鐘珊群

（深圳國(guó)際控股有限公司，廣東 深圳　518040）

瀝青路面大中修結(jié)構(gòu)極限荷載分析研究

鐘珊群

（深圳國(guó)際控股有限公司，廣東 深圳518040）

我國(guó)大批道路進(jìn)入大中修時(shí)期，高速公路大中修設(shè)計(jì)已成為道路養(yǎng)護(hù)部門(mén)面臨的重要問(wèn)題。由于高速公路行車(chē)速度較高，大中修設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮移動(dòng)荷載作用的影響?；诼访娼Y(jié)構(gòu)安定理論，應(yīng)用有限元模擬高速公路路面大中修結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下達(dá)到塑性破壞時(shí)的極限荷載，并計(jì)算不同行車(chē)速度下不同參數(shù)對(duì)路面大中修結(jié)構(gòu)極限荷載的影響程度。從整體上看，路面結(jié)構(gòu)厚度對(duì)大中修結(jié)構(gòu)極限荷載的影響大于模量的影響，舊銑刨料作為大中修結(jié)構(gòu)層對(duì)極限荷載的影響要大于其他結(jié)構(gòu)層。

瀝青路面；大中修；安定理論；塑性破壞；極限荷載

0　引言

路面結(jié)構(gòu)承載力分析是道路研究工作中一個(gè)基本問(wèn)題，許多道路研究者針對(duì)此問(wèn)題給出了不同的分析方法，但多是基于臨界應(yīng)變累積的半力學(xué)法和彈性理論方法，并將道路荷載化為靜力荷載來(lái)計(jì)算。在實(shí)際交通環(huán)境下，路面結(jié)構(gòu)承受的是變值荷載作用，故將變值荷載簡(jiǎn)化為靜力荷載不符合實(shí)際情況，并且會(huì)出現(xiàn)較大的偏差。顯然，使用常規(guī)的極限荷載分析方法不能準(zhǔn)確模擬荷載變化的循環(huán)特性。鑒于路面及路基材料的復(fù)雜特性和結(jié)構(gòu)所承受荷載的交變循環(huán)特性，需要一種更加準(zhǔn)確的路面結(jié)構(gòu)承載能力分析方法。

Melan于1938年提出了經(jīng)典靜力安定定理，Koiter在1956年提出了機(jī)動(dòng)安定定理。安定定理發(fā)展至今，在許多領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在對(duì)路面進(jìn)行安定性分析時(shí)，采用循環(huán)荷載的加載方式，能夠較為準(zhǔn)確的反映路面結(jié)構(gòu)的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全程度［1］。故將安定理論作為分析和研究在復(fù)雜荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)的方法，能彌補(bǔ)當(dāng)前彈性理論和經(jīng)驗(yàn)方法的不足［2］。

路面大中修結(jié)構(gòu)的使用壽命與其可承受的極限荷載大小直接相關(guān)［3］。本文將安定理論應(yīng)用于大中修路面結(jié)構(gòu)極限荷載分析中，主要研究了大中修路面結(jié)構(gòu)在重復(fù)車(chē)輛荷載作用下的安定狀態(tài)；計(jì)算在不同行車(chē)速度反復(fù)作用下，路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)大中修結(jié)構(gòu)達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)的極限荷載影響程度。

2　瀝青路面大中修結(jié)構(gòu)安定性分析

安定性指的是在復(fù)雜加載條件下，結(jié)構(gòu)的塑性變形使殘余應(yīng)力緩慢改變，應(yīng)力場(chǎng)重新分布，最終形成有利于結(jié)構(gòu)承載的殘余應(yīng)力場(chǎng)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到安定狀態(tài)，并在不斷的循環(huán)荷載作用下處于完全彈性狀態(tài)，整體上達(dá)到一種穩(wěn)定的極限狀態(tài)［4］。

在實(shí)際道路環(huán)境中，路面結(jié)構(gòu)承受車(chē)輛的重復(fù)荷載作用，為了更好的模擬路面結(jié)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行安定性分析時(shí)，采用循環(huán)荷載的加載方式［5］。引入廣義荷載Гa（t），一個(gè)周期T為的循環(huán)加載過(guò)程為：

式中：Гa（t）為廣義荷載函數(shù)；Г（t）為施加荷載函數(shù)；T為荷載周期。

式（1）對(duì)路面結(jié)構(gòu)的加載過(guò)程進(jìn)行了排序，t是隨時(shí)間單調(diào)增加的任意變量，周期T無(wú)需嚴(yán)格與真實(shí)時(shí)間相關(guān)聯(lián)。運(yùn)用安定理論分析大中修路面結(jié)構(gòu)極限荷載時(shí)，采用的循環(huán)加載方式如圖1所示。圖1為結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載下的閉合荷載路徑及安定狀態(tài)下的屈服面特性。

3　高速公路大中修典型結(jié)構(gòu)形式

調(diào)查分析目前國(guó)內(nèi)常用的路面大中修技術(shù)，并結(jié)合我國(guó)高速公路病害的主要發(fā)生層位，根據(jù)舊路的破壞程度的不同，可將我國(guó)高速公路大中修的主要結(jié)構(gòu)形式分為三類(lèi)：罩面養(yǎng)護(hù)、功能性大修和結(jié)構(gòu)性大修。根據(jù)對(duì)我國(guó)高速公路路面結(jié)構(gòu)及常用大中修養(yǎng)護(hù)方案的調(diào)查及分析，常用的大中修養(yǎng)護(hù)方案如表1所示。

圖1　安定理論的循環(huán)加載方式

表1　典型大中修養(yǎng)護(hù)方案

4　基于安定理論的路面結(jié)構(gòu)分析模型

本文利用有限元分析軟件ANSYS建立高速公路瀝青路面大中修典型結(jié)構(gòu)有限元仿真分析模型，分析不同結(jié)構(gòu)的安定性。

在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，雙圓均布垂直荷載當(dāng)量荷載邊長(zhǎng)18.9 cm。已有研究表明，隨著軸重的增大，輪壓和接地面積均隨增大，但當(dāng)量荷載中心距離不會(huì)改變，即始終保持為31.95 cm。

借鑒比利時(shí)的軸載與輪胎接地面積之間的經(jīng)驗(yàn)公式，并結(jié)合我國(guó)道路狀況的實(shí)際情況，本文采用如下公式：

式中：A為輪胎接地面積，cm2；P為輪胎壓力，N；+4為保證率達(dá)到90%的離差范圍。

計(jì)算可得軸重與輪胎接地面積對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2　軸重與輪胎接地面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系

各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3　路面結(jié)構(gòu)模型計(jì)算參數(shù)

5　瀝青路面大中修結(jié)構(gòu)極限荷載分析

瀝青路面結(jié)構(gòu)的使用壽命與其承受的極限荷載水平有直接關(guān)系，本文選取我國(guó)典型大中修養(yǎng)護(hù)瀝青路面結(jié)構(gòu)，結(jié)合上文給出的材料參數(shù)，利用有限元分析軟件ANSYS建立大中修路面結(jié)構(gòu)仿真模型，計(jì)算在不同材料參數(shù)和行車(chē)速度（80～120 km/h）下荷載循環(huán)作用的路面結(jié)構(gòu)安定極限荷載。

5.1中修養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)安定極限荷載分析

通過(guò)有限元計(jì)算分析，可得到瀝青混凝土厚度及銑刨后路面回彈模量對(duì)安定性極限荷載的影響，如圖2所示。

圖2中，中修罩面厚度和模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)的安定極限荷載沒(méi)用明顯的影響，且不同罩面厚度或模量下，路面結(jié)構(gòu)安定極限荷載曲線(xiàn)出現(xiàn)了小幅度的交叉重疊，故路面結(jié)構(gòu)中修罩面對(duì)改善舊路面結(jié)構(gòu)的使用性能效果良好，但對(duì)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的改善并不明顯。不同瀝青混凝土罩面模量對(duì)中修路面結(jié)構(gòu)的安定極限荷載影響較小，但是仍可以看出，瀝青混凝土罩面模量越大，路面結(jié)構(gòu)安定極限荷載越大。

圖2　瀝青混凝土厚度、模量對(duì)安定極限荷載的影響

5.2功能性大修結(jié)構(gòu)安定極限荷載分析

通過(guò)有限元計(jì)算分析，可得到功能性大修各結(jié)構(gòu)層厚度及模量對(duì)安定性極限荷載的影響，其中水泥穩(wěn)定碎石基層參數(shù)與結(jié)構(gòu)安定極限荷載的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3和圖4所示。

圖3　水泥穩(wěn)定碎石厚度對(duì)安定極限荷載的影響

圖4　水泥穩(wěn)定碎石模量對(duì)安定極限荷載的影響

通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，功能性瀝青路面大修結(jié)構(gòu)的安定極限荷載隨著各結(jié)構(gòu)層厚度的增加而增加，但整體隨著行車(chē)速度的提高而減小，減小速率先慢后快。當(dāng)AC-25瀝青混凝土下面層厚度由6 cm增大至10 cm時(shí)，功能性大修結(jié)構(gòu)的安定極限荷載最大增幅為23.33 kN，最小增幅為5.49 kN，增加幅度平均值為15.72 kN。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度從16 cm增大至18 cm時(shí)，結(jié)構(gòu)的安定極限荷載最大增幅為21.8 kN，最小增幅為7.14 kN，平均幅度增大16.15 kN。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)冷再生底基層厚度由16 cm增大至20 cm時(shí)，功能性大修結(jié)構(gòu)安定極限荷載最大增幅25.58 kN，最小為8.93 kN，平均增長(zhǎng)值為17.3 kN，其中冷再生厚度為18 cm時(shí)安定荷載曲線(xiàn)變化波動(dòng)明顯大于其他厚度的荷載曲線(xiàn)。

通過(guò)對(duì)各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)安定極限荷載的影響分析可知，安定極限荷載隨各結(jié)構(gòu)層模量的增大而增大，其中瀝青混凝土模量和水泥穩(wěn)定碎石模量的安定極限荷載影響曲線(xiàn)近似成直線(xiàn)，且隨著車(chē)速的增加，增長(zhǎng)幅度逐漸減小。當(dāng)瀝青混凝土下面層模量從1 000 MPa增長(zhǎng)到1 400 MPa（增幅為66.67%）時(shí)，安定極限荷載平均增幅為9.68%。當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石模量從3 000 MPa提高到4 000 MPa時(shí)（增幅為33.3%），安定極限荷載平均增幅9.56%。路面安定極限荷載隨現(xiàn)場(chǎng)冷再生底基層模量的增加而增加，隨著車(chē)速的增加而減少，且減小速率變化較大，當(dāng)車(chē)速為90 km/h時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)冷再生安定極限荷載增加幅度最大，可達(dá)到18 kN。

5.3結(jié)構(gòu)性大修結(jié)構(gòu)安定極限荷載分析

選取典型結(jié)構(gòu)性大修路面結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元軟件計(jì)算不同工況下路面大修結(jié)構(gòu)安定極限荷載，其中冷再生底基層參數(shù)與結(jié)構(gòu)安定極限荷載的關(guān)系曲線(xiàn)如圖5和圖6所示。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)冷再生厚度對(duì)安定極限荷載的影響

圖6　現(xiàn)場(chǎng)冷再生模量對(duì)安定極限荷載的影響

通過(guò)對(duì)安定極限荷載變化曲線(xiàn)擬合可知：結(jié)構(gòu)性大修路面各結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)安定極限荷載的影響曲線(xiàn)可用直線(xiàn)擬合，即隨著車(chē)速的增加，安定極限荷載減小速率基本不變。當(dāng)AC-25瀝青混凝土下面層厚度由6 cm增大到10 cm時(shí)，安定荷載逐漸增加，最大增加值為13.81 kN，最小增加值為9.77 kN，平均增加值為11.25 kN。隨著水泥冷再生厚度由16 cm增大至18 cm，安定荷載圍成的安定區(qū)域面積不斷增大，增加幅度在車(chē)速100 km/h時(shí)開(kāi)始逐漸減小，安定極限荷載增加值最大為18.91 kN，最小增加值為9.33 kN，平均增幅為13.72 kN。最后，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)冷再生底基層厚度從16 cm增大至20 cm時(shí)，安定極限荷載最大增加值為22.53 kN，最小增加值為9.44 kN，增加值平均增長(zhǎng)率為14.38 kN。由以上分析可以看出，水泥冷再生基層厚度和現(xiàn)場(chǎng)冷再生底基層厚度對(duì)路面大修結(jié)構(gòu)安定極限荷載的影響程度較大。

通過(guò)計(jì)算分析各層模量對(duì)結(jié)構(gòu)性大修路面極限荷載的影響可知，瀝青混凝土下面層的安定極限荷載曲線(xiàn)近似直線(xiàn)，且各曲線(xiàn)距離較小，即瀝青混凝土下面層模量對(duì)安定極限荷載影響非常?。凰喾€(wěn)定碎石基層極限荷載影響曲線(xiàn)在車(chē)速110 km/h出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石模量從3 000 MPa增加到400 MPa時(shí)，最大增加值為18.11kN，最小增加值為9.83 kN，平均增加值為13.79 kN；隨著水泥冷再生模量的增大，安定極限荷載亦隨著增大，最大增加值為10.43 kN，最小增加值為7.91 kN，平均增加值9.42 kN。現(xiàn)場(chǎng)冷再生的安定極限荷載受行車(chē)速度的影響較大，當(dāng)車(chē)速為為80 km/h時(shí)，安定極限荷載增加值最大為13.58 kN，車(chē)速為120 km/h時(shí)增幅最小為7.91 kN，全段平均增幅9.82 kN。

6　結(jié)　語(yǔ)

由于高速公路車(chē)輛行駛速度較大，路面大修養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮車(chē)輛沖擊荷載的影響。本文基于安定理論，應(yīng)用有限元分析軟件，定量分析了各結(jié)構(gòu)層不同厚度、模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)極限荷載的影響，并計(jì)算得到高速公路典型大中修結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載反復(fù)作用下達(dá)到塑性破壞時(shí)的安定極限荷載。得出如下結(jié)論：

（1）行車(chē)速度與路面大中修結(jié)構(gòu)的安定極限荷載大小呈反比關(guān)系，隨著行車(chē)速度的增大，路面結(jié)構(gòu)在循環(huán)荷載作用下達(dá)到塑性破壞時(shí)的安定極限荷載不斷減小。

（2）各結(jié)構(gòu)層厚度和模量大小對(duì)路面結(jié)構(gòu)的安定極限荷載有一定程度的影響，可通過(guò)提高大中修結(jié)構(gòu)層的厚度和回彈模量來(lái)提高路面結(jié)構(gòu)整體的強(qiáng)度，但安定極限荷載的提高與大中修養(yǎng)護(hù)方案及材料特性密切相關(guān)。

（3）從整體上看，大中修路面結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)結(jié)構(gòu)安定極限荷載的影響要大于模量的影響，利用舊銑刨料作為大中修結(jié)構(gòu)層對(duì)結(jié)構(gòu)安定極限荷載的影響要大于其他材料的結(jié)構(gòu)層。

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U416.217

A

1009-7716（2016）07-0278-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.07.083

2016-06-01

鐘珊群（1964-），男，湖南邵陽(yáng)人，工程師，從事工程建設(shè)管理工作。