沥青路面大中修结构极限荷载分析研究

2016-11-21钟珊群

城市道桥与防洪 2016年7期

关键词：结构层大修模量

钟珊群

（深圳国际控股有限公司，广东深圳　518040）

沥青路面大中修结构极限荷载分析研究

钟珊群

（深圳国际控股有限公司，广东深圳518040）

我国大批道路进入大中修时期，高速公路大中修设计已成为道路养护部门面临的重要问题。由于高速公路行车速度较高，大中修设计时应考虑移动荷载作用的影响。基于路面结构安定理论，应用有限元模拟高速公路路面大中修结构在循环荷载作用下达到塑性破坏时的极限荷载，并计算不同行车速度下不同参数对路面大中修结构极限荷载的影响程度。从整体上看，路面结构厚度对大中修结构极限荷载的影响大于模量的影响，旧铣刨料作为大中修结构层对极限荷载的影响要大于其他结构层。

沥青路面；大中修；安定理论；塑性破坏；极限荷载

0　引言

路面结构承载力分析是道路研究工作中一个基本问题，许多道路研究者针对此问题给出了不同的分析方法，但多是基于临界应变累积的半力学法和弹性理论方法，并将道路荷载化为静力荷载来计算。在实际交通环境下，路面结构承受的是变值荷载作用，故将变值荷载简化为静力荷载不符合实际情况，并且会出现较大的偏差。显然，使用常规的极限荷载分析方法不能准确模拟荷载变化的循环特性。鉴于路面及路基材料的复杂特性和结构所承受荷载的交变循环特性，需要一种更加准确的路面结构承载能力分析方法。

Melan于1938年提出了经典静力安定定理，Koiter在1956年提出了机动安定定理。安定定理发展至今，在许多领域取得了长足的发展。在对路面进行安定性分析时，采用循环荷载的加载方式，能够较为准确的反映路面结构的本质和结构的实际安全程度［1］。故将安定理论作为分析和研究在复杂荷载作用下的路面结构响应的方法，能弥补当前弹性理论和经验方法的不足［2］。

路面大中修结构的使用寿命与其可承受的极限荷载大小直接相关［3］。本文将安定理论应用于大中修路面结构极限荷载分析中，主要研究了大中修路面结构在重复车辆荷载作用下的安定状态；计算在不同行车速度反复作用下，路面结构参数对大中修结构达到临界破坏状态时的极限荷载影响程度。

2　沥青路面大中修结构安定性分析

安定性指的是在复杂加载条件下，结构的塑性变形使残余应力缓慢改变，应力场重新分布，最终形成有利于结构承载的残余应力场，使结构达到安定状态，并在不断的循环荷载作用下处于完全弹性状态，整体上达到一种稳定的极限状态［4］。

在实际道路环境中，路面结构承受车辆的重复荷载作用，为了更好的模拟路面结构实际工作状态，对路面结构进行安定性分析时，采用循环荷载的加载方式［5］。引入广义荷载Гa（t），一个周期T为的循环加载过程为：

式中：Гa（t）为广义荷载函数；Г（t）为施加荷载函数；T为荷载周期。

式（1）对路面结构的加载过程进行了排序，t是随时间单调增加的任意变量，周期T无需严格与真实时间相关联。运用安定理论分析大中修路面结构极限荷载时，采用的循环加载方式如图1所示。图1为结构在循环荷载下的闭合荷载路径及安定状态下的屈服面特性。

3　高速公路大中修典型结构形式

调查分析目前国内常用的路面大中修技术，并结合我国高速公路病害的主要发生层位，根据旧路的破坏程度的不同，可将我国高速公路大中修的主要结构形式分为三类：罩面养护、功能性大修和结构性大修。根据对我国高速公路路面结构及常用大中修养护方案的调查及分析，常用的大中修养护方案如表1所示。

图1　安定理论的循环加载方式

表1　典型大中修养护方案

4　基于安定理论的路面结构分析模型

本文利用有限元分析软件ANSYS建立高速公路沥青路面大中修典型结构有限元仿真分析模型，分析不同结构的安定性。

在标准荷载作用下，双圆均布垂直荷载当量荷载边长18.9 cm。已有研究表明，随着轴重的增大，轮压和接地面积均随增大，但当量荷载中心距离不会改变，即始终保持为31.95 cm。

借鉴比利时的轴载与轮胎接地面积之间的经验公式，并结合我国道路状况的实际情况，本文采用如下公式：

式中：A为轮胎接地面积，cm2；P为轮胎压力，N；+4为保证率达到90%的离差范围。

计算可得轴重与轮胎接地面积对应关系如表2所示。

表2　轴重与轮胎接地面积的对应关系

各结构层计算参数如表3所示。

表3　路面结构模型计算参数

5　沥青路面大中修结构极限荷载分析

沥青路面结构的使用寿命与其承受的极限荷载水平有直接关系，本文选取我国典型大中修养护沥青路面结构，结合上文给出的材料参数，利用有限元分析软件ANSYS建立大中修路面结构仿真模型，计算在不同材料参数和行车速度（80～120 km/h）下荷载循环作用的路面结构安定极限荷载。

5.1中修养护结构安定极限荷载分析

通过有限元计算分析，可得到沥青混凝土厚度及铣刨后路面回弹模量对安定性极限荷载的影响，如图2所示。

图2中，中修罩面厚度和模量对路面结构的安定极限荷载没用明显的影响，且不同罩面厚度或模量下，路面结构安定极限荷载曲线出现了小幅度的交叉重叠，故路面结构中修罩面对改善旧路面结构的使用性能效果良好，但对路面结构强度的改善并不明显。不同沥青混凝土罩面模量对中修路面结构的安定极限荷载影响较小，但是仍可以看出，沥青混凝土罩面模量越大，路面结构安定极限荷载越大。

图2　沥青混凝土厚度、模量对安定极限荷载的影响

5.2功能性大修结构安定极限荷载分析

通过有限元计算分析，可得到功能性大修各结构层厚度及模量对安定性极限荷载的影响，其中水泥稳定碎石基层参数与结构安定极限荷载的关系曲线如图3和图4所示。

图3　水泥稳定碎石厚度对安定极限荷载的影响

图4　水泥稳定碎石模量对安定极限荷载的影响

通过计算结果可知，功能性沥青路面大修结构的安定极限荷载随着各结构层厚度的增加而增加，但整体随着行车速度的提高而减小，减小速率先慢后快。当AC-25沥青混凝土下面层厚度由6 cm增大至10 cm时，功能性大修结构的安定极限荷载最大增幅为23.33 kN，最小增幅为5.49 kN，增加幅度平均值为15.72 kN。当水泥稳定碎石基层厚度从16 cm增大至18 cm时，结构的安定极限荷载最大增幅为21.8 kN，最小增幅为7.14 kN，平均幅度增大16.15 kN。当现场冷再生底基层厚度由16 cm增大至20 cm时，功能性大修结构安定极限荷载最大增幅25.58 kN，最小为8.93 kN，平均增长值为17.3 kN，其中冷再生厚度为18 cm时安定荷载曲线变化波动明显大于其他厚度的荷载曲线。

通过对各结构层模量对安定极限荷载的影响分析可知，安定极限荷载随各结构层模量的增大而增大，其中沥青混凝土模量和水泥稳定碎石模量的安定极限荷载影响曲线近似成直线，且随着车速的增加，增长幅度逐渐减小。当沥青混凝土下面层模量从1 000 MPa增长到1 400 MPa（增幅为66.67%）时，安定极限荷载平均增幅为9.68%。当水泥稳定碎石模量从3 000 MPa提高到4 000 MPa时（增幅为33.3%），安定极限荷载平均增幅9.56%。路面安定极限荷载随现场冷再生底基层模量的增加而增加，随着车速的增加而减少，且减小速率变化较大，当车速为90 km/h时，现场冷再生安定极限荷载增加幅度最大，可达到18 kN。

5.3结构性大修结构安定极限荷载分析

选取典型结构性大修路面结构，运用有限元软件计算不同工况下路面大修结构安定极限荷载，其中冷再生底基层参数与结构安定极限荷载的关系曲线如图5和图6所示。

图5　现场冷再生厚度对安定极限荷载的影响

图6　现场冷再生模量对安定极限荷载的影响

通过对安定极限荷载变化曲线拟合可知：结构性大修路面各结构层厚度对安定极限荷载的影响曲线可用直线拟合，即随着车速的增加，安定极限荷载减小速率基本不变。当AC-25沥青混凝土下面层厚度由6 cm增大到10 cm时，安定荷载逐渐增加，最大增加值为13.81 kN，最小增加值为9.77 kN，平均增加值为11.25 kN。随着水泥冷再生厚度由16 cm增大至18 cm，安定荷载围成的安定区域面积不断增大，增加幅度在车速100 km/h时开始逐渐减小，安定极限荷载增加值最大为18.91 kN，最小增加值为9.33 kN，平均增幅为13.72 kN。最后，当现场冷再生底基层厚度从16 cm增大至20 cm时，安定极限荷载最大增加值为22.53 kN，最小增加值为9.44 kN，增加值平均增长率为14.38 kN。由以上分析可以看出，水泥冷再生基层厚度和现场冷再生底基层厚度对路面大修结构安定极限荷载的影响程度较大。

通过计算分析各层模量对结构性大修路面极限荷载的影响可知，沥青混凝土下面层的安定极限荷载曲线近似直线，且各曲线距离较小，即沥青混凝土下面层模量对安定极限荷载影响非常小；水泥稳定碎石基层极限荷载影响曲线在车速110 km/h出现转折，当水泥稳定碎石模量从3 000 MPa增加到400 MPa时，最大增加值为18.11kN，最小增加值为9.83 kN，平均增加值为13.79 kN；随着水泥冷再生模量的增大，安定极限荷载亦随着增大，最大增加值为10.43 kN，最小增加值为7.91 kN，平均增加值9.42 kN。现场冷再生的安定极限荷载受行车速度的影响较大，当车速为为80 km/h时，安定极限荷载增加值最大为13.58 kN，车速为120 km/h时增幅最小为7.91 kN，全段平均增幅9.82 kN。