基于重载车辆作用下的沥青路面层间应力分析探讨

张民

摘要：沥青路面的破坏机理一直是道路从业人员关注的焦点课题。本文对沥青路面结构应力有限元分析进行详细的分析探讨，对沥青路面的设计及施工有一定的指导意义。

关键词：沥青路面、层间应力分析、有限元分析

Abstract: the damage mechanism of the asphalt pavement is always the focus of attention of the road from personnel issue. In this paper, the asphalt pavement structure stress a detailed analysis of the finite element analysis, this paper of the asphalt pavement of design and construction has some significance.

Key words: the asphalt pavement layer, between stress analysis, finite element analysis

中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：

引言

车辆载荷是造成路面损伤的一个主要因素。推移和拥包等破坏现象是道路工程实践中常见破坏形式。该现象与车辆对路面水平载荷的作用以及层间接触状态密切相关，用有限元方法对路面进行受力分析可以较为准确的揭示导致路面破坏的力学特征。

沥青路面结构应力有限元分析条件

1、面结构有限元模型的基本假定

采用有限元方法建立道路多层体系有限元模型时，首先，需对实际道路进行一定简

化，忽略次要因素的影响，以集中对关键问题的研究。因此，为便于进行分析，对道路

的弹性层状体系作如下假定:

(1)各层皆由均质、连续、各向同性的弹性材料组成;其弹性参数以弹性模量E和泊

松比表征，这种材料的力学性能服从虎克定律;

(2)各层平面无限大.面层和基层有一定的厚度.底基层为半无限体;

(3)上层作用载荷，各层水平无限远处和底基层无限深处应力分量为零;

(4)层间不出现脱空，且各层分界面之间的接触条件采用连续体系，即应力和位移完

全连续。

我国城市道路路面设计除了满足弯沉和拉应力两项指标之外，尚须进行沥青混合料面层的剪应力验算.在进行沥青面层的剪应力验算时，要求面层在车轮垂直荷载与水平荷载共同作用下，其破坏面上产生的剪应力不应超过材料的容许剪应力。

2路面结构有限元模型的结构与参数

基于以上假设，根据某城际快速干道实际路面结构的参数建立道路多层体系的三维有限元模型。

图1 路面结构有限元摸型

路面结构有限元模型的边界条件

根据道路在实际车辆运行条件下的受约束和加载条件，进行一定简化，得到道路多层体系有限元模型的边界条件。

二、载荷作用下半刚性沥青路面层间接触应力有限元分析

车辆在水平道路上行驶过程中，既有对路面垂直方向载荷的作用，又有对路面水平方向载荷的作用，且水平方向的载荷会随车辆行驶状态的不同而改变。

现行的沥青路面规范中假定沥青路面层间的接触为完全连续状态，根据前面所建立的有限元模型，在垂直均布载荷为25kN，轮胎接地压力为0.7Mpa的条件下计算了不同水平力系数的几种工况（具体计算结果不在此一一列举）。根据计算结果可得出以下结论：

（1）、层间连续在无水平力作用时，剪应力无论极大值还是极小值，其绝对值都随深度的增加而成增大的趋势，荃层顶部的值达到最大，且其极值的坐标位置不变。

（2）、随着深度的增加，各工况最大值成增加趋势。这是因为剪应力随深度方向变化的趋势是先增大后减小，该结构到达基层顶部时仍未达到最大值。水平载荷系数为0.15时，极小值规律不明显:当水平载荷系数大于0.35时，极小值的绝对值成明显减小趋势。

（3）、上面层顶部的最大值随水平载荷的增加变化不明显，最小值的绝对值成明显增大趋势:其余各层的最大值均随水平载荷的增加而减小，但最小值的绝对值随水平载荷的增加而增大。

（4）、基层顶部的最大值均比下面层层底要大，随水平力系数的增加最小值绝对值基层顶部的增加趋势没有面层底部快，说明水平载荷对下面层层底的影响更为显著.

三、层间光滑情况下层间剪应力有限元分析

沥青路面在车辆载荷长期作用以及水破坏等因素的影响下，路面层间的粘结性能会大大下降，这种现象在面层与基层间表现的尤为突出，不少区域面层和基层间仅仅存在摩擦。按层间接触的极端情况考虑，这种层间的简单摩擦状态可视为完全光滑状态.通过对层间光滑情况进行分析，进一步研究沥青路面在该情况下的破坏行为。根据水平载荷的不同，对层间光滑情况安排了五种工况。

表1 五种工况描述

分析结果如下图所示：

图3 应力对比图

根据分析结果可以看出，在不同水平力系数下层间光滑状态面层底部x方向正应力与应变变化的规律具有一致性，基本成“谷一峰一谷”的变化趋势，且既有拉应力又有压应力，应变既有“拉伸”状态又有“压缩即状态。

（1）当无水平载荷时，表现为明显的对称变化，区域内，由于面层和荃层光滑，面层与基层在垂直载荷作用分别有各自的中心面，在垂直载荷作用区域内，下面层底部位于中性面之下，故表现为拉应力，而在远离垂直载荷作用区域的两端，表现为压应力。

（2）随着水平载荷的增加，即水平力系数的增加，x负方向的“谷”变化趋于平缓，而x正方向的“谷”逐渐加深，“峰”的变化不太明显，当水平力系数大于0.35时，x负方向处的应力均为拉应力，应变也基本上全部为拉应变。但整体的变化趋势并未改变，仍然为“谷一峰一谷”。且各“峰”“谷，的位置没有明显变化。

结论

通过计算表明，沥青路面基层与面层层间接触不良，会导致沥青路面的推移和拥包等破坏。当沥青路面基层与面层层间的联结状况不良时，在车辆循环载荷的作用下容易使面层底部受拉开裂，尤其在重载车辆作用下，路面层间更容易出现破坏的现象。

对于柔性基层沥青路面，无论在常载还是超载的情况下，其层间抗剪能力要明显好与半刚性基层沥青路面。要提高半刚性基层沥青路面的使用性能，必须考虑层间接触状态对它的影响，所以提高基层与面层层间的抗剪强度是非常必要的。而层间联结状况的好坏很大程度上决定于施工艺水平和路面的施工质量，因此要采取技术措施，精心施工，尽可能提高面层与基层的抗剪强度。

参考文献

[1]张起森.路面有限元分析中特殊单元刚度矩阵推导.湖南大学学报.1980

[2]张起森道路工程有限元分析法.北京:人民交通出版社，1983

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。