重载交通对沥青路面结构受剪、受压性能的影响①

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(上海师范大学 建筑工程学院，上海 201418)

引言

为研究重载对路面结构受剪、受压性能的影响，本文结合重载作用模式，利用双圆垂直均布荷载模式下的多层弹性体系理论计算方法，分别计算标准轴载与重载作用下半刚性基层沥青路面静态剪应力、压应力，分析其在路面结构中的分布规律，并研究轴载增加对其的影响规律。

1 路面结构和参数

本文选用当前我国高等级道路上普遍应用的半刚性基层沥青路面结构作为代表性路面结构进行分析，路面结构形式及参数见图1。

图1 典型半刚性基层路面计算图示

2 重载作用图示

沥青路面力学计算的荷载模式采用双圆均布荷载，其两个主要计算参数是当量圆半径和均布荷载大小。比利时设计方法认为，重载作用下，轮胎接地压力、接地面积同时随轴载的变化而变化，并根据大量的实际调查资料统计出如下公式[1]：

主要道路：

A=(0.008P+152)±70

(1)

次要道路：

A=(0.009P+132)±90

(2)

式中：A——轮胎接地面积，cm2；P——每个轮胎所受的荷载，N；±70，±90——为保证率达到95%的离差范围。 轮胎接地压力p为：

(3)

根据我国道路的实际情况，取保证率50%，采用如下形式：

A=0.008P+152

(4)

3 各结构层剪应力分析

计算表明，在垂直车辆荷载作用下，面层内的最大剪应力一般出现在双轮外侧边缘的垂直线上。图2分别给出了标准轴载100 kN、重载260 kN垂直轮载作用下最大剪应力出现位置所在深度处的剪应力水平方向分布。图3为不同轴载下面层剪应力随深度变化图。

(1)在横向上的剪应力变化趋势。从图2可以看出，在标准轴载100 kN作用下，沥青路面结构最大剪应力值一般出现在荷载边缘外侧临界点2.5δ处，即轮胎边缘外侧，其次为荷载边缘内侧临界点0.5δ处，即轮胎边缘内侧；随着轮载的增大，轮胎与路面接触面积也逐渐增大，路面结构同一深度处，剪应力最大值作用位置从轮胎边缘外侧向内部偏移，位于轮胎当量圆圆心与轮胎边缘外侧之间。例如在重载260 kN作用下，剪应力最大值作用位置为2.0δ处。随着轴载的增大，剪应力峰值也随之增大。当轴载为100 kN时，剪应力峰值为0.22 MPa；当轴载为260 kN时，剪应力峰值为0.30 MPa，增大了36%。

图2 面层剪应力沿路面横向分布图

图3 不同轴载下面层剪应力随深度变化图

(2)在深度方向的剪应力变化趋势。从图3可知，在标准双圆荷载100 kN作用下，从表面开始往下(表面下7 cm范围内)，剪应力由小到大增加得很快，到某一深度处达到峰值(表面下8 cm处)，然后剪应力开始逐渐变小(表面下9～15 cm)，但速度减弱较慢。

随着轴载的增加，在面层表面下7 cm范围内，轴载增大对剪应力值的影响较小。从面层下7 cm开始，轴载增大对剪应力值产生越来越大的影响。随着轴载的增大，剪应力值也越大，出现最大剪应力的位置也在逐渐加深，剪应力达到峰值后下降的速度也在减缓。所以，对于重载，剪应力峰值通常属于中面层和下面层内，故沥青混凝土中、下面层需要有较高的抗剪性能，以抵抗行车荷载。

4 面层竖向压应力

对于半刚性沥青路面结构，由于半刚性材料具有较强的整体性和板体性，在压应力作用下，半刚性材料层几乎不产生压缩应变，行车荷载作用下产生的压应力对半刚性基层几乎没有破坏作用。本文仅讨论面层内压应力分布情况。

图4为竖向压应力在面层内的分布，图5为面层底部压应力随轴载变化图。

图4 竖向压应力在面层内的分布

图5 面层底部压应力随轴载变化图

由图4可知，在标准轴载100 kN作用下，竖向压应力随深度的增加而增大，到面层底面达到最大值。随着轴载的增加，尤其在重载的作用下，竖向压应力随深度的增加而急剧增大(在面层表面下7 cm范围内)，在面层中部达到最大值，随后竖向压应力随深度的增加而缓慢减小。

由图5可知，轴载增大对竖向压应力值的影响较大。以面层底部出现的压应力为例，随着轴载的增加，竖向压应力值基本呈线性增长。所以重载将显著增加沥青面层压密变形的发生。

5 结论

综合上述计算分析结果，重载作用下，沥青中面层和下面层承受较大的剪应力和压应力，对于重载半刚性沥青混凝土路面结构，其中面层、下面层需要有较高的抗剪性能和抗压性能。

参考文献：

[1] 黄文元，王旭东，孙立军.公路超载特征及重载沥青路面交通量参数[J].公路，2003(5)：56-59.