超載對(duì)瀝青路面最大剪應(yīng)力影響的三維有限元分析

       摘要：據(jù)調(diào)查，汽車超載在發(fā)展中國(guó)家是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，特別是在我國(guó)公路上這種現(xiàn)象更加普遍，這將對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很不利的影響。本文采用三維有限元分析方法,分析了半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同的超載量情形下最大剪應(yīng)力。

　　關(guān)鍵字：最大剪應(yīng)力；超載；有限元；瀝青路面

　　瀝青路面結(jié)構(gòu)實(shí)際上是三維的工程構(gòu)造物，承受移動(dòng)的汽車荷載,結(jié)合當(dāng)時(shí)路面實(shí)際交通軸載大小以及計(jì)算手段，工程中取標(biāo)準(zhǔn)軸載并編制諾謨圖進(jìn)行計(jì)算，隨著計(jì)算水平的提高和計(jì)算工具的多樣化，東南大學(xué)等單位編制了程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，極大地方便了設(shè)計(jì)。但是隨著交通軸載地增加，路面出現(xiàn)車轍、推移等剪切破壞越來(lái)越嚴(yán)重，以至于越來(lái)越多的科研單位開(kāi)始關(guān)注瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力，傳統(tǒng)地計(jì)算方法已經(jīng)不能很方便地得到不同軸載作用下瀝青路面的最大剪應(yīng)力，三維有限元方法恰恰能夠很便利地解決目前的困境。

　　1、最大剪應(yīng)力與車轍的關(guān)系

　　在我國(guó)，車轍是半剛性基層瀝青路面的常見(jiàn)病害之一。車轍的出現(xiàn)直接影響駕駛員行車安全，降低路面的抗滑能力，在雨后會(huì)使轍槽內(nèi)積水而致使車輛行使時(shí)發(fā)生飄滑，冬季更會(huì)由于積水而導(dǎo)致路面結(jié)冰。車轍產(chǎn)生直接導(dǎo)致影響路面的平整度下降，導(dǎo)致路面受力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中，削弱了面層及路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，從而引發(fā)其他病害。因此，車轍嚴(yán)重影響了半剛性基層瀝青路面的服務(wù)質(zhì)量和使用壽命。

　　瀝青路面的車轍主要分為三類，即磨耗型車轍、壓密型車轍、失穩(wěn)型車轍。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前我國(guó)高速公路半剛性基層瀝青路面出現(xiàn)的車轍基本上都屬于失穩(wěn)型車轍。失穩(wěn)性車轍是指在高溫季節(jié)，半剛性基層瀝青路面在車輪荷載的作用下，當(dāng)瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力大于瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，輪跡帶范圍內(nèi)的瀝青混凝土產(chǎn)生側(cè)向剪切流動(dòng)變形，輪跡處產(chǎn)生下凹，同時(shí)兩側(cè)瀝青混凝土鼓起的現(xiàn)象。對(duì)于失穩(wěn)型車轍，最重要的影響因素是在高溫條件下，由荷載引起的瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力。當(dāng)發(fā)生失穩(wěn)型車轍時(shí)，在半剛性基層瀝青路面面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力峰值分布區(qū)域(即沿路面豎向面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力值最大的深度位置區(qū)域)，必然首先發(fā)生剪切流動(dòng)變形，因?yàn)槊鎸舆@一區(qū)域內(nèi)的高溫剪應(yīng)力最容易大于瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度。

　　2、路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型的建立

　　2.1計(jì)算參數(shù)

　　目前國(guó)內(nèi)高速公路的路面主要形式是半剛性基層瀝青混凝土路面，故本文選用某一半剛性基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)各層的厚度、回彈模量和泊松比見(jiàn)表1。

　　表1半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　2.2荷載分布

　　垂直荷載為雙圓垂直均布荷載,當(dāng)量圓半徑δ為10.65cm，兩輪的圓心間距3δ為31.95cm，如下圖所示。當(dāng)該垂直荷載作用壓強(qiáng)為0.7MPa時(shí)，該荷載為我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)采用的標(biāo)準(zhǔn)荷載。當(dāng)垂直荷載的壓強(qiáng)增至1MPa、1.3Mpa時(shí)，即分別代表超載超載43％、超載86％時(shí)的情形。

　　2.3有限元模型

　　路面結(jié)構(gòu)模型采用線彈性計(jì)算模型8結(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行瀝青面層內(nèi)最大剪應(yīng)力分析,瀝青層和半剛性基層層間接觸狀態(tài)為完全連續(xù)。邊界條件假設(shè)為:底面固定,左右兩面沒(méi)有x方向位移,前后兩側(cè)沒(méi)有y方向位移,選用表1的路面結(jié)構(gòu),有限元建立的路面結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。該模型x為道路橫斷面方向，y為行車方向，z道路深度方向。x－y平面上，荷載作用處單元尺寸為5.325cm，遠(yuǎn)離荷載作用區(qū)域單元尺寸從20－50cm逐漸過(guò)渡。網(wǎng)格劃分圖如圖3所示。

　　3、最大剪應(yīng)力計(jì)算

　　計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載作用下瀝青面層內(nèi)部最大剪應(yīng)力的分布見(jiàn)表2和圖4所示：

　　4、結(jié)果分析

　�。�1）無(wú)論是在超載還是在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，瀝青面層內(nèi)2-7cm范圍內(nèi)為剪應(yīng)力相對(duì)較大，為最大剪應(yīng)力分布區(qū)。

　�。�2）隨著垂直荷載的增加，瀝青面層最大剪應(yīng)力呈線性增大，荷載是1.0MPa和1.3MPa時(shí)的最大剪應(yīng)力分別是標(biāo)準(zhǔn)荷載的1.43倍和1.86倍，呈線性變化。

　�。�3）隨著垂直荷載的增加，瀝青路面最大剪應(yīng)力的出現(xiàn)的深度基本不變，但是影響范圍更大。因此，在超載作用下瀝青面層將相當(dāng)多的位置處于高應(yīng)力狀態(tài)，使薄弱處的應(yīng)力集中更嚴(yán)重。根據(jù)疲勞破壞的原理，超載會(huì)顯著減少路面結(jié)構(gòu)的疲勞次數(shù)，使瀝青路面過(guò)早出現(xiàn)車轍和推移破壞。

　　5、結(jié)論

　　在以往的瀝青路面力學(xué)計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用路表彎沉和層底彎拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。路表彎沉是一個(gè)綜合性指標(biāo)，反映的是路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和剛度，不能準(zhǔn)確地反映瀝青路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況和抵抗破壞的強(qiáng)弱程度。層底彎拉應(yīng)力的主要作用是防止相應(yīng)結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)疲勞開(kāi)裂。因此，這兩項(xiàng)指標(biāo)都不能較好地評(píng)價(jià)和防止車轍破壞的產(chǎn)生。隨著超載的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)車轍推移破壞越來(lái)越嚴(yán)重，規(guī)范中應(yīng)該考慮采取剪應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)或驗(yàn)算，并開(kāi)展剪切疲勞破壞試驗(yàn)，以減少車轍對(duì)瀝青路面的危害，以達(dá)到提高路面服務(wù)性能和使用壽命的目的。

　　

　　參考文獻(xiàn)：

　　1.沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防措施.北京:人民交通出版社,2001

　　2.張登良.瀝青路面.北京:人民交通出版社,2000

　　3.彭余華，沙愛(ài)民，廖志高.車轍試驗(yàn)的影響因素分析研究.中外公路.2005.02

　　4.劉朝暉等.汽車超載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響分析.長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào).1999，(9)