移动荷载作用下沥青路面车辙响应分析

牛　芊

(河北省高速公路石黄管理处　石家庄　050000)

移动荷载作用下沥青路面车辙响应分析

牛芊

(河北省高速公路石黄管理处石家庄050000)

摘要车辆在路面行驶过程中，会对路面结构产生水平向推力，从而加剧路面结构层剪切破坏，而路面结构层剪应力过大是引起路面车辙的主要因素。文中建立在移动荷载下路面结构有限元模型，应用正交因素分析法研究车速、轴载、HMA厚度、HMA模量对路面车辙的影响。结果表明，HMA厚度和轴载大小是影响车辙深度的主要因素，其大小与车辙深度的关系可以用二次抛物线描述。

关键词移动荷载沥青路面车辙深度有限元

我国规范[1]中路面结构计算是假设路面结构承受静止车辆荷载，然而路面结构实际上大多数时间承受的却是以一定速度行驶的移动车辆荷载。哈尔滨工业大学的董泽蛟[2]等人通过建立路面结构在非均匀分布的移动荷载作用下有限元模型，分析了路面结构力学响应的空间分布以及时程变化情况。中南大学的梁洪涛[3]研究了移动荷载作用下沥青路面结构时程响应，借助有限元动力方程求解方法，根据弹性层状体系假设，建立了移动荷载作用下沥青路面三维有限元模型。河海大学土木与交通学院的陈俊、东南大学交通学院的黄晓明等[4]借助离散元理论对路面结构进行了移动荷载作用下多尺度的分析，建立了沥青路面结构典型离散元结构模型，验证了以离散元为基础，移动荷载作用下沥青路面结构内部应力、应变分布比静力荷载作用下更接近实际。由此可见，在路面结构仿真分析时，采用移动荷载比静力荷载更能反映路面实际受力情况。

本文借助ANSYS建立路面结构响应模型，分析在移动荷载作用下路面结构参数以及轴载对车辙的影响。

1移动荷载作用下车辙计算模型

借鉴美国AASHTO提出的 M-E PDG车辙计算模型[5]，HMA的弹性应变计算公式

(1)

车辙的计算公式：

(2)

式中：RD为热拌沥青路面面层车辙深度；hac为HMA厚度。

本文建立路面结构有限元模型时，对沥青路面结构模型做出如下假设：①路面结构为弹性层状体系；②路面结构层间接触连续；③路面材料各向同性。采用Solid45单元类型，路面结构模型尺寸见图1。

图1　移动荷载下的路面结构模型

2多因素正交试验分析

路面结构属于多种材料复合而成的结构体，产生的车辙严重程度既受到材料属性[6]等内部因素影响，又要考虑行车荷载等外部因素作用。本文选取HMA厚度、HMA模量、车速、轴载这4种典型因素作为分析因子进行正交分析，选取正交试验分析见表1。

表1　路面结构多因素正交试验分析

对表1中计算数据进行显著性分析，采用F检验方法，取检验水平为0.1时，查方差表得到F0.9(3,3)= 5.39，取检验水平为0.05时，查方差表得到F0.95(3,3)=9.28。计算各个因素均方差，得到检验方差分析表,见表2。

表2　多因素方差分析表

由表2可见，HMA厚度对路面车辙的影响最为显著，其次是轴载大小，HMA模量和行车速度对车辙影响相对较小。

3影响车辙深度的主要因素分析

根据前文方差分析结果看出，HMA厚度和轴载大小是沥青路面产生车辙的主要影响因素，二者进行建模分析，得到回归曲线，见图2、图3。

图2　HMA厚度对车辙深度的回归曲线

图3　轴载大小对车辙深度的回归曲线

由图2可见，随着HMA层总厚度的增加，路面车辙深度逐渐减小，路面结构HMA总厚度在9~12 cm时，减小速率最快，之后缓慢减小，得到的回归曲线方程为二次抛物线型；图3中轴载大小对车辙影响与之相反，随着轴载的增加，车辙深度逐渐变大，当轴载水平大于120 kN时，车辙深度增长速率明显变快，其变化曲线也可以用二次抛物线拟合。

4结论

(1) 车速、轴载、HMA厚度、HMA模量对车辙深度的影响程度依次是：HMA厚度>轴载大小>车速>HMA模量。

(2) HMA总厚度在9~12 cm范围内对车辙影响程度最大，采用过薄的沥青混凝土面层不宜控制车辙深度。

(3) 轴载大于120 kN时，车辙深度增长速率明显加快，说明大货车占的比例对车辙有着至关重要的影响。

参考文献

[1]JTG D50-2006公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社,2006.

[2]董泽蛟,谭忆秋,欧进萍.三向非均布移动荷载作用下沥青路面动力响应分析[J].土木工程学报,2013(6):122-130.

[3]梁洪涛.移动荷载作用下层状沥青路面结构时程响应分析[D].中南大学,2013.

[4]陈俊，黄晓明，汪林兵，等.移动荷载作用下柔性路面多尺度结构的响应[J].东南大学学报：英文版，2013(4)：425-430.

[5]Applied Research Associate，Inc. Guide for mechanistic-empirical design[R].NCHRP 1-137A Final Report，2004.

[6]张宇.抗车辙沥青路面的设计及应用研究[J].交通科技,2014(1):72-75.

收稿日期：2015-08-15

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.026