长大纵坡路段沥青路面结构剪应力分析

尚云飞

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

长大纵坡路段沥青路面结构剪应力分析

尚云飞1，2

(1.北黑高速公路建设指挥部;2.黑龙江省公路勘察设计院)

为了解决山区沥青路面上坡路段严重的车辙破坏，通过对车辆纵向行驶特性以及行驶速度与坡度和坡长变化关系的分析，研究车辆对结构水平和垂直荷载随坡度的变化，并通过建立道路三维有限元模型，利用有限元计算方法分析山区沥青路面结构剪应力和剪应变的力学特性，最后采用合理的结构设计和技术指标，提高山区沥青路面抗剪切性能。

上坡路段;有限元分析;剪应力;车辙

0 前言

随着中国高等级公路建设的不断发展，公路建设方向已经逐渐从经济发达的平原、微丘地区转向山岭、丘陵地区，地形、地貌、地质条件会变得十分复杂，在今后相当长的一段时期内，中国公路建设将不可避免的面对长大纵坡路段增多，坡道坡度增大和连续纵坡等问题。

通过对黑龙江省已建高等级公路沥青路面车辙破坏的调查发现，上坡路段最容易产生车辙，特别在坡度较大，上坡坡道较长的路段，车辙破坏程度远远大于平坦路段，产生破坏的时间也较早，这是山区沥青路面最主要的早期破坏形式。为了解决山区上坡路段严重的车辙破坏，通过对上坡路段车辆行驶特性的分析，计算车辆对路面结构的水平和垂直荷载，通过建立道路三维有限元模型，分析山区沥青路面车辆荷载对结构剪应力的特性，采用合理的结构设计和技术指标，提高山区沥青路面抗剪切性能，为山岭、丘陵地区高等级公路建设提供可靠的技术保证。

1 车辆荷载对路面的作用

车辆在平坦路段一般保持匀速行驶状态，遇到上坡路段时，为克服坡道阻力，以较高的行驶效率通过坡段，车辆一般在上坡前开始加速，利用惯性力冲坡，随着阻力不断增大，行驶速度下降，及时改换低档位增大牵引力，使车辆保持一定的稳定速度通过上坡段。当车辆减速行驶克服坡道阻力时，车辆轮胎与路面沿坡道方向的水平荷载将会增大，作用持续时间加长，对路面结构产生较大的剪应力，直到路面发生疲劳剪切破坏并形成严重的辙槽。

通过对车辆行驶特性的分析，进一步研究了车辆在平路和坡路状态下行驶速度随坡度和坡长的变化趋势。根据国内公路不同路段车辆行驶速度的观测和国外相关研究资料，本文综合确定了不同坡度下车辆行驶速度的变化值，并结合车辆纵向动力学的基本理论，以黄河JN150作为代表车型，计算了不同坡度和轴载状态下，车辆对路面结构的水平和垂直荷载，如表1和表2所示。

表1 车辆单轮荷载随坡度变化

表2 当坡度为4%时车辆单轮荷载随轴重变化

2 车辆荷载对路面三维有限元分析

三维有限元模型采用典型半刚性基层结构，如图1所示，模型建立的基本假设与弹性层状体系理论解析法的假设保持一致，空间尺寸x、y和z方向均为3 m，如图2所示。结构单元类型采用8节点等参立方体单元，计算车型为标准车黄河JN150，后轴重100 kN，荷载作用形式为双轮均布矩形荷载，单个矩形荷载尺寸为16 cm×24 cm，水平荷载作用方向与行车方向相反，模型的网格划分如图3所示。

图1 路面应力分析简化结构图

图2 有限元模型图

图3 有限元模型网格划分图

图4 结构剪应力分布图

通过三维有限元数值模拟方法，分析了上坡坡度、车辆轴重、面层厚度，以及面层和基层模量等因素对沥青路面结构剪应力的影响，结构最大剪应力分布方式如图4所示，沿两轮中心呈对称分布，在路表以下3～8 cm范围内结构剪应力达到极值，并随深度增加逐渐减小。不同状态下结构最大剪应力曲线按照表3进行编号。

表3 不同状态下结构最大剪应力曲线表

车辆荷载对沥青路面的结构剪应力随着坡度增加而增大，如图5所示，平路最大剪应力为0.16 MPa，4%坡度为0.28 MPa，6%坡度为0.36 MPa，三种状态下垂直荷载几乎相等，水平荷载的增加使得剪应力不同，从平路到4%坡度，水平荷载提高5.8倍，最大剪应力提高1.8倍;从4%坡度到6%坡度，水平荷载提高1.4倍，最大剪应力提高1.3倍。超载对路面结构剪应力的影响非常明显，如图6所示，通过后轴重100 kN和150 kN的对比，平路最大剪应力从0.16增加到 0.24 MPa，4%坡度最大剪应力从 0.28 增加到 0.41 MPa，增幅50%。

图5 平路、4%和6%坡度时面层最大剪应力

图6 超载时平路和4%坡路面层最大剪应力

面层沥青混合料弹性模量变化对结构剪应力和剪应变的影响，如图7、8所示，对于4%坡度，当面层模量为600，1 200和1 800 MPa时，最大剪应力分别为 0.26，0.28 和0.30 MPa，最大剪应变分别为 1.19，0.64 和 0.45，即面层模量提高，面层剪应力略微增加，剪应变大幅度减小。

图7 不同面层模量下面层最大剪应力

图8 不同面层模量下面层最大剪应变

面层厚度变化对结构剪应力的影响，如图9所示，面层厚度增加5 cm，相同深度最大剪应力略微减小。半刚性基层模量变化对结构剪应力的影响，如图10所示，对于4%坡度，当基层模量为800，1 400和2 000 MPa时，最大剪应力分别为 0.30，0.28 和 0.27 MPa，即基层模量提高，面层最大剪应力略有减小。

图9 不同面层厚度下面层最大剪应力

图10 不同基层模量下面层最大剪应力

3 结语

(1)山区公路沥青路面严重的车辙破坏是由于车辆荷载对路面结构产生过大剪应力和剪应变造成的，主要产生在坡道的中上段，即车辆减速后经过的路段。随着坡度增加，车轮的水平荷载不断增大，剪应力相应增加，在路表以下3～8 cm范围内较大，在深度5 cm左右达到最大值，因此，必须加强上面层和中面层的层间结合强度，提高中、下面层抗剪切性能。

(2)超载车辆对路面结构剪应力影响显著，后轴轴重增加50 kN，平路和4%坡度的最大剪应力增加50%。由于垂直荷载增加对剪应力的影响要大于水平荷载的影响，应该禁止超载车辆通过坡度较大的路段，以减轻对路面的剪切破坏。

(3)沥青路面面层模量增加和基层模量降低都会使结构剪应力增大，但变化幅度较小。当面层厚度增加时剪应力会略微减小。

(4)面层模量的提高对结构剪应变影响非常显著，虽然降低面层模量剪应力会减小，但剪应变会大幅度增加。为防止夏天面层模量随温度升高逐渐减低，荷载产生的巨大剪应变会使沥青混合料发生剪切流变破坏，增大面层模量是提高结构抗剪切性能最有效的方法。

(5)公路纵断面设计中，坡度和坡长的选择主要考虑车辆的行驶速度，缺少对路面早期破坏的考虑。为了减小路面结构剪切破坏，应该结合车辆轴载分布，选择合适的坡度和坡长作为设计指标，防止坡度大和坡段长产生严重的车辙破坏。

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1008－3383(2011)12－0041－03

2011－10－28