半刚性基层路面结构荷载应力分析

王燕芳 叶 青 山宏宇

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵州贵阳 550081)

0 引言

半刚性基层路面结构的路面模式是“强基、薄面、稳路基”，该路面结构是在较厚的半刚性基层上铺筑较薄的沥青面层。我国的高等级公路沥青路面使用寿命普遍达不到设计年限，短则2年～3年，最多7年～8年就必须进行大修。普遍认为这与半刚性基层沥青路面结构设计有很大的关系［1］。因此本文进行了半刚性基层路面结构的受力分析。

1 模型构建

1.1 模型构建假设

本文采用ANSYS软件对不同条件下路面的荷载应力进行分析，文中对模型构建的假设如下:

1)假定构建模型的每层结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体［2］;2)假定每层结构层间竖向连续并且水平向可自由滑移;3)假定路基的底面固定，侧面与底面垂直并约束其法向位移;4)假定轮胎与路面接触形状为矩形，并且路面所受荷载为均布矩形荷载;5)不计任何结构层自重对模拟的影响。

1.2 模型构建参数

矩形均布荷载尺寸为18.6cm×19.2cm，轴长为182cm，轴重分别为25kN，30kN，35kN，40kN，45kN，50kN，单轴四轮双轮间距为31.4cm，路面宽度为3.75 m。各层结构层的计算参数取值见表1。

表1 模型结构层计算参数

2 半刚性基层路面受力模拟

2.1 轴重对半刚性基层路面的影响

车辆荷载以单轴双轮为基准，荷载由25kN变化至50kN，面层参数见表1;基层厚度20cm，模量1 400MPa;底基层厚度20cm，模量600MPa;路基厚度取值600cm，模量取值40MPa;路基泊松比为0.35，其他结构层泊松比取值0.25。经过模拟分析，各结构层层底应力和顶面的位移随着车辆荷载的变化曲线见图1～图4。

图1 轴载变化对各层层底应力的影响

图2 面层层底应力变化图

图3 基层层底应力变化图

图4 基层内X方向应力变化图

从图1分析可知，路面结构层各层层底应力随着轴载加重而呈现显著增加的趋势，并且应力增加与轴重增大两者基本呈线性关系。从图2，图3分析可知，路面结构中，面层层底主要承受压应力，基层层底主要承受拉应力，随着轴载加重，基层层底应力由压应力转变为拉应力。分析图4可知，基层厚度不变时，轴载改变但基层层底由压应力变为拉应力的位置不会改变;轴载的增加，会导致基层承受的荷载越来越剧烈。因此，超载、重载会导致道路的加速破坏。

2.2 基层厚度对半刚性基层路面的影响

建模荷载采用标准轴载BZZ-100［3］，面层参数及泊松比见表1，基层模量取值 1 400MPa，厚度取15cm，20cm，25cm，30cm 四个可选值;底基层模量取值600MPa，厚度取20cm，25cm，30cm，35cm四个可选值。经过建模模拟，随道路基层和底基层厚度变化各层层底应力及基层内应力的变化规律见图5～图8。

图5 基层厚度对各层层底应力的影响

图6 基层厚度对基层内应力的影响

由图5可以看出，面层和底基层底的应力随着路面基层厚度的增大而有明显的减小，特别是上面层底，降幅接近35%;下面层和基层层底应力随基层厚度的增加先增大后减小;同时，在底基层的厚度和基层的厚度组合不合理的情况下，底基层受到的层底拉应力会大于基层层底拉应力，这种现象会极大减小道路的使用寿命。由图6可知，基层内应力随其厚度的增加而逐渐增大，且厚度越大，应力变化的速率越快，压应力转变为拉应力的位置逐渐靠下。

图7 底基层厚度对各层层底应力的影响

由图7可以看出，各结构层的层底拉应力随着底基层厚度的增大而出现减小的现象，其中基层的层底应力，降幅最为明显，超过一半。由图8可以看出，基层内部压应力和拉应力随着底基层厚度的增加而均逐渐减小，压应力和拉应力的分界点即应力为0的点随着底基层厚度增加而距离基层顶面高度越大，并且如果底基层厚度过大，会出现底基层的层底拉应力超过基层层底拉应力的现象。

图9 路基模量对各层层底应力的影响

图10 路基模量对基层内应力的影响

2.3 路基模量对半刚性基层路面的影响

建模荷载采用标准轴载BZZ-100，面层参数及泊松比见表1;路基厚度取值 600cm，模量取 30MPa，40MPa，50MPa，60MPa，70MPa五个可选值;底基层厚度取值20cm，模量取值600MPa;基层厚度取值20cm，模量取值1 400MPa。通过建模模拟，随道路路基模量变化各层层底应力及基层内应力的变化规律见图9，图10。

由图9可以看出，当路基模量不断增加时，道路的各结构层的层底应力不断减小。同时，由图10也可以看出，随着路基模量的不断增加，基层内应力曲线变得平缓，所受到的实际内应力逐渐减小。因此，可以通过提高路基的强度和稳定性，来改善半刚性基层路面各结构层的受力状况，延长道路的使用寿命。

3 结语

1)随着轴载的增长，半刚性基层路面结构层层底应力增加显著，表明半刚性路面对交通荷载较为敏感;2)基层和底基层结构层厚度增加，各层应力均减小，但需要对基层和底基层进行合理的厚度组合;3)路基模量增加，可以降低各结构层的层底应力，同时可以提高路基的稳定性，延长道路的使用寿命。

［1］吕彭民.车辆沥青路面系统力学分析［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［2］沙庆林.重载交通长寿命半刚性路面设计与施工［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［3］邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2008.