动、静荷载下不同沥青路面结构力学响应分析

何基雷 罗资清 傅松

作者简介：

何基雷（1988—），工程师，主要从事道路工程、路面养护方面的研究工作。

为探究动、静荷载下沥青路面结构的应力响应，获取不同影响因素对路面的实际作用效果，文章利用ABAQUS软件构建了沥青路面结构应力响应模型，分析荷载形式、车辆轴载、行驶速度等因素对力学响应的影响。研究表明：路面结构的应力应变与车辆轴载存在着一定的线性关系；相较于静荷载，动荷载在相同轴载下所产生的应力应变值较低，且存在最佳行驶速度使荷载对路面产生的力学响应最小。由此证明，在道路使用时，控制车辆的行驶速度及车辆超载可减缓路面纵向位移及路表弯沉的产生，延长道路的使用寿命。

沥青路面结构；移动荷载；力学响应；使用寿命；应力应变

U416.217A190685

0 引言

随着我国机动车保有量及道路交通量的逐年上升，道路重载及超载现象的持续增长，使得已建道路在使用过程中暴露出使用寿命不足［1-2］，裂缝、坑槽、松散、剥落、车辙等病害出现频率较高的现象。道路养护时运营成本增加，而且还影响了交通事业的发展［3］。因此，为更好地了解路面结构在不同因素下的力学响应，需探究不同影响因素对路面的力学响应。

国内外专家学者针对沥青路面的应力响应从多方面展开了研究。Assogba、Hu、李江等［4-6］通过建立三维有限元模型，研究了车辆速度、车辆超载对沥青路面的影响，证明较低车速会引起结构受载时间增加，扩大了载荷的冲击效应。严战友、Ogoubi等［7-12］通过建立车辆模型和有限元道路模型，证明路面结构的动态应变应力峰值受分析点位、行车速度、沥青层厚度、车轴荷载、制动工况和道路粗糙度等因素的影响。Liu［13］通过提出了一种将全尺度加速路面试验（accelerated pavement test，APT）、室内试验和有限元（finite element，FE）模拟相结合的方法，分析了车轮范围、温度及轴重对于沥青路面的动态响应。苏凯、斯文彬等［14-17］通过对三种路面结构的剪应力进行三维有限元分析，证明了行车速度、水平力、面层厚度对剪应力均有较大的影响，应该在路面设计时对路面结构组合类型的抗车辙能力进行充分的考虑。

汇总国内外沥青路面荷载下动力响应的相关研究，发现对于车辆荷载的研究大多是采用静荷载或动荷载，却并未将两者联合起进行讨论。同时在对路面结构分析时，对路面超载、行车速度等方面考虑较少。基于此，本文分别探究动、静荷载下不同因素对沥青路面动力响应的影响，以期为路面损坏机理研究提供参考。

1 沥青路面结构及测试方案

1.1 路面结构模型

沥青路面动力响应有限元模型采用直角坐标系，即X方向为行车方向，Y方向为路面纵断面方向，Z方向为道路深度。研究发现模型尺寸只要大于3倍的车轮宽度即可满足模型构建的要求［18］，故拟定应力场模型尺寸为5×6×4（X×Y×Z） m；模型格结构层网格划分采用C3D8R［19-20］（八结点线性六面体单元，减缩积分），网格划分如图1所示。

现行规范采用双圆均布荷载作为车辆与路面的接触作用形式，但该形式将造成分析过程中计算量较大，因此研究时将圆形均布荷载均简化为矩形均布荷载，简化后不仅便于计算，且更加贴合实际荷载作用效果。其中矩形加载面积为23 m×16 cm，双轮中心间距为32 cm。路面受力如图2所示。

为保证数据更加贴近真实环境下的路面力学响应效果，根据实测材料参数拟定了以下路面结构组合。以探究面层及基层材料模量对路面结构力学响应的影响。具体结构形式见表1。

1.2 动、静荷载参数

1.2.1 静荷载参数

为研究车辆轴载（超载）对于路面结构力学响应的影响，试验依据《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）［19］，拟采用轴重为100 kN的单轴双轮组（BZZ-100）作为标准轴载，并讨论不同超载下沥青路面的应力响应，静荷载参数如表2所示。

1.2.2 动荷载参数

研究发现行车速度会对路面结构内的应力变化产生影响，因此需针对行车速度对沥青路面的应力影响进行研究。具体车辆行车速度参数如表3所示。

2 路面结构动力响应分析

《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）［19］中主要以路表弯沉、沥青层底部弯拉应力以及基层层底拉应力作为控制指标。而在力学-经验设计法设计中，设计指标为沥青面层底部的弯拉应变与路基面的竖向压应变［20］。为更好地评价结构在不同因素影响下的力学响应，最终拟定纵向应变、纵向应力、横向剪应力、路表弯沉等四个参数作为评价指标。

2.1 静荷载作用下路面结构应力响应分析

为比较路面结构在不同荷载（标准荷载及超载）下的应力变化，模型测定了路面结构在五种轴载下应力指标随路基深度的变化情况，获得图3～6所示数据。

试验获取了四种路面力学响应指标最大值随车辆超载率的变化情况表，具体数据如表4所示。

由表4所示数据可知：

（1）车辆轴载增加，四项力学指标均随之增加。发现车辆荷载每增加10%，路面结构内产生的最大纵向应力、最大纵向位移、最大横向剪应力及路表弯沉平均增长4.8%（见图7～8），结构证明车辆轴载增加，结构内应力增大，车辙等路面病害更易产生，因此建议道路实际使用时严格控制车辆超载情况。

（2）车辆荷载作用的主要结构层为面层（见图3～4）。荷载作用后，最大纵向位移及最大纵向应力均产生于路面深度下0.02～0.06 m范围，为结构的上、中面层位置，即面层主要承受荷载作用；而最大剪应力则产生于路面深度范围下0.19～0.23 m，该位置为路面结构的基层位置，证明剪应力主要产生于基层。

（3）分析路表弯沉变化可知：路表弯沉在距离道路中心点位置约0.07～0.18 m范围处的变化较大，分析该范围是车辆轮迹范围，而最大值产生于车辆轮迹中心处位置，证明轮迹中心位置为荷载作用的主要受力点；研究发现当标准荷载作用一次后，路面表面约产生0.3 mm左右的路表弯沉，因此可推断当路表弯沉产生1 cm时，需要在同一位置约作用100次标准荷载。

2.2 动荷载作用下路面结构应力响应分析

研究表明移动荷载作用下沥青路面结构力学响应的主要因素有行车速度及车辆轴载（胎压）等。为探究沥青路面结构在不同因素作用下的应力变化情况，试验对不同影响因素的参数进行了调整，以期通过指标变化评价移动荷载作用下不同因素对沥青路面结构力学响应的影响。

2.2.1 车辆轴载（胎压）

通过室内模型模拟了车速为12 m/s（43.2 km/h）时，面层结构1下的沥青路面结构力学响应指标，获得了不同轴载（胎压）力学响应指标间的关系，所得数据如图9～12所示：

由图9～12数据可知：车辆轴载（胎压）是影响沥青路面结构力学响应的重要指标。随着车辆胎压（轴载）的增加，路面结构的纵向应力、纵向位移、横向剪应力及路表弯沉均随之增加，且变化趋势与静载下的应力指标变化趋势一致，证明轴载（胎压）无论是在静荷载还是移动荷载作用下，均为重要的影响因素。

2.2.2 车辆速度

为比较两种荷载形式对于路面力学响应的影响，试验将移动荷载与静荷载作用下的四项力学响应指标进行比较，得到了表5所示数据。

根据表5所示数据，可得结论：荷载由静荷载变为移动荷载时，最大纵向应力、最大纵向位移及最大路表弯沉均随之降低，最大横向剪应力变化值较小。发现移动荷载下路面结构的应力响应指标相较于静荷载均有所降低，其中最大纵向应力平均下降35%，最大纵向位移平均下降25%，最大路表弯沉平均下降5%，证明当由静荷载转为移动荷载时，纵向应力降低将有助于延长路面使用寿命，降低路面车辙等。

为更好地比较车辆行驶速度的影响，试验模拟了标准轴载（BZZ-100，0.7 MPa）下不同行车速度对于路面的作用效果，获得了如图13～16所示数据。

比较图13～16，可得以下结论：

（1）荷载由静荷载变为移动荷载时，路面结构内的应力值将会降低。比较移动荷载与静荷载下的纵向应力最大值，发现其最大纵向应力约下降11.8%，纵向位移最大值约下降了16%，所得结果印证了上述结论。

（2）车速较低时荷载对路面结构产生的应力值较大。发现当车速为6 m/s时，其纵向位移、纵向应力、横向剪应力及路表弯沉值较大，分析原因主要是因为当车速较低时，车辆轮胎与路面接触的时间较长，致使车辆荷载作用于路面结构的荷载更大。

（3）发现四项力学响应指标均存在拐点，且拐点变化范围一致，拐点值所对应的车辆速度为18～24 m/s，此速度下路面结构产生的纵向位移及纵向应力较小，证明路面使用过程中存在最佳行车速度。

3 结语

（1）在动、静荷载作用下，车辆轴载是影响沥青路面结构力学响应的重要指标。不同荷载形式时沥青路面结构的四项应力响应指标值均随车辆轴载的增加而显著增长，证明车辆超载是引起沥青路面病害的重要因素。因此在道路实际使用过程中应严格控制车辆超载，以减少因车辆超载而造成路面结构损坏。

（2）车辆轴载相同时，移动荷载相较于静荷载在路面结构内所产生的应力值更小。移动荷载时五种不同行驶速度所产生的应力值均小于静荷载的路面结构应力，证明荷载由静荷载转为移动荷载时，缩短了车辆轮胎与路面的接触时间，缩短了车辆荷载的作用效果。

（3）存在最佳行车速度使得路面结构内应力值最小。比较不同车辆行驶速度对路面结构的作用效果，发现当车辆速度为64.8～86.4 km/h时，路面结构内产生的应力值最低，此时车辆荷载作用于路面结构后产生的位移值最小。

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