基于力學分析的交叉口路面結構影響因素分析

朱志強

（深圳市市政設計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著瀝青路面建設進程的加快，針對瀝青路面使用中的問題也越來越多，特別是瀝青路面交叉口區域，各類道路病害問題突出。城市道路交叉口為車輛啟停、剎車、轉向極為頻繁的區域[1]。在車輪水平荷載和垂直荷載的綜合作用下，路面結構承受較大的剪切力，而隨著車輛的循環荷載作用，路面結構產生剪切疲勞，結構層極易出現失穩，從而會產生車轍、推移問題[2]。

模量是路面結構的重要力學參數，取值直接影響路面結構的受力特性[3]，而提高瀝青結構層模量，可以有效增強整個路面結構抵抗剪切變形的能力[4，5]。層間接觸狀態同樣影響路面結構的使用性能，尤其是路面在施工過程中，往往會出現黏層材料被施工車輛破壞等現象，這會導致路面結構層層間接觸不良，不符合由層間連續的設計要求[6]。但是，目前瀝青層模量和層間接觸狀態對交叉口路面結構的受力規律研究還不夠全面，有必要系統地進行力學特性分析與論證。

為了提升交叉口路面結構的抗剪切變形能力，本文主要分析不同影響因素對交叉口路面結構的力學響應。基于理論模擬方法，通過改變瀝青結構層的模量和層間接觸狀態，計算不同工況下交叉口路面結構力學響應，分析不同因素對路面結構力學特征的影響，明確交叉口路面結構的受力規律。

1 力學指標和計算模型

1.1 力學指標的確定

在進行交叉口路面力學響應分析時，首先要選擇適當的力學指標。本研究選取瀝青結構層的最大剪應力/應變、最大拉應力/應變作為力學計算指標，來分析模量對交叉口路面結構力學響應。

1.2 計算模型的建立

1.2.1 荷載條件

結合交叉口路面重車多、剎車頻繁的情況，在設置荷載條件時，需要考慮豎向荷載和水平荷載。豎向荷載應力設置為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，而對于水平荷載，則設置無水平荷載、水平荷載為豎向荷載的30%兩種工況。汽車荷載采用單軸雙圓均布荷載，當量圓半徑δ=10.65 cm，輪隙間距為1.5δ，荷載中心間距3δ，為便于網格劃分，將圓形均布荷載轉化為邊長為16 cm×23 cm的等效長方形荷載。

1.2.2 路面結構模型

結合實體工程，本文采用表1所示結構進行分析，其中瀝青結構層模量參照現行規范[7]取值。

路面結構模型（見圖1）尺寸為6 m×6 m×6 m，所有材料均設定為彈性材料，結構層間為完全連續接觸，整個模型的橫向和縱向可以沿法向自由轉

表1 路面結構層材料參數及厚度

圖1 路面結構有限元模型

動，但無法向位移，底面無三向位移不可轉動，網格劃分時采用三維實體8節點二次減縮積分單元（C3D20R）（見圖 2）。

圖2 路面三維結構計算圖示

2 瀝青層模量的影響分析

設定層間接觸完好，通過改變瀝青層模量來分析交叉口路面結構動態響應。模量分別選取2 000 MPa、4 000 MPa、8 000 MPa和16 000 MPa，分析交叉口路面結構的最大剪應力/應變、最大拉應力/應變分布。

2.1 最大剪應力

由圖3可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層最大剪應力呈現增大趨勢；

圖3 最大剪應力隨模量變化情況

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應力約增大71.5%；

（3）當豎向荷載為0.9 MPa時，隨著水平荷載的增大，最大剪應力基本無變化，僅當模量為2 000 MPa時，最大剪應力增大5.2%。

2.2 最大剪應變

由圖4可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層的最大剪應變呈現減小趨勢；

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應變增大，且不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應變約增大71.4%；

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9MPa時，最大剪應變基本無變化，僅當模量為2000 MPa時，最大剪應變增大5.3%。

圖4 最大剪應變隨模量變化情況

2.3 最大拉應力

由圖5可以看出：

（1）隨著模量的增大：當無水平荷載時，最大拉應力呈現先減小后增大的趨勢；當瀝青層模量為5 000 MPa時，最大拉應力最小；當水平荷載為30%豎向荷載時，最大拉應力隨著模量的增大而減小。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應力也增大。當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大拉應力增幅最大分別為95.7%和78.7%。

（3）隨著水平荷載的增大：當豎向荷載為0.9MPa時，最大拉應力也增大；當模量為5 000 MPa時，最大拉應力的增幅最為明顯，與無水平荷載情況相比，水平荷載為30%豎向荷載時，最大拉應力增大4.64倍。

圖5 最大拉應力隨模量變化情況

2.4 最大拉應變

由圖6可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層的最大拉應變呈現減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應變增大，且不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應變約增大71.4%。

（3）隨著水平荷載的增大：當豎向荷載為0.9 MPa時，最大拉應變也增大；當模量為8 000 MPa時，最大拉應變的增幅最為明顯，約為81.3%。

3 層間接觸狀態的影響分析

選擇瀝青層模量為2 000 MPa，通過改變瀝青面層和基層層間接觸狀態來分析交叉口路面結構動態響應，層間摩擦因數分別選取0、0.25、0.5、0.75、1，即層間接觸狀態由完全光滑變化成完全連續，來分析交叉口路面結構的最大剪應力/應變、最大拉應力/應變分布。

圖6 最大拉應變隨模量變化情況

3.1 最大剪應力

由圖7可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa時，瀝青層的最大剪應力變化較小；當從完全光滑變成完全連續時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大剪應力分別約增大8.6%和3.1%。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應力約增大71%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9MPa時，最大剪應力呈現增大趨勢，平均約增大5.3%。

圖7 最大剪應力隨層間接觸狀態變化情況

3.2 最大剪應變

由圖8可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下，瀝青層的最大剪應變變化較小；當從完全光滑變成完全連續時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大剪應力分別約增大8.7%和3.2%。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應變也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應變約增大70%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9 MPa時，最大剪應變呈現增大趨勢，平均約增大5.3%。

圖8 最大剪應變隨層間接觸狀態變化情況

3.3 最大拉應力

由圖9可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數的增大，不論有無水平荷載，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下：當摩擦因數小于0.75時，瀝青層的最大拉應力變化較小；當摩擦因數大于0.75時，瀝青層的最大拉應力呈現減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應力約增大77%。

（3）隨著水平荷載的增大，豎向荷載為0.9 MPa時：摩擦因數小于0.75時，瀝青層的最大拉應力基本無變化；當摩擦因數大于0.75時，瀝青層的最大拉應力呈現增大趨勢。

圖9 最大拉應力隨層間接觸狀態變化情況

3.4 最大拉應變

由圖10可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數的增大，不論有無水平荷載，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下：當摩擦因數小于0.75時，瀝青層的最大拉應變變化較小；當摩擦因數大于0.75時，瀝青層的最大拉應變呈現減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應變也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應變約增大71%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9 MPa時：摩擦因數小于0.75時，瀝青層的最大拉應變基本無變化；當摩擦因數大于0.75時，瀝青層的最大拉應變呈現增大趨勢。

圖10 最大拉應變隨層間接觸狀態變化情況

4 結 論

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，整體來看，瀝青層最大剪應力增大，而最大剪應變、拉應力和拉應變則呈現減小趨勢。

（2）隨著瀝青面層與基層層間摩擦因數的增大，即層間接觸狀態由完全光滑變化成完全連續，最大剪應力和剪應變的變化較小，而最大拉應力和拉應變則變化明顯，摩擦因數小于0.75時，最大拉應變無變化，摩擦因數大于0.75時，最大拉應變呈現減小趨勢。

（3）隨著豎向荷載和水平荷載的增大，瀝青層的最大剪應力、剪應變、拉應力、拉應變都呈現增大趨勢，最大剪應力、剪應變、拉應變的增幅約為71%。

（4）對于重車多、剎車頻繁的交叉口，豎向荷載和水平荷載相對較大，在一定范圍內，可以通過增大瀝青層模量和結構層間黏結性能，來改善路面結構內部力學特性。