道路使用條件對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

江志義

（湖南省交建工程集團有限公司，湖南株洲 412007）

道路使用條件對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

江志義

（湖南省交建工程集團有限公司，湖南株洲 412007）

采用有限元分析方法，研究道路坡度、車輛行駛速度、荷載條件（車輛胎壓和裝載率）和路表溫度等道路使用條件變化對瀝青路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力與剪應(yīng)變分布的影響規(guī)律和影響程度，探究縱坡道路與平坡道路瀝青路面在力學(xué)響應(yīng)上的差異及其主要影響因素。

公路；道路坡度；車速；荷載條件；溫度；力學(xué)響應(yīng)

1 坡度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

表1 不同縱坡下路表剪應(yīng)力的變化

1.1 計算工況

計算荷載工況的編號為Z-A0（裝載率100%，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa）；道路縱坡為0（平坡）～5%；車速取初始速度71 km／h；計算斷面為單輪中心、單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣。

1.2 道路縱坡坡度對剪應(yīng)力的影響

1.2.1 路表剪應(yīng)力

不同道路縱坡下路表剪應(yīng)力見表1。由表1可見：路表剪應(yīng)力隨著道路縱坡的增大而增加。1）當(dāng)?shù)缆房v坡較小時，路表剪應(yīng)力最大值發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心；隨著道路縱坡的增加，路表剪應(yīng)力最大值逐漸向單輪中心處轉(zhuǎn)移。當(dāng)?shù)缆房v坡為5%時，單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心剪應(yīng)力與單輪中心處剪應(yīng)力接近。2）當(dāng)?shù)缆房v坡由1%增加至5%時，單輪中心斷面、單輪內(nèi)側(cè)斷面和外側(cè)斷面上的路表剪應(yīng)力依次增加約26%、11%和23%；當(dāng)?shù)缆菲露冗_到5%時，在滿載條件下，路表剪應(yīng)力最大值約0.081 MPa，發(fā)生在單輪中心斷面上。

1.2.2 路面中剪應(yīng)力

路面中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見表2。由表2可以看出：隨著道路縱坡的增大，各計算斷面上的剪應(yīng)力均呈現(xiàn)增大趨勢。1）在單輪中心、單輪內(nèi)邊緣和單輪外邊緣斷面上，剪應(yīng)力最大值分別出現(xiàn)在約6、2和3 cm深度處。單輪中心斷面上的剪應(yīng)力最大值接近0.15 MPa，略大于單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上的剪應(yīng)力最大值。2）單輪中心、單輪外側(cè)邊緣下的剪應(yīng)力最大值和發(fā)生位置幾乎不受縱坡變化的影響；而單輪內(nèi)側(cè)邊緣下剪應(yīng)力最大值隨縱坡的增加略有增大，當(dāng)?shù)缆酚善狡伦兓癁?%坡度時，該部位的剪應(yīng)力最大值僅增長約4%。

表2 不同道路縱坡下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

1.3 道路坡度對剪應(yīng)變的影響

剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見表3。從表3可見：1）在單輪中心、單輪內(nèi)邊緣和單輪外邊緣斷面上，剪應(yīng)變的最大值分別出現(xiàn)在約3、2和3 cm深度（上面層中下部）處。2）當(dāng)?shù)缆酚善狡伦兓癁?%坡度時，單輪中心斷面上的剪應(yīng)變最大值由2.226× 10-4增加至2.298×10-4，增幅約3%；單輪內(nèi)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值由2.027×10-4增加至2.103 ×10-4，增幅不超過4%；單輪外邊緣上的剪應(yīng)變基本不受縱坡變化的影響。

表3 不同道路縱坡下路面中剪應(yīng)變最大值及其所處位置

2 車速對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

2.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A1（裝載率200%，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa）；道路縱坡為5%；計算車速為69（初始速度）～22.70 km／h（平衡速度），另增加100和10 km／h；計算斷面同上。

2.2 車速對剪應(yīng)力的影響

各計算斷面上剪應(yīng)力最大值及其相應(yīng)位置見表4。由表4可見：1）單輪中心斷面上剪應(yīng)力最大值隨著車速降低而增加的程度比單輪兩側(cè)邊緣斷面上的明顯，但剪應(yīng)力最大值小于這兩個斷面上的剪應(yīng)力最大值。當(dāng)車速由100 km／h降低至10 km／h（降幅90%）時，該斷面上的剪應(yīng)力最大值由0.123 MPa增加至0.143 MPa，增幅約17%。2）在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心斷面上出現(xiàn)剪應(yīng)力最大值，當(dāng)車速由100 km／h降低至10 km／h時，該剪應(yīng)力最大值由0.152 MPa增加至0.162 MPa，增幅約7%。

表4 車速影響下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

2.3 車速對剪應(yīng)變的影響

各計算斷面上剪應(yīng)變最大值及其位置見表5。由表5可見：隨著車速的下降，瀝青路面內(nèi)各深度處的剪應(yīng)變均明顯增大。1）在3個計算斷面上，剪應(yīng)變最大值均發(fā)生在上面層中下部，當(dāng)車輛行駛速度由100 km／h降低至10 km／h時，單輪中心、單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值分別增長153%、123%和111%。2）路面中剪應(yīng)變最大值發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面上，約在路表下2 cm（上面層中部）處，與剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置一致。當(dāng)車輛行駛速度降低至10 km／h時，該斷面上的剪應(yīng)變最大值達到5.922×10-4。

3 胎壓對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

3.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A0、Z-B0、Z-C0（輪胎內(nèi)壓分別為0.7、1.0和1.3MPa，裝載率為100%）；道路坡度為零（平坡）；計算車速取初始速度71 km／h；計算斷面同上。

表5 車速影響下路面剪應(yīng)變最大值及其所處位置

3.2 胎壓對剪應(yīng)力的影響

胎壓增加將顯著增加路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力。在單輪中心斷面上，胎壓變化對剪應(yīng)力的影響主要發(fā)生4～10 cm深度處；在單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣斷面上，胎壓變化對剪應(yīng)力的影響主要發(fā)生2 cm以下深度處，且影響程度較低。不同胎壓下路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見表6。由表6可見：路面內(nèi)剪應(yīng)力最大值發(fā)生在單輪中心斷面、中面層位置，隨著胎壓的增長，剪應(yīng)力最大值的位置向上移動；剪應(yīng)力最大值隨輪胎內(nèi)壓的增長而顯著增大，當(dāng)胎壓由0.7 MPa增加至1.3 MPa時（增幅約86%），剪應(yīng)力最大值由0.147MPa增加至0.242 MPa，增幅為65%。3.3 胎壓對剪應(yīng)變的影響

表6 輪胎內(nèi)壓影響下路面剪應(yīng)力最大值及其所處位置

在不同輪胎內(nèi)壓下，路面結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)變分布規(guī)律與剪應(yīng)力相同。在單輪中心斷面上，胎壓變化對剪應(yīng)變的影響顯著；在單輪內(nèi)側(cè)和外側(cè)邊緣斷面上，胎壓變化對路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的影響程度降低。不同胎壓下路面內(nèi)部剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見表7。由表7可見：剪應(yīng)變最大值發(fā)生在單輪中心斷面上，位于路面深度3 cm（上面層）處；當(dāng)胎壓由0.7 MPa增大至1.3 MPa時，剪應(yīng)變最大值由2.218 ×10-4增加至3.627×10-4，增幅接近64%。

表7 輪胎內(nèi)壓影響下路面剪應(yīng)變最大值及其所處位置

4 裝載率對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)影響的影響

4.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-A0～Z-A4和ZC0～Z-C4（輪胎內(nèi)壓分別取為0.7和1.3 MPa，車輛荷載即裝載率分別取為100%、200%、300%和400%）。輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa時，道路坡度取為零（平坡）；輪胎內(nèi)壓為1.3MPa時，道路坡度取為5%。計算車速取各荷載工況下的初始速度。計算斷面與前面的相同。

4.2 裝載率對剪應(yīng)力的影響

各計算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見表8。由表8可以看出：1）當(dāng)車輛裝載率增加時，無論輪胎內(nèi)壓是0.7 MPa還是1.3 MPa，單輪中心處的剪應(yīng)力最大值均呈現(xiàn)減小趨勢，該現(xiàn)象的出現(xiàn)與輪胎中部接觸應(yīng)力分布有關(guān)。2）單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)力最大值隨著裝載率的增加而顯著增大。當(dāng)裝載率由100%增加至400%（增幅3倍）時，單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)力最大值增幅超過100%。以裝載率100%為基準(zhǔn)，裝載率每增加100%，該斷面上剪應(yīng)力最大值的平均增幅約35%。3）隨著裝載率的增加，瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力最大值由單輪中心轉(zhuǎn)移至單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上，并由約6 cm（中面層）深度處移至約2 cm深度處（上面層）。當(dāng)裝載率達到400%（輪胎內(nèi)壓1.3 MPa）時，瀝青路面中的剪應(yīng)力最大值為0.243 MPa，發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心路表下2 cm處。

表8 裝載率影響下剪應(yīng)力最大值及其所處位置

4.3 裝載率對剪應(yīng)變的影響

各計算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)變最大值及其所在位置見表9。由表9可見：1）裝載率對路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變的影響受車輛胎壓的影響較小，僅在單輪中心斷面上略有不同。胎壓為0.7 MPa時，單輪中心處剪應(yīng)變最大值隨著裝載率的增加呈現(xiàn)減小趨勢；當(dāng)胎壓為1.3 MPa時，單輪中心處剪應(yīng)變最大值隨著裝載率的增加呈現(xiàn)增大趨勢；剪應(yīng)變最大值出現(xiàn)在上面層。2）單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上的剪應(yīng)變最大值均隨著裝載率的增加而顯著增大。當(dāng)裝載率由100%增加至400%時，單輪內(nèi)側(cè)邊緣斷面的剪應(yīng)變最大值由2.007×10-4增加至5.49×10-4，增幅173%，發(fā)生在單輪內(nèi)側(cè)邊緣中心路表下2 cm處，該最大值受胎壓的影響較小。相對于裝載率100%，裝載率每增加100%，剪應(yīng)變最大值的平均增幅接近58%。3）當(dāng)裝載率大于200%時，瀝青層內(nèi)的剪應(yīng)變最大值由單輪中心移至單輪內(nèi)側(cè)邊緣和單輪外側(cè)邊緣中心斷面上。

表9 裝載率影響下剪應(yīng)變最大值及其所處位置

5 溫度對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響

5.1 計算工況

計算荷載工況編號為Z-C2（胎壓1.3 MPa，裝載率300%）；坡度為5%；平衡車速16.8 km／h；取路表溫度40～70℃。

5.2 溫度對剪應(yīng)力最大值的影響

各計算斷面上路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值及其發(fā)生位置見表10。由表10可見：1）在單輪內(nèi)側(cè)邊緣和外側(cè)邊緣斷面上出現(xiàn)剪應(yīng)力最大值，發(fā)生在上面層。當(dāng)路表溫度由40℃升高至70℃（增幅75%）時，剪應(yīng)力最大值的增幅不到4%（單輪內(nèi)側(cè)斷面）。2）下面層層底剪應(yīng)力隨著路表溫度的升高而呈現(xiàn)減小趨勢。

5.3 溫度對剪應(yīng)變的影響

各計算斷面上剪應(yīng)變最大值及其發(fā)生位置見表11。由表11可見：剪應(yīng)變最大值發(fā)生在上面層（3個計算斷面），并隨著路表溫度的升高而顯著增大。路表溫度每升高10℃，面層中的剪應(yīng)變最大值增大1～2倍。

表10 溫度影響下路面最大剪應(yīng)力及所處位置

表11 溫度影響下路面最大剪應(yīng)變及其所處位置

6 結(jié)論

（1）道路使用條件變化主要影響瀝青路面上面層、中面層的剪應(yīng)力和剪應(yīng)變分布。對剪應(yīng)力分布影響程度較大的因素是輪胎內(nèi)壓和裝載率，對剪應(yīng)變分布影響程度較大的因素是路表溫度、車速、輪胎內(nèi)壓和裝載率。

（2）當(dāng)車輛荷載條件、路表溫度一定時，縱坡道路瀝青路面與平坡道路瀝青面層中剪應(yīng)力和剪應(yīng)變水平的差異主要源自車輛行駛速度變化的影響，受道路縱坡坡度自身變化的影響較小。

（3）車輛輪胎內(nèi)壓增大將導(dǎo)致剪應(yīng)力和剪應(yīng)變增加，增加幅度與胎壓的增大幅度相當(dāng)；車輛裝載率變化將顯著影響剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的分布及大小，車輛裝載率每增加100%，路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力最大值、剪應(yīng)變最大值的增幅分別高達35%和58%。

（4）根據(jù)車輛行駛速度對瀝青面層中剪應(yīng)變最大值、瀝青面層剪應(yīng)變累積量的影響程度，建議以車輛行駛速度35 km／h作為平衡速度對最大縱坡坡度進行界定。

［1］ 李曉忠.路面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對路面結(jié)構(gòu)的影響［J］.青海交通科技，2009（2）.

［2］ 張宜洛.長大縱坡路段瀝青路面行為和混合料設(shè)計研究［D］.西安：長安大學(xué)，2012.

［3］ 王陳剛，侯云飛.縱坡道路瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料設(shè)計［J］.公路與汽運，2015（4）.

［4］ 蘇凱，胡曉，胡小弟，等.實測輪胎荷載作用下層間接觸條件對瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的三維有限元分析［J］.上海公路，2006（1）.

U416.217

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1671-2668（2016）06-0111-05

2016-09-02