重載對以彈性模型表征的瀝青路面使用性能的影響

王旭

(中交路建交通科技有限公司,北京 100121)

目前,高速公路和干線公路交通任務繁重,重載交通突出；超載現象普遍存在,許多地區載重汽車的超載率平均超過50%。載重汽車的超載運輸使車輛的軸載超出限制值,輪胎氣壓、輪胎與路面的接觸面積和接地壓強增大,導致公路出現不同程度損壞,很多公路的使用壽命達不到設計年限,甚至出現“今年修、來年壞”的現象。為明確瀝青路面的破壞機理,預防重載對瀝青路面的早期損壞,降低養護和二次建設費用,該文利用有限元分析軟件ABAQUS,從力學角度建立半剛性基層瀝青路面彈性模型,定量分析重載交通對瀝青路面使用性能的影響。

1 理論基礎

1.1 重載討論

實際上,輪胎和路面的作用面積不是圓形而是橢球形,可近似看成由2個半圓和1個矩形組成。為了在有限元中方便確定加載區域,根據面積相等的原則,將其簡化成1個寬為0.6L的矩形(見圖1)。

圖1 荷載作用示意圖

根據比利時軸壓比與軸載比的經驗公式[見式(1)、式(2)],分別計算單軸雙輪軸重為100 kN,超載率 為 30%、50%、80%、100%、150%、200% 時 的接地面積、接地半徑和接地壓強,結果見表1。

式中：A為輪胎接地面積；P為每個輪胎的荷載；Pi、Ps分別表示換算接地壓強和標準接地壓強0.7 MPa；PI、PS分別表示換算軸重和標準軸重100 kN。

表1 不同重載下等效矩形的長和寬

1.2 數值模擬計算

采用典型的半剛性基層瀝青路面結構形式建立有限元模型,路面結構參數見表2。為方便建立模型,加載區域采用矩形。

初步計算發現,模型尺寸只要大于3倍雙輪加載間距即可滿足精度要求。綜合考慮計算時間和結果精度,確定模型尺寸為6 m×6 m×6 m。

根據瀝青路面的受力特點,土基底面完全固定,道路橫向2個面約束道路橫向位移,行車方向2個面約束行車方向位移。

表2 路面結構參數

2 重載對瀝青路面使用性能的影響

2.1 對彎沉的影響

瀝青路面最大彎沉隨軸重的變化見圖2。

圖2 瀝青路面最大彎沉隨軸重的變化

由圖2可知：瀝青路面彎沉最大值隨軸重的增加近似呈線性增長,標準軸重100 kN作用時的彎沉為0.294 mm,軸重為300 kN時彎沉為0.600 mm,約為100 kN的2倍。重載作用下瀝青路面產生的彎沉遠大于標準軸載作用下的彎沉值,重載作用要求路面結構具有極強的結構承載能力；彎沉越大,路面結構產生的彎拉應力越大,在重載長期反復作用下易產生疲勞開裂、坑槽、沉陷等病害。

2.2 對永久變形的影響

根據JTG D50－2017《公路瀝青路面設計規范》附錄B中B.3節,按壓應力對各級軸重作用下瀝青混合料層的永久變形量進行驗算。其中標準軸重作用下瀝青混合料層永久變形量見式(3),滿足永久變形量驗算標準(瀝青混合料層容許永久變形量為15 mm)。

假設結構的分層厚度不變,各分層的永久變形量不變,而軸重不同,各分層頂面的壓應力不同,反推軸載累計作用次數,結果見圖3。

圖3 不同軸重下產生相同永久變形量所需軸載作用次數

由圖3可知：隨著軸重的增加,產生相同永久變形量所需軸載作用次數呈冪函數形式遞減。軸重從100 kN增加到150 kN時,作用次數減小速率較大,隨著軸重的增加,變化速率減緩。100 kN的軸重需作用1 384萬次才能達到容許拉應變,軸重為150 kN時需作用563.158萬次,是標準軸載作用時的0.407倍；軸重為300 kN時需作用102.517萬次,是150 kN軸載作用時的0.182倍、標準軸載作用時的0.074倍。

2.3 對剪應力的影響

根據以往研究,瀝青路面擁包和推移等病害與瀝青路面在豎向荷載作用下產生的剪應力息息相關。對瀝青路面在豎向荷載作用下產生的最大剪應力進行計算,結果見圖4。

由圖4可知：最大剪應力出現在車輪荷載作用位置的中面層。因此,取荷載作用中心位置沿豎向路徑分析最大剪應力隨軸重的變化,結果見圖5。

由圖5可知：軸重為100 kN時,最大剪應力為0.217 MPa；軸重為300 kN時,最大剪應力為0.443 MPa,約為100 kN時的2倍。最大剪應力隨著軸重的增加基本呈線性增長。

圖4 荷載作用中心應力云圖(單位：Pa)

圖5 最大剪應力隨軸重的變化

2.4 瀝青混合料層疲勞開裂驗算

根據《公路瀝青路面設計規范》附錄B中的B.1節,對各級軸重作用下瀝青混合料層的疲勞開裂壽命進行驗算,結果見圖6。

由圖6可知：隨著軸重和接地壓強的增大,瀝青混合料層的疲勞壽命不再呈直線增大,而是呈對數函數形式急劇減小。全部為標準軸載作用時,瀝青混合料層的疲勞壽命為3 809.81萬次；以300 kN的軸載作用在路面結構上時,瀝青混合料層的疲勞壽命為223.33萬次,是標準軸載作用下的0.06倍,重載作用對瀝青混合料層疲勞壽命的影響巨大。

沿行車方向的拉應變在中面層底荷載作用區域中心位置達到最大值；隨著軸重的增加,最大拉應變線性增加。根據《公路瀝青路面設計規范》中公式B.1.1－1,瀝青層層底拉應變直接影響路面的疲勞壽命,軸重越大,拉應變越大,瀝青路面的疲勞壽命越小。

圖6 瀝青混合料層疲勞壽命隨軸重的變化

2.5 無機結合料層疲勞開裂驗算

根據《公路瀝青路面設計規范》附錄B中的B.2節,對各級軸重作用下無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命進行驗算,結果見圖7。

圖7 無機結合料層疲勞壽命隨軸重的變化

由圖7可知：隨著軸重和接地壓強的增大,無機結合料層的疲勞壽命不再呈直線增大,而是呈對數函數形式急劇減小。全部為標準軸載作用時,無機結合料層的疲勞壽命為23 972.75萬次；以300 kN的軸載作用在路面結構上時,無機結合料層的疲勞壽命為99.35萬次,是標準軸載作用下的0.004倍,重載作用對無機結合料層疲勞壽命的影響巨大。

無機結合料穩定層層底沿行車方向的拉應力在底基層層底的輪距中心位置達到最大值,且拉應力從該位置向四周擴散；隨著軸重的增加,底基層層底拉應力增大,導致基層和底基層拉裂,裂縫向上傳遞使瀝青路面產生反射裂縫,重載作用使無機結合料層的疲勞壽命迅速減小。

2.6 路基頂面壓應變及數值驗算

根據《公路瀝青路面設計規范》附錄B中的B.4節,對路基頂面容許壓應變進行驗算,結果見圖8。

由圖8可知：隨著軸重的增加,路基頂面產生容許壓應變所需作用次數呈冪函數形式減小。軸重從100 kN增加到150 kN時,作用次數減小速率較大,隨著軸重的增加,變化速率減緩。100 kN標準軸重需作用1 384萬次才能達到容許壓應變,軸重為150 kN時需作用182.255萬次,是標準軸載作用時的0.132倍；軸重為300 kN時需作用5.695萬次,是150 kN軸載作用時的0.03倍、標準軸載作用時的0.000 4倍。

圖8 不同軸重下路基頂面產生容許壓應變所需作用次數

路基頂面壓應變沿過輪距中心的豎向對稱軸呈對稱分布,在輪距中心達到最大值,軸重對最大值的影響極為顯著；300 kN荷載時壓應變是100 kN荷載時的1.88倍,在重載作用下,土基頂面壓應變在很小作用次數內就能達到容許壓應變,從而導致路基沉陷。

3 結論

(1)路表最大彎沉隨軸重增大呈線性增長。

(2)隨著軸重的增加,產生相同永久變形量所需軸載作用次數呈冪函數形式遞減,最大剪應力基本呈線性增長。

(3)隨著軸重和接地壓強的增大,瀝青混合料層、無機結合料層的疲勞壽命不再呈直線增大,而是呈對數函數形式急劇減小。

(4)在重載作用下,土基頂面壓應變在很小作用次數內就能達到容許壓應變,從而導致路基沉陷。