鄭元?jiǎng)?，蔡迎春，張亞?/p>

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001;2.鄭州大學(xué)圖書館，河南鄭州450001)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范所采用的設(shè)計(jì)指標(biāo)為雙圓荷載圖式，設(shè)計(jì)參數(shù)的確定為單圓荷載圖式［1－2］，作為現(xiàn)代路面檢測(cè)主流設(shè)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(guān)系，以驗(yàn)證單元均布荷載等效雙圓均布荷載的可行性.早期相關(guān)文獻(xiàn)［3－4］就均質(zhì)體與層狀體兩種情況下單圓和雙圓荷載彎沉盆的關(guān)系進(jìn)行了一定的探討，但研究主要針對(duì)靜載作用下展開，對(duì)動(dòng)載情況下的情形研究不足［3－10］.針對(duì)該研究現(xiàn)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(shù)值模型，并依據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行修正，進(jìn)而研究了動(dòng)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(yàn)設(shè)計(jì)

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(yàn)路段，依據(jù)文獻(xiàn)［1－2］相關(guān)規(guī)定，試驗(yàn)加載情況如表1所示.具體路面結(jié)構(gòu)如表2.

表1 試驗(yàn)加載Tab.1 The loading of experiment

表2 試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)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(guó)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進(jìn)行計(jì)算［1－2，5］，圖1為設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算圖式.

圖1 瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算圖式Fig.1 The design index of calculation graphic for AC pavement

如圖1所示，A點(diǎn)是路表彎沉的計(jì)算點(diǎn)，位于雙圓均布荷載的輪隙中間，驗(yàn)算瀝青混凝土層底部拉應(yīng)力時(shí)，應(yīng)力最大點(diǎn)在B和C兩點(diǎn)之間，層間接觸條件設(shè)定為完全連續(xù)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(cè)點(diǎn)(A、B、C、D、E)彎沉及受力情況，用彈性層狀體系計(jì)算程序BISAR(殼牌)對(duì)雙圓均布荷載下各測(cè)點(diǎn)的彎沉值及受力情況進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖2、3所示.

圖2 雙圓加載作用下各測(cè)點(diǎn)彎沉比較Fig.2 The deflection comparison for AC pavement

圖2為B、C、E 3點(diǎn)處的計(jì)算彎沉值，由圖2可以發(fā)現(xiàn)：在路表處3測(cè)點(diǎn)彎沉值存在一定的差異，究其原因，主要是因?yàn)闉r青路面實(shí)際結(jié)構(gòu)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(shí)際存在一定的差異，因此在路表處3測(cè)點(diǎn)的彎沉值存在一定的差別.但隨著路面深度的增加，各測(cè)點(diǎn)彎沉值之間的差異呈減小趨勢(shì)，在基層及底基層深度處各測(cè)點(diǎn)的彎沉趨于一致.

圖3 雙圓加載作用下各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力比較Fig.3 The stresses comparison for AC pavement

如圖3所示，3個(gè)應(yīng)力中xx(拉應(yīng)力)應(yīng)力最大，因此要作為設(shè)計(jì)時(shí)的控制應(yīng)力.通過(guò)對(duì)比不同測(cè)點(diǎn)下沿路面深度處應(yīng)力變化情況可以發(fā)現(xiàn)：xx、yy應(yīng)力在面層為壓應(yīng)力，隨深度增加，壓應(yīng)力呈逐漸減小的趨勢(shì)，在面層底部附近變?yōu)槔瓚?yīng)力，并隨深度的增加在上、下基層交界處達(dá)到最大值，然后隨深度的繼續(xù)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(yīng)力)應(yīng)力應(yīng)作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制應(yīng)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(jì)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(cè)點(diǎn)為單圓圓心和雙圓圓心距中心處，計(jì)算結(jié)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(jì)算彎沉大于雙圓均布荷載作用下的計(jì)算彎沉，隨著距加載中心處距離及結(jié)構(gòu)深度的增加，單、雙圓荷載作用下的彎沉及應(yīng)力變化趨勢(shì)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(yīng)力除在路表處存在一定的差異外，隨路面結(jié)構(gòu)深度增加，變化趨勢(shì)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(tài)，該現(xiàn)象說(shuō)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(duì)路面強(qiáng)度及受力性能進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)是科學(xué)的.

2.3 瀝青路面在單圓荷載和雙圓荷載動(dòng)力加載下力學(xué)性能比較

利用ANSYS有限元軟件建立試驗(yàn)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(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行建模，該單元能夠較好地模擬瀝青混凝土和土體的力學(xué)性能.

首先利用實(shí)測(cè)彎沉及受力值驗(yàn)證了數(shù)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(dòng)態(tài)加載下的受力變化情況，對(duì)于模擬車輛的動(dòng)載，采用階躍載荷進(jìn)行加載.施加于一個(gè)當(dāng)量車輪面積上的輪載持續(xù)時(shí)間為t=0.213/V，V表示車輛行駛速度.以車速為 60 km/h時(shí)的情況進(jìn)行比較，分析結(jié)果如圖6、圖7所示［10］.

與靜力加載相似，動(dòng)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(diǎn)處存在一定的差異外(25%)，變化趨勢(shì)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(dòng)力加載下沿瀝青路面結(jié)構(gòu)深度方向的彎沉及應(yīng)力除在路表處存在一定的差異外，隨路面結(jié)構(gòu)深度的增加，彎沉及應(yīng)力變化趨勢(shì)和大小均趨于一致.再次驗(yàn)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(dòng)落錘式動(dòng)態(tài)彎沉檢測(cè)設(shè)備FWD利用單圓均布加載等效雙圓均布加載進(jìn)行路面彎沉檢測(cè)是科學(xué)合理的.

3 結(jié)論

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

(2)利用有限元模型對(duì)單、雙圓動(dòng)態(tài)加載作用下瀝青路面受力性能研究發(fā)現(xiàn)：同靜力加載相似，兩者僅在加載點(diǎn)附近(由于應(yīng)力集中現(xiàn)象)存在一定的差異外，基本吻合較好.

(3)研究結(jié)果驗(yàn)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(jìn)行設(shè)計(jì)及相關(guān)檢測(cè)是科學(xué)合理的.

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