重荷載作用下瀝青路面路基受力分析

程玲

（景德鎮市公路事業發展中心珠山分中心，江西 景德鎮 333400）

0 引言

近年來交通運輸車輛中大型重載貨車越來越多，對道路的負擔越來越重，經過調查發現在重荷載作用下的瀝青路面出現了不同程度的車轍、裂縫及坑槽等病害現象，嚴重的甚至影響到路基結構[1]，對道路的使用壽命產生了不利的影響，也威脅到了行車的安全。

為此本文在現有研究成果的基礎上，對重荷載作用下常見的路面病害進行分析，并通過實際工程案例借助有限元軟件建立模型進行研究。

1 病害分析

1.1 車轍病害

車轍病害產生的原因主要是在重荷載的長期作用下，在路面上形成的輪跡凹槽，車轍病害的發展可由最開始路面的被動密實，這里的被動密實是指原路面中的集料在超負荷的荷載作用下被壓實擠密，造成瀝青混合料出現不均勻的分布，產生流動，最終導致骨架被破壞，從而出現車轍現象。車轍現象出現的主要原因是荷載作用，但若瀝青混合料的配合比設計不合理，或者施工時對施工質量把控不到位，也容易導致使用后期產生車轍現象[2-3]。

1.2 裂縫病害

裂縫[4-5]是一種常見的病害，該病害對路面結構的危害性較小，但若長期不進行修復，小裂縫也會不斷擴大延伸，變成大裂縫從而影響結構及行車安全。根據產生的原因裂縫可分為荷載裂縫和非荷載裂縫。荷載裂縫產生最主要的原因就是重荷載的作用，使得原設計路面不能承受上部荷載，開始時路面的強度及剛度被破壞產生短而淺的裂縫，隨著荷載的不斷持續作用，裂縫逐漸加深加大，最后深至道路的路基結構層，對其產生破壞。而非荷載裂縫主要是由于天氣和溫度而產生的，晝夜溫差的變化，導致瀝青混合料收縮與膨脹不斷變化，從而在路面面層出現較大的剪應力，導致裂縫產生。

1.3 坑槽病害

坑槽病害的產生主要是水導致的，這種病害是在車轍及裂縫病害的基礎上，再加上雨水或積水的作用，導致瀝青與集料的黏附性下降，再加上重荷載的反復作用，加快了瀝青的脫落，從而在路面形成大的坑槽[6]。

2 瀝青路面結構有限元分析

2.1 工程概況

某高速公路，試驗段的路線全長為88.5km，道路的路基寬度為24.5m，道路為雙向四車道，設計行車速度為80km/h，本地區的年平均氣溫約為13.5℃，最低氣溫約5℃，最高氣溫約19.5℃，年平均降水量為995mm。在該道路上行駛的車輛大貨車約占23%，集裝箱車占0.5%，中貨車約占33%，小貨車約占4%，小客車約占27%，大客車約占12.5%。由此可見在該道路上行駛的大貨車占比第二，加上本地區降水量較大，道路所的負擔較為嚴重。

2.2 有限元軟件簡介

ANSYS[7]有限元軟件計算功能強大，操作方便，其分析的流程一般從前處理模塊的幾何建模、材料指定、單元類型指定、網格劃分、邊界條件的設置及荷載的施加，再到分析模塊的求解，最后到后處理模塊的結果查看。

2.3 有限元模型建立

本文根據實際的工程建立三維有限元模型，模型中的路面結構層與實際相同，具體如圖1所示。本次所建立的模型長度為5m，寬度為5m，高度為2m，模型中兩邊設置為橫向的約束，頂面不設置約束，底面設置為完全約束，同時對不同的路面各層采用完全連續的連接，只有基層與面層直接采用半連續連接。

圖1 路面結構層

2.4 有限元模型基本假定

（1）假定當行車荷載作用在瀝青路面面層時，在道路深處及水平方向遠處均不產生應力，并且不發生變形。

（2）假定模型中各個結構層的厚度是有限的，但是長度是無限的。

（3）假定模型中各個結構層所設置材料的彈性模量與泊松比均相同。

（4）假定模型中各個結構層的接觸狀態為完全連續的狀態，只有基層與面層之間采用半連續狀態。

2.5 荷載的取值

為對重荷載作用下的道路路基受力性能進行分析，本文采用不同的荷載設計值進行加載模擬，因為路基是在路面結構下一定的深度處，因為當上部荷載作用下路面時，傳至路基的荷載將會減小，并且從路基頂到路基以下受荷載作用較小，存在一個作用區，該作用區是路基結構的主要受力區。在重荷載作用下路基工作區的劃分主要是看路基在荷載作用下屈服強度不屈服的范圍，因此轉變為研究在重荷載作用下路基土體不屈服的范圍，根據研究表明路基土體的屈服強度與路基土體的壓實度有關系，當土體的壓實度越大時其屈服強度將會越大，并且還與土體的深度有關，因此可以通過土體中各深度的圍壓值來間接計算土體的屈服強度，如下公式所示：

式（1）中：K0為土的側壓力系數；Z為深度計算點距路面的深度（m）；γ為重度（kN/m3）。

本文分別取0.9MPa,1.1MPa,1.3MPa及1.5MPa四組荷載值進行模擬計算，不同的荷載作用下路基的工作區深度也不同，各組荷載作用下對應的路基工作區深度分別為2.5m,3.5m,4.0m及4.5m。

2.6 循環重荷載作用下路基土的變形分析

在反復的循環重荷載作用下，路基土的變形可以分為兩種，一種是可以恢復的彈性變形，另外一種是長時間累積產生的塑性變形，塑性變形會隨著時間的增加而不斷增加[8]，如圖2所示。

圖2 路基長期荷載作用下的路基變形曲線

對于路基土體塑性變形的計算可以采用經驗擬合法，該方法是通過循環的三軸試驗或者根據現場的實測數據，建立擬合公式進行求解，另外還可以通過建立本構模型，通過積分來模擬循環加載的過程從而得到累積變形[9]。本文根據現有的研究成果[10-11]，對Li和Seling兩位學者提出的經驗公式進行修正，采用該修正的公式來計算路基土體的累積變形，如（2）所示，其中土體的破壞強度可以根據三軸壓縮試驗確定，其破壞時的破壞強度與土體的壓實度有關系，當壓實度越大時土體破壞時的破壞強度將會越大。

式（2）中：εp為土體的塑性累積變形；α,m,b分別為材料的參數；σf為土體的破壞強度（kPa）；σd為土體受到的動應力（kN）。

3 有限元模擬結果分析

本文采用ANSYS有限元軟件對不同荷載作用下路基土體的動應力進行模擬，得到不同荷載作用下的動應力云圖，具體如圖3所示。

圖3 不同荷載作用下的動應力云圖

從圖3中可以看出，隨著路基上作用荷載的增大，路基土體的動應力在逐漸增大。為得到具體的規律，本文對不同荷載及不同壓實度下路基塑性變形進行具體的分析，結果見表1。

表1 不同荷載及不同壓實度作用下路基塑性變形結果統計

表1 （續）

從表1中可以發現，隨著路面作用荷載的增加，會使得應變逐漸增大，從而導致路基變形不斷增加，進而導致路基被破壞。尤其是在重荷載的作用下，若路基出現下沉而不及時處理，將會導致道路損壞。

4 結語

本文通過分析常見瀝青路面病害的產生原因，基于實際的工程案例，借助有限元軟件對瀝青道路路基在重荷載作用下的受力及變形沉降進行分析，發現當路面作用荷載增加，會使得應變逐漸增大，從而導致路基變形不斷增加；并且發現土體的壓實度越大對路基越安全。