特殊交通荷載對道路結構的影響分析

□文 /焦曉磊

氣候變化以及交通量是引起瀝青路面病害的主要原因。我國高等級公路常常在通車2～3 a就出現較嚴重的早期破損，嚴重超載是造成早期破損的主要原因之一。對于柔性路面，國家設計規范采用路表彎沉值控制，使用年限采用累計折合成的標準荷載次數作為控制指標，但對重型車，特別是超重型車輛對路面結構強度的影響卻沒有細化的要求。規范中的折算系數并未考慮路面承載極限能力，一旦超出極限荷載行駛，將導致路面結構嚴重損傷，使路面開裂，出現推擠、擁包，甚至局部下陷。本文著重研究此類特殊荷載對道路結構的影響。

1 軸型參數

1.1 高等級公路交通組成

1）我國高等級公路以二軸車為主；三、四軸車占一定比例；五、六軸車占比較小，為非典型車輛。

2）各型軸載都有一定比例的超載，尤其5型軸與7型軸超載較為嚴重。而5型軸與7型軸間的聯合作用，對道路結構的影響更是不可低估。

1.2 基本假設與有限元模型

瀝青路面在力學性質上屬于彈-粘-塑性體，但由于車輪與對路面作用是瞬時的，因而產生的粘-塑性變形很小，故將厚度較大、強度較高的路面結構視作線性彈性體并采用彈性層狀體系理論分析是合適的。基于彈性層狀體系理論，應用有限元軟件ANSYS 10.0建立道路結構理想狀態模型（忽略氣候影響）。模型需滿足彈性層狀體系假設：

1）各層是連續的、完全彈性的、均勻的、各項同性的以及位移和變形是微小的；

2）最下一層在水平方向和垂直向下方為無限大；其上各厚度有限，水平方向無限大；

3）各層在水平方向無限遠處及最下一層向下無限深處，應力、變形和位移為0；用glue命令將各層連接，進而形成多層完全連續體系；

4）層間接觸，或者位移完全連續，或者層間僅順向應力和位移連續而無摩阻力；

5）不計自重。

1.3 模型尺寸與材料參數

在多層彈性理論下，各層在水平方向及最下一層垂直向下方為無限大，但在有限元模型中只能取有限尺寸。通過多次建模對其結果分析，土基厚度取6 m，各層在水平面取6 m×6 m，最終確定各層尺寸及力學參數見表1。

表1 道路模型參數

1.4 荷載參數

標準軸載為單軸、每側雙輪，加載時每側雙輪采用單圓荷載，輪胎接觸壓力取0.7 MPa。對于雙聯軸載，三聯軸載每側亦取單圓荷載，輪胎與道路接觸壓力均取胎壓，見圖1和圖2。

2 不同軸載作用對道路結構的影響

從沿軸向（x方向）與沿一側輪下向(z方向)兩個角度論述。

2.1 路表彎沉

沿x方向、z方向，不同位置處的彎沉值，見圖3。圖3a中，2.1、3.9 m處為輪載作用位置；圖3b中，標準軸載作用位置在3 m處，雙聯軸載位置為2.4、3.8 m處，三聯軸輪載分別在1.6、3、4.4 m處。

圖2 軸載布載

圖3 不同軸載下路表彎沉分布

分析圖3可以得出以下主要結論。

1）最大彎沉值。三種軸載下，最大彎沉均發生在輪下，其中三聯軸軸載作用時發生在中輪下。標準軸載、雙聯軸載、三聯軸載作用下最大值分別為62.92、97.54、134.32（0.01 mm），因而對于最大彎沉值，雙聯軸載與三聯軸載作用時分別較標準軸載增大55.02%、113.4%。

2）彎沉分布。除輪載作用位置，在同一位置，雙聯軸與三聯軸較標準軸載作用時的輪間（軸向與單側輪輪之間）彎沉亦有較大幅度增加，三聯軸幅度最大，雙聯軸次之。這主要是多軸、多輪作用時所產生變形疊加所致。

2.2 各路面結構層層底應力

分析標準軸載、雙聯軸載和三聯軸載作用下，x方向分布路面結構各層層底x、z方向拉（壓）應力。其中三聯軸取中軸。

1）面層層底以受壓為主，基層和底基層層底以受拉為主，最大水平壓應力發生在上面層層底。

2）最大層底拉應力出現在基層底部。

在上面層層底，x方向水平模型兩端，局部也出現了拉應力，見圖 4，分別為 39.04、64.23、90.46 kPa。可見，雙聯軸載和三聯軸載在面層底產生了較大的拉應力，其對面層受力形式產生了較大影響。

圖4 上面層層底x方向應力

2.3 剪應力、剪應變分布

由于模型的對稱性與荷載的對稱性，選取輪下、軸中心、1/4軸下以及同一排輪之間的三等分點這四個位置處向道路深度方向作路徑，映射剪應力、剪應變。對于三聯軸載，中間軸載附近與前后兩端軸載附近剪應力分布有所不同，故將三聯軸中這兩種軸載同時研究，分別為三聯軸1與三聯軸2。

1）剪應力。在x方向，輪下剪應力最大，軸心最小。標準軸載剪應力稍大于其他兩者。

2）剪應變。剪應變沿z方向，在剪應力最大處和路基部分（約1 m深處）均出現極值，是由于路基土剛度較路面結構層小。綜合三種剪應變，最大剪應變為15×10-5上下徘徊，三聯軸載最大，雙聯軸載次之，標準軸載最小。

3 結論

1）在特殊交通荷載作用下，路表彎沉有明顯的增大。在輪下，雙聯軸載和三聯軸載彎沉較標準軸載有55.02%和113.4%的增長。路表彎沉影響范圍亦是三聯軸最大，雙聯軸次之。

按照設計理論，累計當量軸次(ESAL)是道路發生破壞的主要原因。因此，特殊交通荷載將大大縮減道路使用壽命，對路面損壞的程度亦是顯而易見的。

2）在標準軸載荷載作用下，面層各層底以受壓為主，拉應力不大。在特殊交通荷載作用下，面層各層底壓應力與標準荷載有所差異，主要是上面層層底出現了較大拉應力。

特殊交通荷載對面層易產生疲勞作用，導致面層損壞，應引起足夠重視。特殊交通荷載對面層材料破壞更直接，對面層材料性能要求更高。因此，重載交通下的路面需要進行特殊的力學材料設計。

3）道路基層、底基層均受拉，基層層底拉應力較大。軸下拉應力、拉應變在標準軸載作用時最大，雙聯軸次之，三聯軸最小。故特殊交通荷載并未增大基層底部拉應力。

4）剪應力、應變在輪下最大，軸心最小。軸型對剪應力分布影響不大。但在本文中發現，在路基處，即距路表約1 m深處，土基剪應變較大，因而土基的強度對道路的抗剪切破壞有較大影響。