過渡層對青藏公路瀝青路面荷載應力影響分析

邊巴次仁 推布拉旺堆

0 引言

青藏公路被譽為通向青藏高原的生命線，承擔著大量的進出藏物資運輸，行駛車輛以大中型貨運車輛為主，并且以重車、超載車輛居多，惡化了青藏公路的使用條件［1］。

由于高原凍土地區特殊的氣候條件和行車條件，使得各種路面結構的使用壽命不盡相同，因此除了外界自然因素的影響，各種路面結構自身的耐久性問題也是分析的一個方面。本研究對四種路面結構從荷載作用出發，進行力學計算和分析，考察不同路面結構在荷載作用下的力學特性，從減小荷載應力對路面結構影響的角度對比分析了不同的路面結構，推薦多年凍土地區典型瀝青路面結構組合。

1 計算模型及路面結構類型

1． 1 計算模型

本文研究對象為青藏公路瀝青路面。依據現行的JTJ 014-97公路瀝青路面設計規范采用彈性層狀體系，對路面結構模型做出以下基本假定［2］:

1)路面各層均為完全均勻和各向同性的連續體;

2)各結構層層間位移完全連續;

3)各層材料具有完全彈性;

4)假定路面上層表面作用為垂直荷載，同時認為水平方向與最下層無限遠處應力和位移均為0;

5)不計結構自重。

文中所用模型路面寬度為10 m，路基高度為2．5 m，天然土體厚度取7．5 m，兩側天然土體各延伸3．75 m;模型天然土體底面施加x方向和y方向位移約束，天然土體左右兩端施加x方向位移約束，兩側邊坡自由。車輪荷載位置施加標準荷載為0．7 MPa。在計算中為了方便劃分網格，將圓形荷載當量為矩形荷載，為了保持計算結果的精確度，使當量后矩形荷載面積接近于荷載當量圓面積。現行瀝青路面設計規范中，當量圓面積為0．035 6 m2，可以推出當矩形邊長取18．8 cm時，矩形荷載作用面積接近于圓形荷載。

在本論文中，除了兩側邊坡采用自由網格劃分外，其他結構都為映射劃分，并對路基底部和左右天然土體采用漸變劃分形式。

1． 2 路面結構類型

針對青藏公路所處的多年凍土地區獨特的自然環境，總結以往的經驗［3，4］，確定了四種結構組合，如表1所示。

表1 計算路面結構類型

其中結構1為目前常用的瀝青路面結構組合，結構2，結構3在瀝青面層與半剛性基層之間設置了過渡層，目的在于采取主動措施減小荷載應力對瀝青路面的影響。各結構層計算參數如表2所示。

2 設置級配碎石層對荷載應力的影響

2． 1 面層頂面應力

結構1，結構2及結構3三種結構的瀝青面層表面應力變化見圖1，其中圖1a)為三種結構面層表面應力隨半剛性基層厚度變化規律，圖1b)為三種結構面層表面應力差值隨半剛性基層厚度變化規律。

表2 路面結構層計算參數取值

圖1 結構1、結構2及結構3面層表面應力變化

從圖1中可以看出，結構1，結構2和結構3三種結構其面層表面的應力均隨著半剛性基層厚度的增加而減小，在結構1結構的面層與基層之間設置10 cm級配碎石過渡層，使瀝青面層表面的應力增大;在結構3結構的半剛性基層頂面設置10 cm級配碎石過渡層后，可以減小其面層表面的應力。其次，當基層厚度較薄時，結構1與結構2結構的應力相近，隨著基層厚度的增加，應力差值變大;結構1與結構3結構的應力變化規律剛好與其相反，如圖1b)所示。

2． 2 面層底面應力

如圖2所示，結構1，結構2及結構3三種結構瀝青面層底面荷載應力隨半剛性基層厚度的變化不是十分明顯，其中結構2的面層底面應力小于結構3，結構1的面層底面應力為最大。由計算結果可知，在結構1結構的面層與基層之間設置10 cm級配碎石過渡層，可以有效的減小面層底面的應力;而在結構3結構的半剛性基層頂面設置10 cm級配碎石過渡層，雖然其瀝青面層底面的應力比結構1結構小，但大于結構2結構。從圖2b)的應力差值變化可以看出，在結構1結構之間是否增加級配碎石層對面層底面的應力有較大的影響。

2． 3 基層底面應力

三種結構基層底面的荷載應力隨水穩碎石基層厚度的變化關系如圖3所示。結構1，結構2及結構3三種結構基層底面的荷載應力由壓應力轉變為拉應力，其基層底面拉應力隨水穩碎石基層厚度的變化呈減小趨勢。其中，結構3的基層底面拉應力最小，其次為結構2結構，結構1結構的應力為最大。從應力差值變化圖3b)可以看到，隨著基層厚度的增加，結構1與結構2和結構3的應力差值逐漸減小。

圖2 結構1、結構2及結構3面層底面應力變化

圖3 結構1、結構2及結構3基層底面應力變化

綜合分析結構1與結構2和結構3三種結構面層頂面、面層底面和基層底面的應力變化情況，可以看出:在面層頂面，增加級配碎石層的結構2結構應力大于結構1結構;而結構3結構的應力小于結構1結構。在面層底面和基層底面，增加級配碎石層的結構2和結構3兩種結構的應力均小于結構1結構。面層表面主要承受車輛荷載壓應力作用，而瀝青混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此面層表面產生的壓應力對路面結構耐久性影響較小。綜合來講，在結構層之間設置級配碎石過渡層，可以有效的提高面層底面和基層底面抗拉能力，防止路面結構發生破壞，提高道路的耐久性。

3 結語

本文通過ANSYS有限元分析得出，在結構層之間設置級配碎石過渡層，可以有效的提高面層底面和基層底面抗拉能力，在結構1結構的面層與基層之間以及在結構2結構的級配碎石層頂面設置10 cm瀝青碎石過渡層，可以有效的減小面層頂面、面層底面和基層底面的應力，防止路面結構發生破壞，提高道路的耐久性。

［1］ 馬 骉．多年凍土地區瀝青路面材料組成與結構設計研究［D］．西安:長安大學，2006．

［2］ 胡小弟，孫立軍．輕型貨車輪胎接地壓力分布實測［J］．公路交通科技，2005，22(8):1-7．

［3］ 姬楊蓓蓓，馬 骉．多年凍土地區路面設計與施工技術研究分報告之六:多年凍土地區瀝青路面結構設計方法研究［D］．西安:長安大學，2002．

［4］ 姬楊蓓蓓．多年凍土地區瀝青路面結構設計方法研究［D］．西安:長安大學，2005．