單雙圓荷載作用下瀝青路面受力特性對比研究

鄭元勛，蔡迎春，張亞敏

(1.鄭州大學水利與環境學院，河南鄭州450001;2.鄭州大學圖書館，河南鄭州450001)

0 引言

我國現行規范所采用的設計指標為雙圓荷載圖式，設計參數的確定為單圓荷載圖式［1－2］，作為現代路面檢測主流設備的落錘式彎沉儀也是單圓加載，因此有必要研究單圓和雙圓荷載作用下路面受力及彎沉之間的相互關系，以驗證單元均布荷載等效雙圓均布荷載的可行性.早期相關文獻［3－4］就均質體與層狀體兩種情況下單圓和雙圓荷載彎沉盆的關系進行了一定的探討，但研究主要針對靜載作用下展開，對動載情況下的情形研究不足［3－10］.針對該研究現狀，筆者首先研究基于彈性層狀理論的單、雙圓均布荷載作用下瀝青路面受力及變形特性，然后基于有限元軟件ANSYS建立路面三維數值模型，并依據實測數據對其進行修正，進而研究了動力加載情況下單圓和雙圓均布荷載作用下瀝青路面受力性能的異同.

1 試驗設計

為研究單、雙圓均布荷載作用下瀝青路面受力特性的異同，選取一條典型半剛性基層瀝青路面作為試驗路段，依據文獻［1－2］相關規定，試驗加載情況如表1所示.具體路面結構如表2.

表1 試驗加載Tab.1 The loading of experiment

表2 試驗路段結構Tab.2 The structures of experiment pavement

2 單、雙圓荷載下瀝青路面受力特性比較

2.1 雙圓均布荷載下瀝青路面彎沉及受力分析

我國路面結構設計采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續體系理論進行計算［1－2，5］，圖1為設計指標計算圖式.

圖1 瀝青路面設計指標計算圖式Fig.1 The design index of calculation graphic for AC pavement

如圖1所示，A點是路表彎沉的計算點，位于雙圓均布荷載的輪隙中間，驗算瀝青混凝土層底部拉應力時，應力最大點在B和C兩點之間，層間接觸條件設定為完全連續體系.為了比較彈性層狀體系下雙圓均布荷載瀝青路面各測點(A、B、C、D、E)彎沉及受力情況，用彈性層狀體系計算程序BISAR(殼牌)對雙圓均布荷載下各測點的彎沉值及受力情況進行計算，結果如圖2、3所示.

圖2 雙圓加載作用下各測點彎沉比較Fig.2 The deflection comparison for AC pavement

圖2為B、C、E 3點處的計算彎沉值，由圖2可以發現：在路表處3測點彎沉值存在一定的差異，究其原因，主要是因為瀝青路面實際結構形式與彈性層狀理論存在一定差異，且荷載加載接觸形式也與實際存在一定的差異，因此在路表處3測點的彎沉值存在一定的差別.但隨著路面深度的增加，各測點彎沉值之間的差異呈減小趨勢，在基層及底基層深度處各測點的彎沉趨于一致.

圖3 雙圓加載作用下各測點應力比較Fig.3 The stresses comparison for AC pavement

如圖3所示，3個應力中xx(拉應力)應力最大，因此要作為設計時的控制應力.通過對比不同測點下沿路面深度處應力變化情況可以發現：xx、yy應力在面層為壓應力，隨深度增加，壓應力呈逐漸減小的趨勢，在面層底部附近變為拉應力，并隨深度的增加在上、下基層交界處達到最大值，然后隨深度的繼續增加而逐漸減少，在一定深度處減少至零.因此，上、下層交界處的xx(拉應力)應力應作為路面結構設計的控制應力.

2.2 基于彈性層狀理論的單雙圓均布荷載作用下瀝青路面受力性能比較

為了研究雙圓均布荷載和等效單圓均布荷載作用下瀝青路面受力性能的差異，用BISAR程序(殼牌)計算雙圓加載和單圓加載情況下瀝青路面的變形及受力性能，比較測點為單圓圓心和雙圓圓心距中心處，計算結果如圖4、圖5所示.

圖4顯示，在路表處單圓均布荷載作用下的路面計算彎沉大于雙圓均布荷載作用下的計算彎沉，隨著距加載中心處距離及結構深度的增加，單、雙圓荷載作用下的彎沉及應力變化趨勢和大、小趨于相同.

由圖5可以看出，與彎沉值相似，瀝青路面在單、雙圓均布荷載作用下的應力除在路表處存在一定的差異外，隨路面結構深度增加，變化趨勢及大小趨于一致，如單圓和雙圓均荷載作用下瀝青路面均在25 cm深度處呈受拉狀態，該現象說明用單元均布荷載等效雙圓均布荷載是可行的，利用重力式落錘彎沉儀(FWD)對路面強度及受力性能進行檢測和評價是科學的.

2.3 瀝青路面在單圓荷載和雙圓荷載動力加載下力學性能比較

利用ANSYS有限元軟件建立試驗路段的三維有限元模型，模型尺寸9.300 m×5.235 m×2.500 m，筆者選取SOLID45八節點實體單元進行建模，該單元能夠較好地模擬瀝青混凝土和土體的力學性能.

首先利用實測彎沉及受力值驗證了數值模型，然后基于有限元模型分別分析了瀝青路面在單、雙圓荷載動態加載下的受力變化情況，對于模擬車輛的動載，采用階躍載荷進行加載.施加于一個當量車輪面積上的輪載持續時間為t=0.213/V，V表示車輛行駛速度.以車速為 60 km/h時的情況進行比較，分析結果如圖6、圖7所示［10］.

與靜力加載相似，動力加載下瀝青路面在單、圓均布荷載和雙圓均布荷載下沿水平方向彎沉值除在加載點處存在一定的差異外(25%)，變化趨勢和大小趨于相同.

同理，與靜力加載相似，瀝青路面在單、雙圓均布荷載動力加載下沿瀝青路面結構深度方向的彎沉及應力除在路表處存在一定的差異外，隨路面結構深度的增加，彎沉及應力變化趨勢和大小均趨于一致.再次驗證了用單元均布荷載等效雙圓均布荷載是可行的，這亦證明自動落錘式動態彎沉檢測設備FWD利用單圓均布加載等效雙圓均布加載進行路面彎沉檢測是科學合理的.

3 結論

(1)基于彈性層狀理論的計算結果表明，瀝青路面在單、雙圓均布荷載靜力加載下的應力及彎沉值僅在加載點附近存在一定的差異，隨結構層深度的增加，彎沉及應力值的變化趨勢及數值大小相近.

(2)利用有限元模型對單、雙圓動態加載作用下瀝青路面受力性能研究發現：同靜力加載相似，兩者僅在加載點附近(由于應力集中現象)存在一定的差異外，基本吻合較好.

(3)研究結果驗證了用單元均布荷載等效雙圓均布荷載的有效性，表明用單圓均布荷載等效雙圓均布荷載進行設計及相關檢測是科學合理的.

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