基于实测轮载和层间界面的沥青路面结构厚度设计

刘卓锐

（武汉工程大学 湖北省武汉市 430070）

1 绪论

目前，世界各国的设计规范大多采用圆形均布荷载来模拟车辆对路面结构的荷载，并且假定各结构层层间均为完全连续。在我国的设计规范中，以沥青路面表面回弹弯沉值和沥青混凝土层底拉应力、半刚性及刚性材料基层拉应力为设计指标进行路面结构厚度设计。据研究，轮胎本身的结构性、轮胎的充气压力、车辆负载以及轮胎外表面的不规则性和凸凹性等，均会导致车辆荷载作用下轮胎接地压力也表现为不规则性。另一方面，由于沥青路面各结构层的原材料、施工质量控制的不同，会导致各结构层层间粘附性较差，无法达到理想的完全连续状态。

我国现行设计方法在车辆荷载不太大，车辆运行速度不高的情况下，基本是合理的。然而随着社会经济水平的提高和交通条件的改善，车速不断提高、车辆荷载不断增加、轮胎的外表面形状不断改进，使用垂直均布荷载来模拟车辆行驶过程中路面结构受到的荷载与路面受到的实际荷载间的差距越来越大，逐渐不能满足研究的需要。因此，本文中提出一种考虑实测轮载和层间界面的沥青路面结构厚度设计方法，采用ANSYS对路面的受力状态进行分析，以达到较好的路面结构厚度设计。

2 现行沥青路面结构厚度设计

本文依托于武汉地区某新建二级沥青道路，在本次分析中，设计年限内一个车道累计当量标准轴载同行次数NE经计算为116万次，公路等级系数AC取为1.1，面层类型系数AS取为1.0，路面结构类型系数AB取为1.0。根据《公路沥青路面设计规范》（JTD D50—2006）可以计算得：

（1）沥青路面结构层表面的路面设计弯沉值为42.64（0.01mm）；

（2）沥青路面结构层第一层底面的容许拉应力为0.68（MPa）；

（3）沥青路面结构层第二层底面的容许拉应力为0.56（MPa）；

（4）沥青路面结构层第三层底面的容许拉应力为0.45（MPa）；

（5）路面结构基层的容许拉应力为0.408（MPa）；

（6）路面结构底基层的容许拉应力为0.340（MPa）。

同时满足弯沉和拉应力两项指标的设计即为合理的沥青路面结构层厚度设计。采用HPDS路面结构设计系统对路面结构进行计算，以我国普遍采用的较为经典的半刚性路面结构为分析对象，其具体的路面结构形式以如下所示：

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51—2009）和《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20—2010）中规定的方法在规定的温度下分别测定半刚性材料和沥青混合料的抗压回弹模量以及劈裂强度。泊松比参考美国SHRPLTPP中推荐值，各材料的密度均参考相关资料后拟定而成，其材料参数具体如表1所示。

表1 半刚性基层沥青路面典型结构及材料参数

利用软件bisar3.0，采用弹性层状力学，对其路面结构进行验算。计算在双圆均布荷载作用下该路面结构的弯沉、层底拉应力。在本分析中选用双圆均布荷载，即我国规范中规定的标准轴载BZZ-100的轮载P0=100/4kN，p=700kPa，代入得到相应的当量圆直径为d=0.213m。层间接触分别考虑完全光滑和完全接触两种情况。在计算中，选取当量圆的中心，考虑不同的结构深度，计算其表面弯沉和路面结构层底拉应力。

对于当量圆圆心的点，在两种不同的层间接触下，路面结构在均布荷载作用下的各项力学响应（表面回弹弯沉和各结构层层底弯拉应力）如表2所示。

表2 不同层间状态下实测轮载载作用中心点的各项力学响应

对于该半刚性沥青路面，利用弹性层状理论体系，依托BISAR验算其代表点的路表弯沉值、半刚性基层层底拉应力和沥青面层的层底拉应力。可知设计的沥青路面弯沉及层底拉应力满足设计要求。从分析结果可以发现，层间粘结状况也影响沥青路面的路表弯沉值。层间不连续或分离时，沥青路面路表弯沉值也会增加。

3 ANSYS有限元模拟

3.1 有限元模型的建立

根据资料[1]可知，对于静态问题，当土基的厚度取值大于6m时，两者的挠度相当。同时，在一般情况下，可以将路面结构视为半无限弹性层状结构体系，但是由于在有限元计算中，只能将土基的厚度取一定的尺寸。因此，结合本分析实际，考虑到模型太大会消耗过多的内存和时间，在不影响结果精确度的情况下，模型的宽度和长度统一采用4m，土基的深度取为6m，沥青面层厚度从上往下分别取4cm，6cm，8cm，基层的厚度取38cm，底基层的厚度取17cm。模型的边界条件包括位移边界条件和荷载条件。

有限元模型单元采用八个节点，每个节点三个自由度的solid45单元和四个节点，每个节点两个自由度的plane42单元。模型采用Booleans命令保证层间完全连续或层间完全光滑，网格划分时采用映射网格划分方式。

3.2 模型的约束条件

模型的边界条件包括位移边界条件和荷载条件。

在车辆行驶在道路中央的时候，车辆荷载对于道路的两侧和两端基本上没有太大的影响。基于这种情况，可以将其相应方向的位移进行约束，对路面的底部采用固定约束；在道路表面与轮胎接触的范围内添加实测荷载，并将荷载传递至土基底部，添加实测轮载之后路面结构模型示意图如图1所示。

图1

3.3 结构力学响应分析

对于实测轮载作用的中心点。由于实测轮载的中间没有点，只有中间两侧的点，故可取其平均值及X坐标为0.173处进行比较。在两种不同的层间接触下，路面结构在实测轮载作用下的各项力学响应（表面回弹弯沉和各结构层层底弯拉应力）如表3所示。

表3 不同层间状态下实测轮载载作用中心点的各项力学响应

由表3计算结果可知，在轮载作用的范围内，沥青面层都是受到压应力的，而基层和底基层受到拉应力。当层间界面相同时，实测轮载作用下，基层和底基层受到的拉应力值更大：当轮载的分布情况相同时，若路面结构层之间为完全光滑时，基层和底基层受到的拉应力值更大。

半刚性沥青路面结构在实测轮载的作用下，考虑层间界面，利用有限元分析法ANSYS计算所设计路面结构的路表弯沉值和结构层底弯拉应力与BISAR的计算结果相近，所以其沥青路面结构厚度是合理的。利用ANSYS软件，采用八个节点，每个节点三个自由度的solid45单元和四个节点，每个节点两个自由度的plane42单元，模型采用Booleans命令可很好的模拟路面在实际轮载作用下的各项力学响应。

4 结论

本文依托于武汉地区某新建二级沥青道路，选取较为经典的半刚性沥青路面结构，根据两种分析方法：即双圆垂直均布荷载利用弹性层状体系理论和基于实测轮载和层间界面利用有限元法。

分别验算路表弯沉值和结构层底拉应力。并由此进行考虑非均布轮载和层间界面特性的路面结构厚度设计优化。本文可以得出如下结论：

（1）对应力而言，由上述计算可知，在轮载作用的范围内，沥青面层都是受到压应力的，而基层和底基层受到拉应力。当层间界面相同时，实测轮载作用下，基层和底基层受到的拉应力值更大：当轮载的分布情况相同时，若路面结构层之间为完全光滑时，基层和底基层受到的拉应力值更大。

（2）层间粘结状况也影响沥青路面的路表弯沉值。层间不连续或分离时，沥青路面路表弯沉值也会增加。