重载交通沥青路面设计指标研究

张 亮

（邯郸市光太公路工程有限公司，河北 邯郸 056000）

0 引言

随着我国经济的快速发展，高速路上的交通量也在迅速增加，尤其运输建筑材料、煤炭的大型超载车辆不断增多，大部分运输砂石料车辆的载重量一般在80～120t。通过路政部门了解，在这些重载交通严重地区中所查处的超载车辆中运砂车辆最大总重达168t，单轴重量超过50t。这些车辆的载重量远远大于设计荷载，导致路面长期处于超负荷工作状态，加速了病害的发生发展。如果直接采用规范方法进行路面设计，则很难满足重载交通地区的某些特殊设计要求。为此，本文在对沥青路面结构破坏临界状态研究的基础上，根据重载交通荷载特点，采用ANSYS有限元软件进行路面结构的力学响应分析，旨在确定出重载交通地区沥青路面设计指标，为重载交通地区沥青路面设计提供技术支持和理论依据。

1 沥青路面结构破坏临界状态确定

路面结构破坏临界状态是指路面结构内部各种性状达到极限时的一种状态，当外界荷载或者环境再恶化一点，结构就会发生破坏，即为结构破坏临界状态，这种状态只是瞬间的，不能持续太长时间。不同地区的沥青路面结构破坏临界状态差异很大，下面分析给出几种沥青路面结构设计过程中应该考虑的临界破坏情况。

1.1 沥青面层的疲劳开裂

疲劳开裂是指在荷载重复作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂。材料内部存在局部缺陷，在荷载作用下在该处产生应力集中而出现微裂隙[1]，应力的反复作用促使微裂隙逐步扩展，从而不断减少有效的承受应力的面积，最终在反复作用一定次数后导致疲劳破坏。

1.2 半刚性基层的开裂

基层开裂的原因是路面结构在环境和荷载的共同作用下半刚性基层层底的拉应力超过其容许拉应力。半刚性基层在压实后，由于水的蒸发和水泥、石灰等材料的水化反应而造成水份不断减少，产生毛细管作用、碳化收缩作用、吸附作用、分子间力作用、材料矿物晶体、凝胶体层间水的作用等，使水泥稳定基层压发生体积收缩，产生收缩应力，当应力大于半刚性基层层底拉应力时即产生收缩裂缝，这种裂缝向上发展很快，等路面出现贯通结构的裂缝时，如果不能及时修补，整个路面结构很快就会出现结构性破坏，只能进行大修或重修。因此，在沥青路面结构设计中，半刚性基层的开裂是沥青路面结构破坏的一种主要临界状态。

1.3 车辙

车辙会在两种情况下产生：第一种是由于沥青面层材料高温稳定性不足产生的，只发生在沥青面层；第二种产生于土基，是由于路基处理不当造成的结构性变形。不同类型的车辙应采取不同的维修措施，但仅从车辙外观还不能区分这两种车辙。

2 沥青路面力学响应分析

2.1 力学模型的建立

建立路面结构的空间三维模型（见图1），研究对象由面层、基层、底基层和土基组成。图1为模型在轴载作用下状态图示。计算时，设行车方向为X方向，道路横断方向为Y方向，路面深度方向为Z方向。

图1 路面结构空间三维模型图

2.2 材料参数选择和荷载的选定

具体的材料参数取值见表1。

表1 材料设计参数

计算选用轴重80kN、100kN、120kN、140kN、160kN五组荷载参数。

2.3 单元类型选择和网格划分

本文采用的单元类型为三维六面体单元（Solid45）。Solid45单元可用于建立各向同性固体力学问题的模型；具有8个节点，每个节点有沿X、Y、Z方向的3个平移自由度；可用于分析大变形、大应变、塑性和屈服；结果包括节点位移，X、Y、Z方向的正应力、剪应力以及主应力（应力方向与坐标系平行）。

有限元顾名思义即把空间结构体划分成有限多个适宜大小的小单元，在划分有限元网格时，不同的划分方式对计算结果有很大的影响。从有限元的基本理论可知，一般单元网格的划分越细，计算的精度越高。但是网格划分太细，会使计算速度大大减慢，合理的网格划分应该是疏密得当。

参照已有的研究成果，对路面各结构层进行划分时采用10×10cm单元，对土基进行划分时采用20×20cm单元，荷载作用区域附近的单元划分应该细化，并将各层连接到一起，以满足各层连续接触的条件。划分网格后的有限元模型如图2。

图2 路面结构有限元模型示意图

3 沥青路面结构应力、应变、位移的求解

通过有限元软件进行仿真模拟，对常用沥青路面结构进行应力应变分析，分别计算模型的竖向应力、竖向应变、弯拉应力和剪应力。

3.1 竖向应力

不同荷载作用下的路面结构最大竖向压应力如图3所示。

图3 不同荷载作用下路面结构的最大竖向压应力变化曲线图

通过计算可以发现：

a）标准荷载作用下，由于沥青面层属于柔性路面，车辆荷载产生的竖向压应力并未得到完全的扩散，并且应力集中在车轮荷载附近，深度为0.1m内，最大压应力为0.6MPa；竖向压应力在半刚性基层中扩散很快，压应力随着结构深度的增加而逐渐减小，当路面深度大于0.5m时，竖向压应力可以忽略不计[2]；在横断面的中心点和荷载加载位置以外，产生了微量的拉应力；

b）随着轴载的增加，路面结构的竖向压应力随着荷载的增加而变大，其规律基本呈线性变化，轴载从80kN增大到160kN，最大竖向压应力值从0.58MPa增加到0.78MPa。

3.2 竖向应变

不同荷载作用下的路面结构基顶压应变值如图4示。

图4 不同荷载作用下路面结构的基顶压应变变化曲线图

通过计算可以发现：

a）标准荷载作用下，应变最大值主要出现在深度小于0.3m以内的沥青层内，而且主要集中在车轮荷载附近，最大应变位置在沥青层第二层，最大应变为306ε，随着路面深度的增加，应变急剧下降，当深度大于0.5m时，应变趋于稳定，应变值为61ε，当路面横断面方向小于0.05m和大于0.3m的时候，应变值很小，路基顶面压应变值为61ε；

b）荷载小于120kN时，基顶压应变变化基本呈线性变化，当轴载大于120kN后，基顶压应变急剧增大，说明车辆荷载超重对沥青路面基顶压应变影响巨大，车辆荷载从80kN增大到160kN，基顶压应变从54με增大到132με。

3.3 弯拉应力

不同荷载作用下的路面结构基顶压应变值如图5示。

图5 不同荷载作用下路面结构的沥青层底弯拉应力变化曲线图

通过计算可以发现：

a）标准荷载作用下，拉应力最大值出现在沥青层第一层层底车轮荷载附近，最大值为0.6MPa，随着结构深度的增加，拉应力向车轮荷载两侧扩散，拉应力逐渐降低，当结构深度大于0.2m时，拉应力在横断面方向已趋于平滑，当结构深度大于0.5m时，拉应力变成正值。

b）荷载对沥青层底弯拉应力影响明显，随着轴载的增加沥青层底弯拉应力呈直线变化，轴载从80kN增加到160kN，沥青层底弯拉应力从0.54MPa增大到0.73MPa。

3.4 剪应力

不同荷载作用下的沥青层剪应力最大值如图6所示。

图6 不同荷载作用下路面结构的沥青层最大剪应力变变化曲线图

通过计算可以发现：在准荷载作用下，剪应力随着路面结构深度的增加而逐渐降低，车辆荷载主要作用区域剪应力较其他地方要大很多[3]，而轮隙之间的剪应力较小。沥青面层荷载作用区域最大剪应力为0.25MPa，随着路面结构深度的增加，基层的剪应力较小，只有上面层剪应力的三分之一，路基之中的剪应力变化缓慢，沿路面横断面方向变化均匀。

4 结论

本文分析得出的主要结论如下：

a）路面的主要破坏模式为：沥青层的层底疲劳开裂、半刚性基层和底基层的层底疲劳开裂和路面结构性车辙；

b）竖向压应力最大值集中在深度小于0.1m的沥青层的车轮荷载作用处，随着深度的增加而逐渐衰减；竖向压应变主要集中在荷载作用处，轮隙中间的压应变较小，压应变的最大值处于沥青层的第二层；弯拉应力主要集中于沥青层的车轮荷载作用处，沥青层的轮隙之间位置和基层的弯拉应力很小；沥青面层的剪应力最大，随着深度的增加，剪应力逐渐减小，路基中剪应力变化均匀。

[1]沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析及防治对策[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]姚祖康.沥青路面设计指标体系的探讨[A].中国公路学会2005年学术年会论文集[C].北京：人民交通出版社，2005.3-14.

[3]王德蜜.长寿命沥青路面设计方法研究[D].西安：长安大学，2008.