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分析超载对沥青路面结构力学的影响

发布时间:2014-07-27 16:07

  摘要:针对我国目前普遍存在的超载现象,考虑了面基层间接触,利用bisar3.0 对路表弯沉、面层层底弯拉应力、和土基顶变进行了计算,结果表明,不同的超载率对路面结构力学响应有很大的影响,而层间接触条件的逐步恶化又加剧了超载对路面的损害效应。
  由于我国的高等级路面结构绝大部分为半刚性基层沥青路面,在设计时只考虑层间完全连续的接触条件,然而实际上沥青面层与半刚性基层的模量比较小,导致沥青路面在车辆的垂直荷载和水平荷载综合作用下,基层与面层之间产生很大的剪应力,而在超载情况下,层间剪应力非常大,有可能超过层间抗剪强度而出现层间剪切滑移破坏,使得基面层层间接触总是介于完全连续与完全滑动之间, 这就造成沥青路面的层间工作状态与理论设计的工作状态并不一致的,降低了路面结构层在荷载作用下的整体性,并逐步演化为路面的早期病害现象。本文基于我国普遍存在的超载问题,考虑沥青面层与基层间的接触状态的不同,利用弹性层状理论分析沥青路面结构在超载及层间状态不同时的力学变化。
  1分析方法
  我国沥青路面设计方法使用的标准荷载图示是双轮双圆,圆中心距等于3倍接地半径,接地压力0.7Mpa的标准荷载,根据研究,此标准图示并不能代表超载、重载车辆对路面的作用,随着轴重的增加,轮胎接地面积和接地半径也会随之增加,但车辆本身的构造决定着轮胎间距是一定的,即双轮荷载圆中心距离是不变的,而且超载车辆多采用高强轮胎以便降低行车阻力,使得轮胎压力普遍超过0.7Mpa[2-3],因此在对超载现象研究时,如果只假定轴重提高而轮胎压力不变来进行分析,或是将轴重和轮压之间的关系隔离分布研究,与实际情况也是不符合的。
  按文献 对标准荷载图示进行改进。由于轮压、接地半径均发生了变化,无法确定两者之间的具体值,对于轴载、轮压、接地半径的关系,比较常见是H-K方法和比利时算法,文献4对两种方法进行了研究对比,发现利用两种计算模型计算的荷载半径差别很小,认为两种方法计算出的结果是等效的,在重载轮胎接地压强分布方面,很多学者也进行了诸多研究,认为轮载作用力大小及分布是十分复杂的,考虑了非均布荷载作用下的重载沥青路面响应,并建议对轮迹的形式进行修正,但正因为其复杂性,对其修正也是近似计算的一种,且复杂性大大增加,故本文仍将轮迹简化成双当量圆,假定轮载均匀分布在圆面积上,通过计算便可求的接地压力和荷载圆当量半径。
  采用BISAR3.0 程序来分析超载情况下,沥青面层内部的应力变化,并对层间的接触状态进行不同的设置,bisar中为了解决层间接触问题,引入了剪切弹性柔量(spring compliance)概念,笔耕文化传播,将两层分界面看成无限薄的内层,它的强度就用弹性柔量来表示,简化的剪切弹性模量即为ALK,通过对ALK赋予不同的值,使得滑移系数a在0~1之间变化,可得到不同的层间接触。
  2 参数取值
  本文选取我国高等级公路常用的半刚性基层沥青路面结构,其结构参数见表1,
  表 1 沥青路面结构及参数
  路面结构层位模量(MPa)厚度(cm)泊松比
  沥青混凝土面层1200150.25
  水泥稳定碎石基层1500300.25
  水泥稳定碎石底基层1200200.25
  土基40—0.35
  选取轴载为100,120,140,160,180,200N来分别模拟不同程度的超载情况,按比利时方法计算的轴重、轮压与轮胎接地面积 及荷载圆半径如表2 所示:
  表-2 轴重与轮压,接地面积关系
  轴重P(kN)100120140160180200220
  接地面积A(cm2)356392432472512552592
  轮压p(MPa)0.7070.7650.8100.8470.8790.9060.929
  荷载圆半径δ(cm)1 0.6511.1711.7312.2612.7713.2613.73
  滑移系数a取0,0.25,0.5,0.75,0.99,来模拟层间接触状态由连续到完全滑移的五个水平,此时应该注意由于当量圆荷载半径的变化对滑移系数的影响。
  3计算结果分析
  3.1超载对路表弯沉影响
  图1 超载率与路表弯沉增幅关系
  路表弯沉表征路面整体结构在行车荷载重复作用下的竖向位移量,从图1 中可以看出,不论层间接触状体如何,路表弯沉随着超载率的增加而增加,其增幅几乎是线性分布,这说明车辆超载对路面弯沉的影响是非常越明显的,而且从数据上也可看出,超载率100%时,路表弯沉均达到或超过了标准荷载时路表弯沉的100%,由于半刚性基层沥青路面的车辙及路面总变形大部分是由沥青面层提供的,故由路表弯沉随车辙的增加的规律,可知沥青路面在超载的作用下面层的变形也是不断的增加的,这就要求在路面设计的时候,特别要考虑超载对沥青路面的车辙及路面变形的影响。同时计算发现在不同的层间状态,路表弯沉增加的幅度也是不同的,对曲线拟合比较,发现面基层间状态由连续到完全光滑时,曲线的斜率越来越大,表明随着层间接触条件的逐步恶化,超载现象对路表弯沉的影响越来越剧烈。有图可知,当层间处于完全滑移状态时,路表弯沉值普遍大于层间其他状态,且其曲线斜率也是非常高的,而当层间接触处于其他状态时,路表弯沉的增幅随层间状态的变化增长并不显着,这说明只有面基层处于完全滑移时,行车荷载对路表弯沉值才有非常显着的作用效果,而当层间状态处于部分接触时,行车荷载对路表弯沉影响并因层间状态的不同而有所区别。由于沥青面层与半刚性基层存在材料的差异,以及施工因素和环境因素的影响,面基层之间很难达到完全的连续,从上文分析,只要面基层间不是完全滑移,路表弯沉在同一荷载下受层间状态的变化并不显着,这说明路表弯沉应该是一项整体性、综合性、和表观性的指标,不能用其定量反映沥青路面结构层的接触状态。
  3.2超载对沥青面层层底拉应力影响
  图2 超载率与面层层底拉应变变化率关系
  我国现行规范对沥青路面进行设计时,要求对沥青路面面层层底进行拉应力验算,以免其拉应力超过沥青材料的抗拉强度而发生破坏,本文以标准荷载和层间完全接触时的沥青面层层底拉应力为参考,计算超载及其他层间接触时面层层底拉应力的变化率。从图2中可以看出,沥青面层层底拉应力受轴载作用非常明显,当超载率为100%时,层底拉应力的增幅超过了100%,可见超载现象对沥青面层的拉裂破坏非常严重,从图中也可知,当沥青面基层间接触变为完全滑移时,沥青面层层底拉应力变化明显,且变化的幅度也越来越大,根据沥青混凝土材料的疲劳方程,当层间接触光滑时,沥青面层的疲劳寿命将会有几何级数的降低,可见,层间接触条件对路面的寿命有很大的影响。特别是在超载超压的情况下,如果面基层间的接触条件不好,在外界环境因素的影响下,沥青路面极易出现早期破坏。
  3.3超载对路基顶变的影响
  图3 超载率与路基顶变的关系
  对于半刚性基层,路面车辙及路面变形主要是沥青路面面层提供的,基层及路基的变形量很小,但是在车辆荷载作用下,路基顶部也有着不同程度的增加,以标准荷载和层间完全接触时的路基顶变为参考,计算不同荷载和不同层间接触条件时,路基顶变的变化率,从图3中可看出,随着超载率的增加,路基顶的变形量也逐步增加,其变化规律呈线性分布,当超载率为100%时,层间不同状态下,路基顶部变形幅度均很大,几乎接近100%,这说明路基顶应变对轴载特别是超载是非常敏感的。从路基顶变的值来看,当层间接触状态处于完全滑移时,路基顶压应变的值较之其他层间状态有明显的降低,因为当层间有部分连续时,路基顶部受到正应力比较大,当层间趋于光滑时,面层与基层之间的拉应力逐渐变大,剪应力也随着增大,而传递到路基顶部即是压应力和压应变逐渐变小。沥青面基层的接触条件直接关系到路基的稳定性。从路基顶变规律可以看出,当层间开始滑移时,应力的传递变得复杂,路面结构的整体性破坏,路基顶部受到压应力和拉应力的综合作用,从结果分析看,路基顶压应变对超载更为敏感。路基在沥青路面结构中主要承受由路面传递下来的行车荷载,国内外的许多研究都表明,只要路基在使用过程中保持良好的工作状态,就能确保整个路面结构的稳定性,如果路基变形过大,故在半刚性基层沥青路面施工过程中,为了确保路基的强度及稳定性,应在基层与面层之间喷洒粘层油。

 



本文编号:7012

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