荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

杨三强，刘娜，张帅，杜二霞

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.河北大学 人事处，河北 保定 071002)



荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

杨三强1，刘娜2，张帅1，杜二霞1

(1.河北大学 建筑工程学院，河北 保定 071002；2.河北大学 人事处，河北 保定 071002)

通过分析荒漠地区恶劣自然环境下的重荷载交通沥青路面使用状况，采用有限元分析，提出了采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为路面结构的设计指标；得出了荒漠地区耐久性沥青路面结构受力分布.结果表明：不同轴载作用下路表最大竖向变形与轴载近似成线性关系，随着轴载的增大，最大竖向变形逐渐增大；路表最大拉应力以轮轴线呈现对称分布；路面结构层内的剪应力随着深度增加而增大，在距路表5 cm处剪应力达到峰值.研究成果可为荒漠地区耐久性沥青路面选材与结构设计提供科学的理论支撑与技术指导.

耐久性；沥青路面；结构设计；力学分析

沥青路面的损坏类型是多种多样且难以控制的，各损坏类型也对沥青路面的使用性能产生着不同性质和不同程度的影响，因此，当对沥青路面进行结构设计时，就不能像其他一些结构设计那样，选用单一的临界状态和设计指标.中国的路面结构设计中，往往把路面弯沉作为设计指标，但路面弯沉是一个具有综合性质的指标，不能够准确反映出其所控制的层次或损坏类型.一般认为，路面的弯沉主要来源于路基，但对道路进行实测后发现，这一说法缺乏一定的实用性.基于此，进行沥青路面结构设计指标与结构力学分析具有及其重要的意义.

1 荒漠地区耐久性沥青路面结构的设计思想与方法

以路面性能为依据进行路面结构设计的方法，能够综合考虑影响路面性能的各种因素和路面的损坏状况.在众多的路面损坏类型中，车辙是一种普遍存在的损坏，且与荷载重复作用有着密切的关系，是进行结构定量设计时所应考虑的主要变形类因素.本研究采用按照性能设计、力学验算的思想，结合基于性能和力学的方法，采用的设计指标为：1)路面性能指数PCI；2)路表面弯沉；3)路面车辙.

2 耐久性沥青路面结构模型参数的选取

在荒漠区耐久性沥青路面结构组合类型的基础上，结合荒漠区昼夜温差大、日照时间长、夏季高温少雨、冬季寒冷干燥、季节性冰冻等环境特点，依照《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中关于结构层模量和厚度的相关规定，选取的荒漠区耐久性沥青路面结构参数如表1所示.

表1 沥青路面结构参数

选用的耐久性沥青路面结构模型基本参数为：行车方向定为x方向，路面横向定为y方向，垂直于路面向上为z方向，且模型的长度、宽度和深度都取6 m.利用有限元对模型进行分析，选取的单元体为8节点的六面体，且假设在单元体底面只有z方向存在位移，表层是自由面，层间接触状态为连续,如图1所示.

3 耐久性沥青路面结构轮胎作用形式分析

经实地观测发现，汽车轮胎作用于沥青路面而产生的接触面形状及作用于沥青路面的压力是极其复杂的，且接触面形状与矩形更加接近.基于此，本文所采用的轮胎与沥青路面接触面模型为由2个半径为0.3L的半圆和长度和宽度分别为L、0.6L的矩形组成，如图2所示.

a.沥青路面结构模型;b.网格划分模型.图1 沥青路面结构及其网格划分有限元模型Fig.1 Finite element model of asphalt pavement structure and after meshing

图2 荷载接触面积模型Fig.2 Load contact area model

由图3可得，该形状的面积为

A0=π×(0.3L)2+0.4L×0.6L,

(1)

(2)

等效矩形的长度为

(3)

在进行沥青路面设计时，依据弹性层状体系设计理论，将双轮中心距定义为3倍的轴载接地面当量圆半径，理论研究发现，双轮中心距与轴载之间存在相关性，其关系式为ds=0.98Ps+274dd=0.98Pd+274,其中ds、dd代表后轴双轮中心距，Ps、Pd是轴载，如图3所示.

a.双轮中心距关系;b.额定轴载关系.图3 双轮中心距与额定轴载关系Fig.3 Wheel center distance and the rated axle load diagram

为了简化计算，本研究采用表2中数值.

表2 载重车辆后轴双轮中心距计算值

进行接地压力的实测，从其测试的数据发现，当轴载增加的时候，轮胎的接地压力急剧增加，数据见表3所示.

表3 轮印和轮压的取值

4 不同轴载作用下路面力学响应分析

4.1 路表竖向变形分析

4.1.1 路表最大竖向变形分析

路面的弯沉是指竖向变形在路基及路面结构处的总和，结合荒漠区道路交通荷载等级状况，选取轴载100～300 kN，并在该轴载范围内，对不同轴载作用下的沥青路面竖向变形进行分析，可得不同轴载下的路面弯沉关系图，如图4.

图4 不同轴载作用下路表竖向变形Fig.4 Vertical deformation curve of the road surface under different axle loads

从图4得到，随着轴载的增大，路面最大竖向变形也呈上升趋势.当轴载为276.8 kN时，路表最大竖向变形变成标准轴载作用下的2.73倍，且轴载和路面最大竖向变形可近似看成是线性关系；在相同的轴载作用下，最大竖向变形出现在双轮荷载作用处.路面弯沉是沥青路面结构强度的表征，随着弯沉值的增大，路面结构的刚度也会降低，路面的使用寿命也会缩短.

4.1.2 路表竖向变形变化趋势

图5给出了不同轴载下路面竖向变形沿横向、纵向变化趋势.图6给出了路面表面竖向变形云图.

a.横向变形曲线;b.纵向变形曲线.图5 不同轴载作用下路表竖向沿横向及沿纵向变形曲线Fig.5 Relationship curve of vertical deformation of road surface

图6 路表竖向变形云图Fig.6 Road table vertical deformation nephogram

由图4、图5、图6可知,沥青路面表面最大竖向变形出现荷载作用位置处，并向四周同比例扩散，竖向变形以轮轴线呈现对称分布.

4.2 路面结构层拉应力分析

4.2.1 路面结构内最大拉应力分析

引起路面结构层发生疲劳破坏的因素很多，其中路面结构内的最大拉应力、拉应变是最重要的因素，因此，对不同轴载下的路面结构层内的最大拉应力及拉应变进行分析是非常有必要的.经研究得到在选取的轴载范围内，不同轴载下的路面结构层内的最大拉应力和拉应变的变化规律，如图7所示.

a.最大拉应力曲线;b.最大拉应变曲线.图7 不同轴载作用下路面结构内最大拉应力及最大拉应变Fig.7 Maximum tensile stress and tensile strain of pavement structure under different axle loads

从图7可得，随着轴载的增大，结构层内的最大拉应力和拉应变都成上升趋势，当轴载达到276.8 kN时，路面结构内最大拉应力达到了标准轴载下的2.83倍.

4.2.2 路面拉应力分布

最大拉应力出现位置坐标如表4.

表4 最大拉应力出现位置

对表4进行分析，可知最大拉应力出现位置均在路面表面处，且在荷载作用的边缘位置.如图8所示，拉应力以轮轴线或其垂线对称分布且最大拉应力出现在A处.

4.3 路面结构层内剪应力分析

4.3.1 路面结构层内最大剪应力分析

如图9所示，随着轴载的逐渐增大，沥青路面面层内的最大剪应力也呈上升趋势.因此可以得出，当路面处于重载车辆作用下时，很容易发生剪应力破坏.

图9 不同轴载作用下路面结构内最大剪应力Fig.9 Maximum shear stress of pavement structure under different axle loads

4.3.2 路面最大剪应力出现位置

路面结构内的最大剪应力出现位置坐标如表5.

表5 最大剪应力出现位置

由表5可知，随着轮载的增大，沥青路面结构层内剪应力随之增大.当轴载较大时，剪应力影响范围更大.

4.3.3 路面剪应力分布

图10给出了在选取的轴载范围内，不同轴载作用下剪应力随深度方向变化曲线及剪应力沿深度方向扩散云图.

a.剪应力随深度方向变化曲线;b.剪应力随深度方向扩散云图.图10 不同轴载作用下剪应力随深度方向变化曲线及其扩散云图Fig.10 Variation and diffusion cloud of shear stress with depth in different axial loads

分析图10可以得到，路面结构层内的剪应力先是随着其深度的增加而逐渐增大，且最大剪应力出现在了路表5 cm深度处，随后，便开始减小.

5 结论

通过对荒漠地区典型沥青路面结构病害调查、典型沥青路面结构组合使用性能分析，采用现场路面荷载数据分析与有限元仿真分析，提出了荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标，得到了荒漠地区耐久性沥青路面结构力学分布规律，其研究结论如下：

1)通过对比分析传统力学经验法与单一路用性能设计理念，提出了采用按性能设计、按力学验算的思想，将基于性能的方法和基于力学的方法结合起来，采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为西北荒漠地区耐久性沥青路面结构的设计指标.

2)分析得到，不同轮载作用下路表最大竖向变形与轴载近似成线性关系，随着轴载的增大，最大竖向变形逐渐增大；同一轴载作用下，双轮荷载作用位置处最大竖向变形最大，当轴载为276.8 kN时，路表最大竖向变形是标准轴载作用下的2.73倍.

3)研究表明，路表面最大拉应力均出现在路表，且出现在荷载作用边缘，拉应力以轮轴线或其垂线对称分布.

4)分析发现，随着轴载的逐渐增大，沥青路面面层内的最大剪应力也呈上升趋势.表明当路面处于重载车辆作用下时，很容易发生剪应力破坏.

5)研究得到，路面结构层内的剪应力先是随着其深度的增加而逐渐增大，且最大剪应力出现在了路表5 cm深度处，随后，便开始减小.

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(责任编辑：孟素兰)

Analysis of design index and structural mechanics of durabble asphalt pavement in desert areas

YANG Sanqiang1,LIU Na2,ZHANG Shuai1,DU Erxia1

(1.College of Civil and Architectural Engineering,Hebei University,Baoding 071002,China; 2.Department of Personnel,Hebei University,Baoding 071002,China)

In this paper,pavement performance index PCI,road surface deflection and pavement rutting are proposed as the design indexes of pavement structure by analyzing the desert region harsh natural environment under heavy load traffic asphalt pavement condition and using finite element analysis.We obtained the durability of the desert region asphalt pavement structure stress distribution.The results showed that different wheel load on road surface and the maximum vertical deformation has an approximate linear relationship.Along with increase of the axial load,the maximum vertical deformation gradually increases.The maximum tensile stress of the road surface is symmetrical distributed with the wheel axis.The shear stress in the pavement structure increases with the increase of depth,and the shear stress recches peak value at 5 cm away from road sorface.The research results can provide theoretical support and technical guidance for the selection and structural design of the asphalt pavement in the desert region.

durability；asphalt pavement；structure design；mechanics analysis

10.3969/j.issn.1000-1565.2016.06.003

2016-04-07

河北省教育厅自然科学基金重点项目(ZD2016073)

杨三强(1980—)，男，四川绵阳人，河北大学教授，博士，主要从事路基、路面结构与材料方向研究.E-mail：ysq0999@163.com

U419.91

A

1000-1565(2016)06-0574-09