超载作用下沥青路面的力学响应

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

超载作用下沥青路面的力学响应

胡乃永

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

本文从理论上探讨了沥青路面在车辆超载情况下的力学响应变化，包括路表弯沉值，基层底弯拉应力和基层顶面压应变。路面结构选用半刚性基层路面和柔性基层路面，荷载采用四组不同的压力。结果表明，路表弯沉值、层底弯拉应力和路基压应变随着轴载的增加而增加，并且超载会导致对沥青路面早期损坏的严重影响。

力学响应；线弹性；沥青路面；超载

0 引言

随着物流业的快速发展，多轴重载车辆明显增加，这给沥青路面的力学性能带来了严重的影响。此外，随着矿区、林区、油田建设的需要，重型汽车的使用范围大大扩展，重型汽车的产量也因新技术的引进大量增长，我国公路运输车辆正向大型化、多轴化和集装箱化发展。目前主要道路的交通有如下特征：1)主要干线道路交通繁重，重交通突出，且载重车辆占总量比重随地区差别很大；2)主要道路上车辆普遍超载，在大多数地区重型车辆中的超载比例平均超过50%；超负荷度在80%～300%之间；3)车辆超重运输造成车辆轴载超限，轮胎接地压力增大，表现为重轴载和大接触应力，各地轴载表现为明显的地区差异性，载重车单轴双轮多在 12t～18t，轮压在0.8MPa～1.1MPa，最高达1.6MPa。

半刚性基层路面作为一种典型的路面结构，具有高强度、高平整度和抗疲劳性能优点，在我国已得到广泛应用。然而，由于沥青胶结材料具有感温性和收缩特性，路面在交通荷载和环境因素的作用下会出现反射裂缝，使路面产生松散、车辙等病害，最终导致路面结构的破坏。柔性路面具有很好的韧性和自愈合能力，它不会出现像半刚性沥青路面那样发生反射裂缝，但由于其结构是柔性的，在交通反复压载下，很容易产生形变、下沉等破环，影响道路使用性能。

路面破损是由重复交通荷载作用下路面层的累积永久变形引起的。在线性弹性理论中，每一层中的材料被假定为均匀的，各向同性的，和线性弹性。这种材料的性能可以用弹性模量参数来评价。

沥青路面的负载条件在重量和数次数逐年增加，这是导致路面早期破环的主要原因的混合物。由于沥青路面是复杂的层状结构，是由多个具有不同性能的结构层组成，对其进行完美的数学模型分析是不可能的。

通过半刚性基层沥青路面和柔性沥青路面这两个的常见路面结构，分析比较其在不同超载条件下力学行为，为今后的路面设计提供了依据。

1 路面结构模型与荷载条件

本次分析的主要目的是评估在不同结构的沥青路面上施加不同轴载时超载情况。路面与车辆直接接触承受着行车荷载的作用，是用不同粒料或混合料铺筑而成的层状结构物。路基是用土或石料修筑而成的线性结构物，并承受面层传来的荷载。根据面层、基层、底基层、和路基等结构的作用的不同及使用要求，要采用不同的材料规格，各层厚度也不尽相同。因此从现实应用出发，对路面各结构层加以研究其特性，然后总结规律，对工程应用进行指导。选用半刚性沥青路面和柔性沥青路面两种结构不同的路面，在每种路面上使用四个不同的轴载，研究其力学参数的变化。

采用弹性层状理论软件计算了在超载条件下，两种结构沥青路面应力变化。我国有许多工程实例，从中可以得到了沥青层厚度和弹性模量参数。

轮胎与地面接触，一般认为轮胎与地面的接触面是椭圆，这里假定轴载均匀分布在接触面积上。椭圆荷载的计算非常复杂，所以在研究路面力学问题中极少采用椭圆的接触面积，而是采用当量圆来代替。对超载车辆，轮胎在路面上的作用半径发生了改变，但车辆轮胎间距固定结构不会发生变化。所以在分析中，不同超载时的双圆均布荷载半径，轴载，轮胎气压和触地面积是不同的。

2 结果与讨论

2.1 弯沉值

沥青路面表面变形量作为最基本和最简单的指标，可以反映路面的整体承载能力。国内外普遍采用弯沉值来表征路基路面的承载能力，弯沉值越大表明承载能力越小，反之则越大。路面结构层在车辆荷载作用下，各变形一定程度上可以总体反映路面各结构层和路基层的力学性能。长期观测调查和理论分析表明，路面的车辙破环90%为半刚性基层路面超过了控制路表弯沉值的永久变形。半刚性路面和柔性路面在不同交通超载荷载下路面结构弯沉变化表现出不同的力学特性。随着超载重量的增加，半刚性路面和柔性路面的路面弯沉值增大，表明超载对路面变形有很大的影响。由于表面变形层的累积，这也在超载、状态的情况下，反映路面结构层的缺陷。

两种路面结构弯沉大小的很大程度上受到轴载大小的影响。例如，对于半刚性基层沥青路面相比于标准荷载下，在超载120%时，路面弯沉值增加约为40（10-5m）。而对于柔性路面，当轴载增加，路表弯沉变化同样有明显的变化。柔性路面在轴载为240kN的时候，弯沉值是轴载120kN时的2倍。这些结果表明轴载对弯沉有着非常重要的作用。

试验数据表明半刚性基层沥青路面敏感性明显于柔性路面。

2.2 层底弯拉应力

层底拉应力是我国规范中为了防止沥青混合料出现疲劳开裂而提出的设计指标。面层出现的最大拉应力的大小直接决定了我们的沥青面层材料将出现的破坏程度，应力分布是路面设计准则中常考虑的因素。应变和拉伸应变应改控制在在允许值范围内。在本文中也对基层和底基层底部的应力进行了研究。两种路面结构在不同的轴载下底部的应力变化情况显示，当超载后的轴载从120kN增加到240kN时，层底应力非常明显的。而最大压应力发生在240kN，应变发生了相当大的拉伸量，这可能是对铺装层疲劳现象的主要原因。很明显，面层和基层对抵抗应变引起的过早结构破坏是非常重要的。

对于柔性路面，当超载率为120%（荷载120kN）时，其层底弯拉应力增长100%，底基层层底弯拉应力增长93%，这表明，柔性路面基层和底基层的超载后，其结构的应力状态比半刚性路面的更加敏感，这要求在其基材具有良好的抗拉强度。

2.3 路基顶部的压应变

路基顶部的压应变在许多柔性路面设计方法中是一个重要的设计因素，通过对土基顶面压应变的控制来达到控制车辙和土基破坏的目的，它可以反映车辙和变形特性。在路面结构中的永久变形的发生，包括HMA车辙和路基车辙。路基车辙是一种发生在路基，表现为永久变形或由于荷载横向偏移而发生的纵向轮径凹陷，在这种情况下路面进入路基车辙。

作为控制指标，路基顶部的压应变更适合于沥青路面的设计，采用线性弹性程序计算不同轴载和胎压下路面结构顶部的压缩应变。

对比得出，由于基底材料的不同，柔性路面路基顶部压应变约为半刚性基层沥青路面的2.4倍。半刚性基层沥青路面，其路基超载应变线性变化。

3 总结

本文采用线弹性分析，讨论了半刚性基层和柔性基层沥青路面对沥青路面的应力问题。研究的结论如下：

1）超载是我国的一个常见问题，我国的路面结构多采用半刚性路面，超载引起的半刚性基层沥青路面损坏超载是明显的。柔性路面和半刚性基层沥青路面的力学特性是不同的，我国引入使用柔性沥青路面时，应考虑到超载问题，研究超载的后力学响应。

2）超载后，半刚性路面和柔性路面的弯沉值、层底弯拉应力和路基顶部的压应变总体趋于线性增大。

3）计算得出，与半刚性基层沥青路面相比，柔性路面对超载更加敏感，这就要求我们要更加注意柔性路面，否则在超载情况下，柔性路面的损坏可能比半刚性基层沥青路面严重的多。

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