李 斌，梁乃興，馮小軍

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068； 2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

隨著公路交通量的日益增大和軸載的不斷增加，路面在汽車作用下長(zhǎng)期處于應(yīng)力、應(yīng)變交迭變化之下[1-3]，當(dāng)作用次數(shù)達(dá)到一定值后，路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸降低，形成疲勞破壞。彭文俊等通過(guò)分析長(zhǎng)壽命瀝青路面各層的功能和抗疲勞層的力學(xué)特性，提出了細(xì)級(jí)配抗疲勞層瀝青混合料，并得出抗疲勞層的厚度、模量對(duì)路面彎沉和抗疲勞層層底拉應(yīng)變影響不大,但對(duì)瀝青穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)變影響很大[4-6]。孫亞文等通過(guò)試驗(yàn)對(duì)瀝青混凝土水、溫作用下的疲勞方程特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，水、溫綜合作用下瀝青混凝土的疲勞壽命顯著降低[7-9]。朱洪洲等分別從混合料級(jí)配、瀝青品種、油石比、應(yīng)變水平、間歇時(shí)間和試驗(yàn)溫度對(duì)瀝青混合料疲勞性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：混合料飽和度和孔隙率對(duì)疲勞壽命影響較大，且影響程度由大到小依次為間歇時(shí)間、溫度、瀝青品種、級(jí)配、瀝青用量、荷載頻率[10-12]。 王志怡等通過(guò)擊實(shí)和劈裂試驗(yàn)分析了冷再生混合料的疲勞性能，并給出了在高低應(yīng)力狀態(tài)下冷再生材料在2種舊瀝青混合料摻量下的應(yīng)變控制指標(biāo)[13-14]。胡朋等采用有限元模擬方法對(duì)瀝青路面的疲勞特性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在僅考慮荷載作用的條件下，瀝青面層疲勞開(kāi)裂首先發(fā)生在輪隙中心，隨后向兩側(cè)擴(kuò)展，且路表應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)間隨深度增加而依次滯后[15-17]。何杰等針對(duì)不同車速及非均布動(dòng)荷載作用下路表面彎沉值的變化進(jìn)行了計(jì)算和分析，結(jié)果表明，當(dāng)重載車速在10～32 km·h-1之間時(shí)，路面的動(dòng)態(tài)彎沉值顯著大于靜態(tài)彎沉值[18]。

以上大多數(shù)研究都是針對(duì)瀝青混凝土的不同材料、配合比和荷載作用下的疲勞性能及特性，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層厚度的影響研究相對(duì)較少，故本文基于課題組針對(duì)云南省高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行的瀝青路面基層路用性能研究的成果，利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)汽車荷載作用下不同基層厚度的路面結(jié)構(gòu)層受力及疲勞性能進(jìn)行分析。

1 路面結(jié)構(gòu)層

本文選用的路面結(jié)構(gòu)為：上面層為AC-13C細(xì)粒式瀝青混凝土，厚度H1；中面層為AC-20C中粒式瀝青混凝土，厚度為H2；下面層為AC-25C粗粒式瀝青混凝土，厚度為H3；基層為水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，厚度H4經(jīng)計(jì)算分析后再進(jìn)行確定；底基層為砂礫，其厚度H5=30 cm；路基土深度方向?yàn)闊o(wú)限[19]。

2 有限元模型及結(jié)構(gòu)層參數(shù)

2.1 有限元模型

考慮到計(jì)算機(jī)的性能和所用的時(shí)間，將對(duì)面層的3層結(jié)構(gòu)在建模時(shí)簡(jiǎn)化為一層，厚度為面層厚度的總和，其性能以中面層的AC-20C中粒式瀝青混凝土為基準(zhǔn)。在分析時(shí)假設(shè)瀝青面層、基層、底基層以及土基之間為完全連續(xù)。路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖1所示。其中網(wǎng)格劃分如下：瀝青混凝土面層劃分為3層；水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層每層2 cm，視其厚度劃分為不同的層數(shù)；砂礫石底基層30 cm劃分為3層，每層10 cm；土基劃分為2層。荷載按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)中的雙圓均布荷載進(jìn)行加載，荷載半徑為10.65 cm，軸載為100 kN，荷載應(yīng)力為0.7 MPa。

圖1 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

2.2 模型參數(shù)

在運(yùn)用路面結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行計(jì)算時(shí)，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2006)對(duì)水泥穩(wěn)定基層厚度推薦值及云南路面結(jié)構(gòu)常用參數(shù)值進(jìn)行綜合考慮，取值如表1所示。

表1 有限元模型參數(shù)

3 面層和基層厚度對(duì)路面疲勞性能的影響

3.1 面層底面拉應(yīng)力

面層底面拉應(yīng)力隨路面結(jié)構(gòu)層厚度變化的計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 面層底面拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.1.1 基層厚度對(duì)面層底面拉應(yīng)力的影響

面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度增加的變化如圖2所示。由表2和圖2可知：面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度的增加而減?。划?dāng)面層厚度為5 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度增加而減小的趨勢(shì)較為明顯；面層厚度為10 cm和15 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度的增加而減小的趨勢(shì)較面層厚度為5 cm時(shí)明顯減弱。

圖2 拉應(yīng)力隨基層厚度的變化

面層厚度相同的情況下，面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度的變化如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)基層厚度為20 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力減小0.097 4 MPa，且面層底面拉應(yīng)力變化值隨基層厚度的增加而減?。划?dāng)基層厚度為44 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力減小為0.058 2 MPa；當(dāng)面層厚度由5 cm增加到15 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力隨基層厚度的增加不斷減小。

圖3 拉應(yīng)力隨基層厚度的變化

3.1.2 面層厚度對(duì)面層底面拉應(yīng)力的影響

面層底面拉應(yīng)力隨面層厚度增加的變化如圖4所示。由圖4可知：當(dāng)基層厚度為20 cm，面層厚度由5 cm增加到10 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)力減小0.060 1 MPa；面層厚度再由10 cm增加到15 cm，面層底面拉應(yīng)力減小0.037 3 MPa；當(dāng)基層厚度保持不變時(shí)，面層底面拉應(yīng)力隨著面層厚度的增加而減小。

圖4 拉應(yīng)力隨面層厚度的變化

圖5 拉應(yīng)力變化值隨面層厚度的變化

基層厚度相同時(shí)，面層底面拉應(yīng)力變化值隨面層厚度的變化如圖5所示。當(dāng)面層厚度分別為5、10、15 cm時(shí)，基層厚度均由20 cm增加至44 cm，面層底面拉應(yīng)力分別減小0.046 6、0.017 5、0.007 4 MPa?；鶎雍穸茸兓嗤那闆r下，面層底面拉應(yīng)力隨面層厚度的增加不斷減小。

3.2 面層底面拉應(yīng)變

不同面層厚度時(shí)，面層底面拉應(yīng)變隨基層厚度的變化如表3所示。

1、選取授課主題?？梢葬槍?duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題、機(jī)器構(gòu)造原理等，要抓住學(xué)員的興趣點(diǎn)和共鳴點(diǎn)。例如，在農(nóng)機(jī)安全生產(chǎn)方面，由于涉及學(xué)員切身安危，事故觸目驚心，使人警醒，學(xué)員們?cè)诼?tīng)到有關(guān)這些方面的內(nèi)容案例時(shí)，往往注意力非常集中，不時(shí)地、不約而同地發(fā)出惋惜的聲音。培訓(xùn)主題抓住這些興趣點(diǎn)和共鳴點(diǎn)，能很好的提升授課培訓(xùn)質(zhì)量。在講解收割機(jī)構(gòu)造和功能時(shí)，抓住問(wèn)題導(dǎo)向，以收割機(jī)作業(yè)中的常見(jiàn)故障為切入點(diǎn)，對(duì)機(jī)具的部件、原理和功能進(jìn)行講解，既讓學(xué)員明白了故障的處理，又讓學(xué)員熟悉了機(jī)器的各個(gè)部件。

表3 面層底面拉應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

3.2.1 基層厚度對(duì)面層底面拉應(yīng)變的影響

面層底面拉應(yīng)變隨面層厚度增加的變化如圖6所示。由表3和圖6可知：在面層厚度為5 cm時(shí)，基層厚度分別為20、32、44 cm的面層底面拉應(yīng)變分別為142.31×10-6、128.11×10-6、117.23×10-6。由此可見(jiàn)，面層厚度一定時(shí)，面層底面拉應(yīng)變隨著基層厚度的增加而減小。

圖6 拉應(yīng)變隨基層厚度的變化

圖7 拉應(yīng)變變化值隨基層厚度的變化

在面層厚度變化相同的情況下，面層底拉應(yīng)變變化值隨基層厚度的變化如圖7所示。在面層厚度均由5 cm增加至15 cm的情況下，隨著基層厚度的增加，面層底面拉應(yīng)變不斷減小。

3.2.2 面層厚度對(duì)面層底面拉應(yīng)變的影響

面層底面拉應(yīng)變隨面層厚度的變化如圖8所示。由圖8可知，當(dāng)基層厚度一定時(shí)，面層底面拉應(yīng)變隨著面層厚度的增加不斷減小，且減小趨勢(shì)逐漸減弱。

圖8 拉應(yīng)變隨基層厚度的變化

圖9 拉應(yīng)變變化值隨基層厚度的變化

不同面層厚度下面層底面拉應(yīng)變的變化如圖9所示。由圖9可知，在基層厚度相同的情況下，當(dāng)面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加到15 cm時(shí)，面層底面拉應(yīng)變的變化值分別為25.08×10-6、14.17×10-6和5.46×10-6，減小幅度分別為17.62%、15.22%和7.89%。故面層底面拉應(yīng)變隨面層厚度的增加不斷減小。

由以上分析可知：面層底面拉應(yīng)變對(duì)于面層厚度的變化更為敏感；基層厚度變化對(duì)于面層底面拉應(yīng)變雖有影響，但與面層厚度變化的影響相比較弱。因此，增加面層厚度比增加基層厚度能更有效地減小面層底面的拉應(yīng)變，但一味采用增大面層厚度的方法來(lái)減小面層底拉應(yīng)變是不合適的。

3.3 面層疲勞分析

本課題組研究得出AC-20C中粒式瀝青混凝土的應(yīng)變疲勞方程為

(1)

式中：Nε為AC-20C中粒式瀝青混凝土的疲勞壽命；εx為AC-20C中粒式瀝青混凝土的疲勞應(yīng)變。

面層疲勞壽命隨結(jié)構(gòu)層厚度變化的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 面層疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

3.3.1 基層厚度對(duì)面層疲勞壽命的影響

面層疲勞壽命隨基層厚度的變化情況如圖10所示。由表4和圖10可知，當(dāng)面層厚度由5 cm增加至15 cm的情況下，基層厚度分別為20、32、44 cm時(shí)，面層疲勞壽命分別增加1 494.8萬(wàn)次、1 680.5萬(wàn)次和1 890.9萬(wàn)次。由此可知，在面層厚度相同的情況下，面層疲勞壽命的變化隨基層厚度的增加而增加。

圖10 疲勞壽命隨基層厚度的變化

3.3.2 面層厚度對(duì)面層疲勞壽命的影響

當(dāng)基層厚度不變時(shí)，面層疲勞壽命隨面層厚度的變化如圖11所示。

由圖11可知：當(dāng)基層厚度為20 cm的情況下，面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm時(shí)，面層疲勞壽命分別增加451.1萬(wàn)次和1 043.7萬(wàn)次；基層厚度為44 cm的情況下，面層厚度由5 cm增加到10 cm，再由10 cm增加至15 cm時(shí)，面層疲勞壽命分別增加767.7萬(wàn)次和1 123.2萬(wàn)次。由此可得，基層厚度一定，面層疲勞壽命隨面層厚度的增大而增加，且變化趨勢(shì)隨面層厚度的增大而增加。

不同面層厚度下面層疲勞壽命變化值如圖12所示。由圖12可知：隨著路面結(jié)構(gòu)層的不斷增加，面層底面拉應(yīng)變不斷減小，疲勞壽命增加幅度較大；隨著路面結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)一步增大，面層底面應(yīng)變減小幅度不斷減小，致使路面疲勞壽命的增加幅度也隨之減小。

圖12 疲勞壽命變化值隨基層厚度的變化

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以課題組研究所得的瀝青混凝土疲勞方程為基礎(chǔ)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層的受力情況進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果表明：路面面層底面拉應(yīng)力隨路面結(jié)構(gòu)厚度的增加而不斷減??；面層底面應(yīng)變隨路面結(jié)構(gòu)層厚度的增加不斷減小；面層疲勞壽命隨路面結(jié)構(gòu)層的增加不斷增加。