土基抗压回弹模量对半刚性基层沥青路面结构承载力的影响分析

2016-09-14位赛厦

公路与汽运 2016年4期

关键词：土基抗压刚性

位赛厦

（河北省高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066000）

土基抗压回弹模量对半刚性基层沥青路面结构承载力的影响分析

位赛厦

（河北省高速公路京秦管理处，河北秦皇岛 066000）

土基抗压回弹模量可用于表征土基的抗压强度，直接决定路基的承载力，对半刚性基层沥青路面结构承载力也有一定影响。文中采用有限元软件ABAQUS建立半刚性基层沥青路面结构承载力仿真计算模型，分析在竖向车辆重载作用下不同土基抗压回弹模量对路面结构承载力的影响规律，结果表明，增大土基抗压回弹模量能在一定程度上减小半刚性基层沥青路面各结构层的层底拉应力，从而提高其结构承载力。

公路；半刚性基层；结构承载力；抗压回弹模量；层底拉应力；竖向车辆重载

半刚性基层沥青路面因其抗拉强度大、抗疲劳性能好、水稳定性好而被广泛采用，是典型沥青路面结构。在国内，货车超载现象较为普遍，个别货车超载率甚至达到300%，作用在路面结构上的竖向车辆荷载值远远超过设计规范所规定的标准车辆荷载，在过大车辆荷载作用下，半刚性基层沥青路面各结构层层底拉应力超出各结构层材料的抗拉强度，不是像设计规范中所期望的那样发生疲劳破坏，而是发生路面结构承载力不足而引起的强度破坏。沥青路面结构的强度破坏背离了设计规范的要求，造成路面出现裂缝、车辙等病害，给路面使用和养护带来不利影响。因此，有必要对半刚性基层沥青路面结构承载力的合理确定进行研究，以防沥青路面结构出现早期破坏。

对于半刚性基层沥青路面结构，在严重超载车辆的竖向荷载作用下，其承载力主要由路基底基层所用材料的力学性能决定。一般底基层所用材料的抗拉强度越高，半刚性基层沥青路面在超载车辆作用下的承载力越高。同时，土基抗压回弹模量的大小对路面结构承载力也有一定影响。土基抗压回弹模量可用于表征土基的承载能力和刚度，从而直接影响半刚性基层沥青路面结构的承载力。因此，在确定半刚性基层沥青路面结构承载力时应予以考虑。该文以湖北省某高速公路半刚性基层沥青路面为依托，采用有限元分析方法，分析在竖向车辆重载作用下底基层层底拉应力和半刚性基层沥青路面结构承载力随土基抗压回弹模量的变化规律。

1　路面结构

该高速公路于2009年12月全线通车，采用半刚性基层沥青路面，路面结构组成和材料物理力学参数见表1。

表1　路面结构组成和材料物理力学参数

2　车辆荷载的简化

根据JTGD50-2006《公路沥青路面设计规范》，在沥青路面设计时，以标准轴载为100kN进行计算，等效成2个当量圆均布荷载（见图1），计算参数见表2。

图1　等效当量圆的轮压计算模型示意图

表2　当量圆轮压计算模型计算参数

根据JTGD50-2006《公路沥青路面设计规范》，对于以大型载重车为主的公路，应根据现实情况选取合适、优化后的轮压计算模型。当量圆计算模型仅适用轻型荷载，不适用沥青路面重型车辆荷载作用下的结构承载力计算。

通过对该高速公路交通量的调查和分析，选用圆形加矩形的轮压计算模型进行沥青路面重型车辆荷载作用下的结构承载力计算，计算模型见图2，其中L为相对单位长度。对于给定的轴载、轴数与轮组，先求得轮胎荷载p，进而根据文献［6］中的方法求得轮胎接地面积A和相对单位长度L。

图2　等效圆形加矩形的轮压计算模型示意图

3　数值模拟分析

3.1数值模型的建立

图3　半刚性基层沥青路面结构有限元计算模型

采用有限元分析软件ABAQUS建立长8m、宽6m、高6m的半刚性基层沥青路面结构三维实体仿真模型（见图3）。选用3D实体单元（C3D8R），采用非均匀网格划分，距离车辆荷载作用较近的部位网格划分较密，较远的部位网格划分较疏。建模时，在土基下端面施加固结约束，侧面采用合适刚度的弹性支撑来模拟四周路面结构层的约束作用，路面结构上部为自由面。假设路面结构各结构层材料都是连续、均质、各向同性的理想线弹性材料，不考虑各结构层之间的摩擦力。

3.2数值模拟结果分析

3.2.1层底拉应力

半刚性基层沥青路面在超载车辆过大竖向荷载作用下将产生较大弯沉变形，使得具有较好板体性的基层出现较大弯拉应力，当其值超过基层所用材料的抗拉强度时，基层将首先产生裂缝。在超载车辆荷载的反复作用下，已开裂的基层刚度降低，裂缝迅速发展并扩展至面层，最终导致路面结构破坏。

有限元分析结果显示，在半刚性基层沥青路面结构中主要存在拉应力、压应力和剪应力，其中面层中的剪应力值小于材料的抗剪强度。由于基层具有较好的板体性，在竖向车辆荷载作用下，沥青路面结构层中的压应力值分布均匀且较小，远小于所用材料的抗压强度值。在竖向车辆荷载作用下，相对于底基层，路面结构中基层的层底拉应力较小，路面结构的破坏往往始于底基层的开裂。因此，半刚性基层沥青路面的承载能力取决于其底基层所用材料的抗拉强度。半刚性基层沥青路面底基层层底拉应力有限元计算结果见图4。

图4　层底拉应力计算结果

从图4可以看出：1）当土基抗压回弹模量从20 MPa增大至90MPa时，以单轴单轮作用为例，沥青路面底基层层底拉应力从0.068MPa减少至0.053 MPa。表明可以通过增大土基抗压回弹模量达到减小沥青路面弯沉变形，并在一定程度上改善底基层受力状况的效果。2）在竖向总轴载为100kN作用下，土基抗压回弹模量为定值（以20MPa为例）时，单轴单轮作用下沥青路面的层底压应力比单轴多轮、多轴单轮作用下沥青路面的层底压应力大。表明当车辆总荷载一定时，车辆的轴数和轮组越多，每个轮胎的平均气压越小，路面各结构层受力越均匀，底基层层底拉应力越小。

3.2.2路面结构承载力

对于半刚性基层沥青路面而言，在竖向车辆荷载作用下，底基层的弯拉应力达到底基层所用材料的抗拉强度时的竖向车辆荷载即为沥青路面结构承载力，其计算公式为：

式中：σm为底基层所用材料抗拉强度。

根据式（1）可计算出土基抗压回弹模量从20 MPa增大至90MPa，竖向总轴载100kN时不同轴数和轮组作用下路面结构的承载力（见表3）。根据表3可得到路面结构承载力随土基抗压回弹模量的变化曲线（见图5）。

从图5可以看出：1）当土基抗压回弹模量从20MPa增大至90MPa时，以单轴单轮作用为例，沥青路面的结构承载力从289kN增大至399kN。半刚性基层沥青路面的结构承载力随着土基抗压回弹模量的增大而增大，表明可通过选择性能良好的回填土类型、增大回填土的密实度等措施提高半刚性基层沥青路面的结构承载力。2）在相等的竖向车辆荷载作用下，车辆的轴数和轮组越多，轮压越小，路面各结构层受力越均匀，沥青路面结构所能承受的车辆荷载越大。