重荷载作用下沥青路面路基受力分析

程玲

（景德镇市公路事业发展中心珠山分中心，江西 景德镇 333400）

0 引言

近年来交通运输车辆中大型重载货车越来越多，对道路的负担越来越重，经过调查发现在重荷载作用下的沥青路面出现了不同程度的车辙、裂缝及坑槽等病害现象，严重的甚至影响到路基结构[1]，对道路的使用寿命产生了不利的影响，也威胁到了行车的安全。

为此本文在现有研究成果的基础上，对重荷载作用下常见的路面病害进行分析，并通过实际工程案例借助有限元软件建立模型进行研究。

1 病害分析

1.1 车辙病害

车辙病害产生的原因主要是在重荷载的长期作用下，在路面上形成的轮迹凹槽，车辙病害的发展可由最开始路面的被动密实，这里的被动密实是指原路面中的集料在超负荷的荷载作用下被压实挤密，造成沥青混合料出现不均匀的分布，产生流动，最终导致骨架被破坏，从而出现车辙现象。车辙现象出现的主要原因是荷载作用，但若沥青混合料的配合比设计不合理，或者施工时对施工质量把控不到位，也容易导致使用后期产生车辙现象[2-3]。

1.2 裂缝病害

裂缝[4-5]是一种常见的病害，该病害对路面结构的危害性较小，但若长期不进行修复，小裂缝也会不断扩大延伸，变成大裂缝从而影响结构及行车安全。根据产生的原因裂缝可分为荷载裂缝和非荷载裂缝。荷载裂缝产生最主要的原因就是重荷载的作用，使得原设计路面不能承受上部荷载，开始时路面的强度及刚度被破坏产生短而浅的裂缝，随着荷载的不断持续作用，裂缝逐渐加深加大，最后深至道路的路基结构层，对其产生破坏。而非荷载裂缝主要是由于天气和温度而产生的，昼夜温差的变化，导致沥青混合料收缩与膨胀不断变化，从而在路面面层出现较大的剪应力，导致裂缝产生。

1.3 坑槽病害

坑槽病害的产生主要是水导致的，这种病害是在车辙及裂缝病害的基础上，再加上雨水或积水的作用，导致沥青与集料的黏附性下降，再加上重荷载的反复作用，加快了沥青的脱落，从而在路面形成大的坑槽[6]。

2 沥青路面结构有限元分析

2.1 工程概况

某高速公路，试验段的路线全长为88.5km，道路的路基宽度为24.5m，道路为双向四车道，设计行车速度为80km/h，本地区的年平均气温约为13.5℃，最低气温约5℃，最高气温约19.5℃，年平均降水量为995mm。在该道路上行驶的车辆大货车约占23%，集装箱车占0.5%，中货车约占33%，小货车约占4%，小客车约占27%，大客车约占12.5%。由此可见在该道路上行驶的大货车占比第二，加上本地区降水量较大，道路所的负担较为严重。

2.2 有限元软件简介

ANSYS[7]有限元软件计算功能强大，操作方便，其分析的流程一般从前处理模块的几何建模、材料指定、单元类型指定、网格划分、边界条件的设置及荷载的施加，再到分析模块的求解，最后到后处理模块的结果查看。

2.3 有限元模型建立

本文根据实际的工程建立三维有限元模型，模型中的路面结构层与实际相同，具体如图1所示。本次所建立的模型长度为5m，宽度为5m，高度为2m，模型中两边设置为横向的约束，顶面不设置约束，底面设置为完全约束，同时对不同的路面各层采用完全连续的连接，只有基层与面层直接采用半连续连接。

图1 路面结构层

2.4 有限元模型基本假定

（1）假定当行车荷载作用在沥青路面面层时，在道路深处及水平方向远处均不产生应力，并且不发生变形。

（2）假定模型中各个结构层的厚度是有限的，但是长度是无限的。

（3）假定模型中各个结构层所设置材料的弹性模量与泊松比均相同。

（4）假定模型中各个结构层的接触状态为完全连续的状态，只有基层与面层之间采用半连续状态。

2.5 荷载的取值

为对重荷载作用下的道路路基受力性能进行分析，本文采用不同的荷载设计值进行加载模拟，因为路基是在路面结构下一定的深度处，因为当上部荷载作用下路面时，传至路基的荷载将会减小，并且从路基顶到路基以下受荷载作用较小，存在一个作用区，该作用区是路基结构的主要受力区。在重荷载作用下路基工作区的划分主要是看路基在荷载作用下屈服强度不屈服的范围，因此转变为研究在重荷载作用下路基土体不屈服的范围，根据研究表明路基土体的屈服强度与路基土体的压实度有关系，当土体的压实度越大时其屈服强度将会越大，并且还与土体的深度有关，因此可以通过土体中各深度的围压值来间接计算土体的屈服强度，如下公式所示：

式（1）中：K0为土的侧压力系数；Z为深度计算点距路面的深度（m）；γ为重度（kN/m3）。

本文分别取0.9MPa,1.1MPa,1.3MPa及1.5MPa四组荷载值进行模拟计算，不同的荷载作用下路基的工作区深度也不同，各组荷载作用下对应的路基工作区深度分别为2.5m,3.5m,4.0m及4.5m。

2.6 循环重荷载作用下路基土的变形分析

在反复的循环重荷载作用下，路基土的变形可以分为两种，一种是可以恢复的弹性变形，另外一种是长时间累积产生的塑性变形，塑性变形会随着时间的增加而不断增加[8]，如图2所示。

图2 路基长期荷载作用下的路基变形曲线

对于路基土体塑性变形的计算可以采用经验拟合法，该方法是通过循环的三轴试验或者根据现场的实测数据，建立拟合公式进行求解，另外还可以通过建立本构模型，通过积分来模拟循环加载的过程从而得到累积变形[9]。本文根据现有的研究成果[10-11]，对Li和Seling两位学者提出的经验公式进行修正，采用该修正的公式来计算路基土体的累积变形，如（2）所示，其中土体的破坏强度可以根据三轴压缩试验确定，其破坏时的破坏强度与土体的压实度有关系，当压实度越大时土体破坏时的破坏强度将会越大。

式（2）中：εp为土体的塑性累积变形；α,m,b分别为材料的参数；σf为土体的破坏强度（kPa）；σd为土体受到的动应力（kN）。

3 有限元模拟结果分析

本文采用ANSYS有限元软件对不同荷载作用下路基土体的动应力进行模拟，得到不同荷载作用下的动应力云图，具体如图3所示。

图3 不同荷载作用下的动应力云图

从图3中可以看出，随着路基上作用荷载的增大，路基土体的动应力在逐渐增大。为得到具体的规律，本文对不同荷载及不同压实度下路基塑性变形进行具体的分析，结果见表1。

表1 不同荷载及不同压实度作用下路基塑性变形结果统计

表1 （续）

从表1中可以发现，随着路面作用荷载的增加，会使得应变逐渐增大，从而导致路基变形不断增加，进而导致路基被破坏。尤其是在重荷载的作用下，若路基出现下沉而不及时处理，将会导致道路损坏。

4 结语

本文通过分析常见沥青路面病害的产生原因，基于实际的工程案例，借助有限元软件对沥青道路路基在重荷载作用下的受力及变形沉降进行分析，发现当路面作用荷载增加，会使得应变逐渐增大，从而导致路基变形不断增加；并且发现土体的压实度越大对路基越安全。