沥青路面力学响应分析综述

胡 宁

（重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074）

国内外大量研究表明，对沥青路面力学响应影响比较明显的因素主要有荷载、温度以及各层间接触状态等。荷载的大小不同、作用的组合形式不同对路面力学响应的影响不同。而沥青又是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性随温度的变化而显著变化。层间接触状态的良好与否，同样也层间是否出现滑移剪切破坏的重要原因。研究在不同因素影响下的路面力学响应，为更加科学合理的路面设计方案提供必要的参考。

1 荷载

在沥青路面的力学性能分析时，通常把轮胎与路面的接触面作为路面受力分析的影响区域。为了计算方便，一些学者对沥青混合料模量的研究时，常将接粗面假定为规则的几何图形进行力学计算。而谢水友[2]等认为，接触面形状与作用的荷载大小有关，当作用的荷载较小时，接触面形状为椭圆形；当作用的荷载较大时，接触面的形状为矩形。彭卫兵[3]等人又认为，轮胎与路面的接触形状应该是一个矩形加两个半圆的形状。假定的接触面形状不同，力学分析所得的结果也就不同。

刘仕贵[4]采用了ABAQUS对沥青混凝土路面进行有限元计算分析，选择了长方形接触面形状作为分析模型的接触面，采用了三维8节点线性减缩积分单元建模，有限元模型如图3。研究中结合实际，考虑了4种常见的荷载作用形式，分别是常载、超载、常载+刹车和超载加刹车，对着四种工况进行路面力学分析。结果表明刹车引起的水平荷载对弯拉应力、剪应力峰值及剪应力峰值位置的影响比较大，而超载对路表弯沉值、弯拉应力影响都很显著。

目前静力学仍然是国内沥青路面的设计的基础，提出对动荷载的影响仅仅是基于经验的修正系数。为了计算方便，有时也把车辆荷载假设为大小不随时间改变的恒载，但这往往与路面的真实受力状况存在偏差[5]。张维全在动荷载的作用下研究了路面力学响应的规律。

在实际道路结构中，移动荷载会使道路各结构层存在阻尼，这会对道路的动态力学响应产生很大的影响。在阻尼结构的分析计算时采用应用较为广泛的粘性阻尼假设，即认为材料的阻尼随着速度的提高而变大，材料阻尼与速度成正比。在路面动态响应分析中，单元的阻尼矩阵采用瑞利阻尼假设：

式中， α、β为阻尼系数。

通过建立有限元模型分析表明在移动荷载作用下，结构应变响应具有拉、压应变具有一定的波动特性，而且路面结构层的层底应变受到了车辆轴载和车辆速度等因素影响。

2 温度

沥青面层材料作为也种对温度极其敏感的感温材料，沥青混合料的强度、劲度都随温度变化而变化。温度不仅影响着路面材料的性能，同时影响着路面结构。在以往的温度对路面力学响应研究中，大多数研究仅仅以统一的温度值进行路面分析，没有考虑路面结构沿深度方向存在着温度梯度，难以真实分析温度这一因素对路面力学响应的影响。而针对这个问题，董泽蛟[9]等将温度梯度这一因素考虑在内，并且结合动态荷载作用研究了温度场及非均布移动荷载作用下沥青路面力学响应。

建立沥青路面结构三维有限元模型，对路面各层材料参数及热物理参数赋值。同时通过运用ABAQUS软件中实现了太阳辐射、空气辐射换热及对流换热的作用，以便模拟更加真实的温度场分布。结果表明：荷载对结构动力响应的影响大于温度场对结构动力响应，但温度场对响应的幅值有影响；温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变的影响较大，对横向应变值的影响较小。

在高原地区，昼夜温差大，加之有冻土的情况，温度对路面力学响应的影响就更加明显。王磊在研究温度场的基础上，以青藏公路为依托，计算多年冻土地区的温度应力。其计算结果表明，沥青路面面层厚度、材料的弹性模量及材料的线膨胀系数都对温度应力的影响巨大。特别在冻土地区，合理的选择沥青的用料、增加沥青混凝土路面面层厚度、降低沥青混凝土弹性模量和线膨胀系数等方法都能有效的减小路面的温度应力。

3 层间接触状态

沥青路面结构是多层式结构，层间黏结的良好与否，路面的力学性能影响巨大。当前我国的沥青路面设计是以弹性层状体系理论为基础，其将层间接触条件假设为完全连续的。但在实际的施工过程中，路面都是分层修筑的，层间条件是不完全连续的。当层间黏结得不好，就很容易会引起路面开裂和车辙等破坏。

李彦伟等为了研究沥青路面层间接触状态对路面力学响应的影响，分析了不同层间接粗状态对路面力学性能的影响状况。在建立结构有限模型时，考虑到脱层失效理论具有能动的反应粘结洁面的强度损失，同时又能体现层间材料厚度、模量及损伤影响等优势，更真实地反应半刚性基层的受力状态，将脱层失效理论作为有限元建模的理论基础。在对层间采用精铣刨、SBS改性沥青及胶粉改性沥青等层间处理措施，对其层间应力进行计算。结果表明，在路面厚度小时，采用精铣刨处理和胶粉改性沥青这类层间黏结力大的处理方式比较有效；当路面厚度大时，一般的层间处理措施就能满足要求。宋学艺也研究不同层间处治措施对路面粘结性能以及路面使用寿命的影响，得出煤油稀释沥青+SBS改性沥青封层能够更好的改善层间状态，延长路面的使用寿命。另外随着路面层间接触状态的改善，荷载对路面力学的响应也会越来越小。

高源较为系统地分析了层间接触状态对路面弯沉、面层底面拉应力和和基层底面拉应力等力学响应的影响。得出在面层和基层由连续状态到滑动状态过程中，路面的各层底部受力及路基顶面压应变都有明显变化，尤其当路面处于超载情况下，影响更为显著。白雪梅、张艳红等分析路面力学响应时，同样发现层间接触状态对路面弯沉、层间最大剪应力没有显著影响，而认为不良的层间接触是诱发半刚性沥青路面开裂以及半刚性基层自身开裂的重要原因。当层间接触不稳定时，基面层间剪应力减小幅度小其抗剪强度减小幅度，因此层间接触不稳定易引起层间滑移破坏。

4 结语

本文主要从车辆荷载、温度以及层间接触状态三个方面系统阐述沥青路面力学响应影响因素及其研究方法。得出以下结论：

（1）在当前路面力学响应分析中，研究应从最不利情况出发，车辆荷载与路面的接触面形式选择矩形+双半圆形式或者长方形。荷载形式不能局限于静荷载，应考虑为动荷载和不均匀荷载。在实际车辆行驶过程中，特别是在刹车的情况下，由于轮胎与路面间存在摩阻力，不能将车辆荷载仅考虑为垂直的竖向荷载，而应是竖向荷载与水平荷载的联合作。此外，垂直荷载对路表弯沉产生影响，对路面力学响应影响相对较小，对路面的破坏程度较低。而水平荷载引起的面层层底弯拉应力和层间剪应力对路面的使用寿命具有较大影响。

（2）温度同样是沥青路面力学响应的重要因素，沥青混合料的强度、弹性模量等都随着温度变化。结合实际考虑结构深度方向的温度梯度变化是，改变温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变值的影响较大，对横向应变值的影响较小。

（3）与现行的路面设计理论假设不同，路面层间接触并非是完全连续的。各层的层间剪应力的大小会随层间接触状态好坏的变化而变化。层间接触越稳定，越不易产生层间滑移剪切破坏。