不同荷载及胎压对沥青路面结构力学响应的影响分析

冯 坚,张洪刚,曾俐豪

(1.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.高等级公路建设与养护技术、材料及装备交通运输行业研发中心,广西 南宁 530007)

0 引言

截至2021年年底,我国公路建设总里程达到了528万 km,其中高速公路总里程超过16万 km。由于沥青路面具有噪音小、扬尘少、易于养护等优点,新建各等级公路尤其是高速公路逐步采用沥青路面替代传统的水泥路面。但沥青材料具有明显的温度敏感性及粘弹特性,极易在高温与荷载耦合作用下产生车辙等病害,而且我国现阶段交通量剧增、重载超载交通比例逐步升高,进一步加剧了沥青早期病害的发生。为保证沥青路面的长期服役性能,在行车车载不断加重的现状下对沥青路面结构的力学特性提出了更高的要求,深入探究不同荷载胎压条件下沥青路面的力学响应行为具有现实必要性。

为掌握不同汽车荷载及胎压对沥青路面力学性能的影响规律,本文设置了标载标压、超载标压、标载超压等多种作用条件,采用ANSYS有限元软件模拟分析不同作用条件下沥青路面的竖向位移、水平及竖向应力变化,探究不同层位的力学响应以及不同荷载、胎压对沥青路面力学性能的影响,为后续不同荷载等级要求的沥青路面强度设计提供参考。

1 数值模型与参数

1.1 沥青路面荷载模型参数

为了研究不同汽车荷载、胎压对沥青路面结构力学性能的影响,本文基于我国多层弹性体系理论中的圆形均布荷载理论,采用ANSYS有限元软件模拟路面在不同行车荷载、胎压下受力情况。设置不同超载超压的轴载参数如表1所示。

表1 不同轴载及胎压下的荷载参数表

1.2 沥青路面结构参数

路面级配与材料的差异对路面结构受力的影响较大,因此本文以目前国内典型的半刚性沥青路面结构层类型进行厚度、模量、泊松比等参数设置,不同结构层参数设定参考《公路沥青路面设计规范》(JTD50-2017),详见表2。

表2 典型半刚性路面结构表

1.3 有限元模型的建立

目前我国的路面计算理论是基于路面各层为平面无限大的弹性层,而路基简化为弹性半空间体这一假设体系,但由于采用ANSYS有限元软件计算时取值愈大其计算难度越高,因此本文基于前人的研究成果与经验,且平衡考虑计算的精度与计算复杂程度将分析范围划为X、Y、Z三轴方向均为4 m。计算采用8节点等参数单元,边界条件假设为:假设左右两侧不存在X轴方向的位移,前后两侧不存在Y轴方向的位移,底面不存在Z轴方向的位移。如图1所示。

图1 三维有限元模型图

2 模拟结果力学分析

2.1 不同层位的力学响应

由于有限元软件模拟各个沥青层层位受荷载状态下的应力、位移数值繁多,为选择荷载变化显著的受载层位并验证模型模拟效果,对标载标压下不同层位的竖向应力变化趋势进行分析,将模拟数值结果绘制散点图如图2所示。

图2 标载标压下不同层位的竖向应力变化曲线图

由图2可知,随着层位逐步加深其受荷载产生的竖向应力呈下降趋势。图2中路表所呈现的竖向应力与横向距离的关系为“深W”变化趋势,而底基层底竖向应力与横向距离的关系基本无显著变化;对比左右轮载最大竖向应力数值大小发现,路表竖向应力分别为底基层底竖向应力的46.39倍、47.56倍。为了便于后文数据分析,采用路表该层位的应力数据进行研究。

2.2 不同荷载的影响分析

根据上文所述模型参数建立有限元模型进行计算,针对不同荷载对路面各层的竖向位移、竖向应力及水平应力影响进行分析。

由图3～5可知:

图3 不同荷载对路表竖向位移影响曲线图

(1)路表竖向位移随荷载递增呈逐步增大趋势,并且在左右轮迹端点其竖向位移达到最大值,100～200 kN应力的最大竖向位移分别为0.338 mm、0.400 mm、0.464 mm、0.523 mm、0.583 mm、0.613 mm;其中120～200 kN应力下较100 kN应力下的最大竖向位移分别增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%。

(2)水平应力随荷载递增呈逐步增大趋势,图4中路表的水平应力与横向距离所呈现的关系为“深W”变化趋势,但不同荷载作用下横向作用距离轮载中心点越远其差异越小,其中120～200 kN应力下较100 kN应力下的最大水平应力分别增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%。

图4 不同荷载对水平应力影响曲线图

图5 不同荷载对路表竖向应力影响曲线图

(3)竖向应力随荷载递增呈逐步增大趋势,其中120～200 kN应力下较100 kN应力下的最大竖向应力分别增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。对比竖向应力与水平应力数值大小发现增大荷载对竖向应力影响更为显著。

2.3 不同胎压的影响分析

针对标准轴载不同胎压情况下对路面各层的竖向位移、竖向应力及水平应力影响进行分析,结果如图6～8所示。

图6 不同胎压对竖向位移影响曲线图

图7 不同胎压对水平应力影响曲线图

图8 不同胎压对竖向应力影响曲线图

由图6～8可知:

(1)路表竖向位移随胎压递增基本无明显变化。由图6可知,0.7～1.4MPa的变化曲线基本重合,其最大竖向位移差值≤0.01 mm,说明增大胎压对路表竖向位移变化无影响。

(2)水平应力、竖向应力随胎压递增呈逐步增大趋势,其数值与不同荷载对水平应力相同,说明提高胎压与提高荷载对路表的水平应力与竖向应力影响一致。

2.4 力学响应方差分析

为了分析不同荷载及胎压对沥青路面竖向位移、竖向应力及水平应力的影响显著性,本文采用SPSS软件对上文数据进行方差分析,结果如表3所示。

表3 荷载及胎压对力学响应的方差分析表

由表3可知,荷载对沥青路面竖向位移、水平应力、竖向应力的影响均显著;胎压对沥青路面水平应力和竖向应力的影响显著,对竖向位移影响不显著;相较于竖向应力,水平应力对荷载、胎压的力学响应更敏感。结合上文分析结果可知,随着荷载与胎压的提高其对路表应力状态产生显著影响,从而致使沥青路面产生更高的拉应力与剪应力,导致车辙等病害的产生。综上所述,为降低路面结构的应力破坏、首先应该控制行车荷载,其次控制行车胎压。

3 结语

(1)路面结构的路表、表面层底、中面层底、底面层底等层位逐步加深其竖向应力呈下降趋势,路表所呈现的竖向应力与横向距离的关系为“深W”变化趋势,而底基层底竖向应力与横向距离的关系基本无显著变化,对比左右轮载最大竖向应力数值大小发现,路表竖向应力分别为底基层底竖向应力的46.39倍、47.56倍。

(2)随荷载逐步递增,路表的竖向位移、水平及竖向应力均呈上升趋势,其中120～200 kN应力下较100 kN应力下的最大竖向位移分别增大了18.32%、37.18%、54.55%、72.53%、81.18%;最大水平应力分别增大了6.33%、14.40%、22.30%、30.06%、30.59%;最大竖向应力分别增大了7.28%、13.56%、22.29%、28.47%、29.75%。

(3)随胎压逐步递增,路表的水平及竖向应力均呈上升趋势,且上升趋势与荷载变化趋势基本一致,但胎压增大对竖向位移数值的影响≤0.01 mm。

(4)基于方差分析可知:荷载对沥青路面竖向位移、水平应力、竖向应力的影响均显著;胎压对沥青路面水平应力和竖向应力影响显著,对竖向位移影响不显著;相较于竖向应力,水平应力对荷载、胎压的力学响应更敏感。