應力先是隨著其深度的增加而逐漸增大，且最大剪應力出現在了路表5 cm深度處，隨后，便開始減小.

5 結論

通過對荒漠地區(qū)典型瀝青路面結構病害調查、典型瀝青路面結構組合使用性能分析，采用現場路面荷載數據分析與有限元仿真分析，提出了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構設計指標，得到了荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構力學分布規(guī)律，其研究結論如下：

1)通過對比分析傳統(tǒng)力學經驗法與單一路用性能設計理念，提出了采用按性能設計、按力學驗算的思想，將基于性能的方法和基于力學的方法結合起來，采用路面性能指數PCI、路表面彎沉與路面車轍作為西北荒漠地區(qū)耐久性瀝青路面結構的設計指標.

2)分析得到，不同輪載作用下路表最大豎向變形與軸載近似成線性關系，隨著軸載的增大，最大豎向變形逐漸增大；同一軸載作用下，雙輪荷載作用位置處最大豎向變形最大，當軸載為276.8 kN時，路表最大豎向變形是標準軸載作用下的2.73倍.

3)研究表明，路表面最大拉應力均出現在路表，且出現在荷載作用邊緣，拉應力以輪軸線或其垂線對稱分布.

4)分析發(fā)現，隨著軸載的逐漸增大，瀝青路面面層內的最大剪應力也呈上升趨勢.表明當路面處于重載車輛作用下時，很容易發(fā)生剪應力破壞.

5)研究得到，路面結構層內的剪應力先是隨著其深度的增加而逐漸增大，且最大剪應力出現在了路表5 cm深度處，隨后，便開始減小.

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(責任編輯：孟素蘭)

Analysis of design index and structural mechanics of durabble asphalt pavement in desert areas

YANG Sanqiang1,LIU Na2,ZHANG Shuai1,DU Erxia1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China; 2.Department of Personnel,Hebei University,Baoding 071002,China)

In this paper,pavement performance index PCI,road surface deflection and pavement rutting are proposed as the design indexes of pavement structure by analyzing the desert region harsh natural environment under heavy load traffic asphalt pavement condition and using finite element analysis.We obtained the durability of the desert region asphalt pavement structure stress distribution.The results showed that different wheel load on road surface and the maximum vertical deformation has an approximate linear relationship.Along with increase of the axial load,the maximum vertical deformation gradually increases.The maximum tensile stress of the road surface is symmetrical distributed with the wheel axis.The shear stress in the pavement structure increases with the increase of depth,and the shear stress recches peak value at 5 cm away from road sorface.The research results can provide theoretical support and technical guidance for the selection and structural design of the asphalt pavement in the desert region.

durability；asphalt pavement；structure design；mechanics analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.06.003

2016-04-07

河北省教育廳自然科學基金重點項目(ZD2016073)

楊三強(1980—)，男，四川綿陽人，河北大學教授，博士，主要從事路基、路面結構與材料方向研究.E-mail：ysq0999@163.com

U419.91

A

1000-1565(2016)06-0574-09