重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

1、第23卷第1期2007年3月长沙交通学院学报JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYMar.2007文章编号:1000-9779(2007)01-0056-07重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析谢军1,2,郭忠印2(1.长沙理工大学公路工程学院,湖南长沙410076;2.同济大学教育部道路与交通工程重点实验室,上海200092)摘要:选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底

2、部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据.关键词:重载;非均布;动态模量;力学响应中图分类号:U416.217文献标识码:A目前,.,更表现为运输车辆普遍超载、超限,1.在重载交通条件下,沥青路面在使用过程中产生早期,路面使用寿命大大缩短、使用性能衰减加快,严重影响了道路的使用功能和服务质量.在本研究中,针对不同沥青路面典型结构,考虑不同荷载作用条件,进行

3、了路面结构力学响应分析,以了解重载条件下路面结构的应力、应变规律,并为重载条件下沥青路面设计指标提供理论依据.1沥青路面的典型结构选取在沥青路面修建过程中,由于土基条件、交通量、轴载及气候环境条件的不同,在各地区采用了不同的沥青路面结构,同时,根据具体实际情况,相应地制定了本地区的沥青路面典型结构.在不同地区的沥青路面典型结构中,考虑到结构层组合、结构层厚度等因素,选取其中8种典型路面结构进行力学计算分析(见表1).表18种路面结构组合路面结构#cm沥青面层基层沥青碎石6/级配碎石/9/6%水稳碎石24201818/1620上基层透水性水稳碎石/16/贫混凝土/20/下基层5%水稳碎石/182

4、0161620底基层水稳粒料24/稳定土/4020/垫层级配粒料20/收稿日期:2006-11-14作者简介:谢军(1975-),男,长沙理工大学讲师,博士.第1期谢军,等:重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析#57由表1可知,在选取的8种路面结构中,除4,61结构为柔性基层加半刚性基层沥青路面结构外,其余均为半刚性基层沥青路面结构.在半刚性基层中又包括单基层、双基层及双底基层等,且不同路面结构的沥青面层具有不同的厚度.被选取路面结构具有较好的代表性.2路面结构层典型材料参数由于路面结构实际上受到来自车辆、气候、人文等因素不断变化的影响,因此,其实际工作状态(包括力学模型、材料性质)与现行的静

5、态力学体系存在着较大的差距.对于路面材料本身而言,由于路面材料大多是粘弹塑性的组合体,对时间因素的影响十分敏感.当荷载作用时间不同时,材料所表现出的力学性质是完全不一样的,同时,材料设计参数的选取对路面设计结果有着很大的影响.考虑到这些原因,在本研究中,采用动态参数进行典型路面结构力学计算分析,以反映实际路面的受力状况.同时,为使计算结果具有一定的代表性和可比性,不同路面结构的相同材料结构层参数取值及同一类材料参数取值都应一致.2.1沥青混合料动态模量由于沥青混合料是一种粘弹性材料,其力学性能与温度、关系,根据AI研究结果,4MPa:在高温或荷载长时间作用下,动态模量为1100MPa;,100

6、5000MPa.在温度为20、频率为5Hz,3100MPa(密级配沥青碎石)或3500MPa();(温度30、频率10Hz)为:沥青混凝土为3000也推荐了沥青混合料的动态模量常用范围.,在本研究中,研究了沥青混合料的动态模量,1得出了沥青混合料劈裂动态模量回归模型和推荐值.采用回归模型进行计算,得到动态模量大约为3000MPa,这与国内外已有研究成果中动态模量推荐值接近.因此,取沥青混合料动态模量为3000MPa,沥青碎石动态模量的取值为2500MPa.2.2其他材料动态模量2在国外,采用的土基回弹模量大约为30100MPa,本研究中取土基回弹模量为50MPa.同时为便于结构分析,不同路面结

7、构的土基模量取值一致.对于级配碎石、砂砾等未处治粒料的回弹模量,级配碎石和砂砾模量的取值分别为200,150MPa.2根据动态模量常用范围,取水泥稳定类基层和二灰稳定类基层的动态模量为6900MPa.王旭东认为:水泥剂量为6%的水泥稳定类基层和水泥剂量为4%的水泥稳定类基层的动态模量值相差约3路面力学计算模型3.1荷载条件目前,在路面计算中,大多采用的是圆形均布荷载形式,但有关研究人员认为:路面和轮胎之间接地形状不完全是圆形,更大程度上表现为矩形,且随着荷载增大而益发趋向于矩形;作用力分布也不是均匀的,随荷载的增加及胎压的不同发生很大的变化;轮胎花纹形式的多样性也决定了接触应力的非均布特点.因

8、此,路面和轮胎之间呈现出明显的非均布效应,圆形均布荷载的简化和路面实际情况有很大区别.58长沙交通学院学报第23卷79根据Groenendijk,RonaldBlab及相关人员考虑竖向接触应力,不考虑水平向接触应力,轮胎与路面为矩形接触形式.荷载分布在宽度方向上将接触面分为3个区域:两边20%宽度范围的边缘区和中间60%宽度范围的中心区.中心区与边缘区内竖向接触应力平均值的回归方程表达为:qzc=a0+a1pi+a2pz;qze=b0+b1pi+b2pz.的研究结果,采用的荷载分布形式如图1所示,即仅式中:qzc为中心区平均竖向压应力;qze为边缘区平均竖向压应力;pi为轮胎内压力;pz作用于

9、轮胎的竖向荷载;ai,bi为回归系数.表2轮重/kN25508010012015010轮胎内压/MPa0.7中心区轮压/MPa47/c26.3矩形长度/cm19.63.2有限元模型在路面力学计算时,采用目前通用的ANSYS有限元程序、8节点六面体实体单元,在沥青层和基层之间设置接触单元,网格划分遵循上密下疏的原则.为保证计算结果的可靠性和准确性,模型的长度和宽度均取为6m,土基深度取为6m.其中y为行车方向,x为路面横向方向,z为垂直于路面向上方向.模型边界条件假设为:底面没有z方向的位移,左、右两面没有x方向的位移,前、后两面没有y方向的位移,面层表面为自由面.按照现行规范要求,各结构层之间

10、视为完全连续.路面结构有限元模型如图2所示.104计算结果及分析4.1联结层、基层及底基层层底水平横向应力、应变分析部分结构联结层、基层、底基层底面轮隙中心水平横向(垂直于行车方向)应力及应变结果见表3.#1)根据计算结果可以看出:24为半刚性单基层结构,其基层、底基层底面轮隙中心均受拉应力和拉应变的作用;41为半刚性双底基层结构,其上底基层及下底基层底面轮隙中心均受拉应力、拉应变作用,其基层底面轮隙中心受压应力作用;58,59,60和62为半刚性双基层结构,其中58,59和62结构的下基层、底基层底面轮隙中心受拉应力、拉应变的作用,但其上基层底面轮隙中心受到的是压应力的作用;因此,对于目前普

11、遍采用的半刚性基层路面结构,各结构层底面轮隙中心主要承受拉应力和拉应变的作用,当超过路面材料抗拉强度后会引起结构层层底开裂,从而更易使路面发生早期破坏.#第1期谢军,等:重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析表3联结层、基层及底基层层底水平横向应力应变结果(轮隙中心)58结构#59荷载/kN255080100120150上基层x/MPax/-0.02036-0.04073-0.06516-0.08145-0.09775-0.12220下基层x/MPax/61结构#底基层x/MPax/荷载/kN255080100120150#级碎层x/MPax/-0.0926-0.1853-0.2964-0.37

12、05-0.4446-0.5558-14.87-29.74-47.58-59.48-71.38-89.22上基层x/MPax/x/MPax/底基层x/MPax/2)4,61,不仅可以改善其本身的受计算8种路面结构沥青面层层底在x轴上的水平横向应力,部分结果如图3所示;计算8种结构层底应力、应变最大值及其坐标,部分结果见表4.表4沥青面层层底水平横向应力、应变最大值及坐标荷载/kN25508010012015058结构#61结构x/m#x/MPax/x/MPax/x/m60长沙交通学院学报第23卷#1)由计算结果可知:除61结构在沥青面层层底轮隙中心受水平横向拉应力作用以外,其余结构在沥青面层底部

13、轮隙中心均受到水平横向压应力的作用.说明:对于目前常用的沥青路面结构,沥青层底轮隙中心大多是受压应力的作用,但对于柔性基层加半刚性基层的路面结构,当柔性基层和沥青面层模量差别很大时,在沥青层底轮隙中心受到拉应力的作用,这对于沥青面层受力是不利的.#2)根据表4结果,在不同的荷载作用下,4,24,58,59,60,62结构的沥青层底部所受水平横向#10计算8种路面结构沥青面层层表在x轴上的水平横向应力,部分结果如图4所示;计算8种结构沥青面层层表水平横向应力、应变最大值及其坐标,部分结果见表5.10表5沥青面层层表水平横向应力、应变最大值及坐标荷载/kN25508010012015058结构#6

14、1结构x/m#x/MPa#x/#x/MPax/#x/m1)由计算结果可知:4,24,41结构在路表轮隙中心受到拉应力的作用;61结构在路表轮隙中心受到压应力的作用;58,59,60,62结构的路表轮隙中心应力在荷载为25kN时承受拉应力,但随荷载增大,轮隙中心受到压应力的作用.说明:对于8种典型路面结构(包括半刚性基层和柔性基层沥青路面),当沥青面层厚度较小时(h10cm),路表轮隙中心受拉应力的作用;当沥青面层厚度较大时(h15cm),随着交通荷载的增大,路表轮隙中心主要受压应力的作用.2)对于5861结构,应力、应变最大值作用点均位于轮胎外缘附近,沥青层表面所受水平横向拉#应力、拉应变最大

15、值的位置作用点均位于轮胎外缘附近;而4,24,41,62结构的应力、应变最大值作用点在荷载为25kN时位于轮隙中心位置,随着荷载的增大,应力、应变最大值作用点转移至轮胎外缘附近位置.说明:当路面结构为半刚性基层路面且沥青面层较厚(h15cm)时,路表的应力、应变最大#第1期谢军,等:重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析61值主要在轮胎外侧出现;而当沥青面层较薄(h10cm)或者面层厚度较厚(h15cm)但路面结构型式为柔性基层路面时,应力、应变最大值首先出现在轮隙中心,然后随着荷载增大而转移至轮胎外缘附近位置.计算8种路面结构沥青面层表面最大剪应力及坐标,部分结果见表6.表6沥青面层层表最大剪

16、应力及坐标荷载/kN25508010012015058结构#61结构y/m#max/MPax/mmax/MPax/my/m3333331)由实验结果可以看出:#中,61#要大得多,而4,58,59,60及62.说明:沥#青面层表面的最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,当基层较弱或者沥青层厚度较薄时,路表的最大剪应力也越大.2)从剪应力最大值坐标来看,最大值作用点主要位于轮胎两侧边缘往内0.88cm的位置,如图5所示.5结论1)比较面层及面层以下结构层次的应力、应变结果可知:面层是沥青路面结构受力的最不利位置.2)对于目前普遍采用的半刚性基层路面结构,各结构层底面轮隙中心主要承受拉应力

17、和拉应变的作用;对于柔性基层加半刚性基层路面结构,柔性基层底面轮隙中心承受压应力和压应变的作用.3)目前常用的沥青路面结构层底轮隙中心大多受压应力的作用.沥青层底水平横向拉应力、拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置.4)在双矩形荷载作用下,路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关.同时随着荷载的增大,路表应力最大值作用点在轮缘外缘附近位置出现.1谢军.重载条件下沥青路面疲劳响应及设计方法研究D.上海:同济大学,2006.2黄仰贤.路面分析与设计M.北京:人民交通出版社,1998.3NCHRP.2002DesignGuideZ.Illinois:ARAInc,2003.62长沙交

18、通学院学报第23卷4王旭东.沥青路面材料动力特性与动态参数M.北京:人民交通出版社,2002.5IkedaT,ItohM.ConsiderationonequationsforestimatingtirecontactpressureofalargetruckA.The60AnnualCon2ferenceofJapanSocietyofCivilEngineeringC.Tokyo,Japan:s.n.,1985,5:465-466.6DeBeerM,FisherC,JooseF.Determinationofpneumatictyre/pavementinterfacecontactstr

19、essesundermovingloadsandsomeeffectsonpavementswiththinasphaltsurfacinglayersA.The8C.Seattle,Washington:s.n.,1997:179-226.7钱国平.重载条件下沥青路面结构复杂受力特征及力学响应研究D.上海:同济大学,2004.8陆辉,孙立军,张宏超.非均布轮载作用下沥青路面应力分析J.同济大学学报,2001,29(6):672-676.9胡小弟,孙立军.考虑非均布轮载效应时超载对沥青路面结构的力学影响J.华中科技大学学报(自然科学版),2003,23(2):32-36.10JTJ014-97,沥青路面设计规范S.北京:人民交通出版社,1997.ththInternationalConferenceonAsphaltPavementResearchonmechanicsresponseofasphaltpavementunderheavy2dutyandun2uniformlydistri