道路使用条件对路面结构力学响应的影响

江志义

（湖南省交建工程集团有限公司，湖南株洲 412007）

道路使用条件对路面结构力学响应的影响

江志义

（湖南省交建工程集团有限公司，湖南株洲 412007）

采用有限元分析方法，研究道路坡度、车辆行驶速度、荷载条件（车辆胎压和装载率）和路表温度等道路使用条件变化对沥青路面结构中剪应力与剪应变分布的影响规律和影响程度，探究纵坡道路与平坡道路沥青路面在力学响应上的差异及其主要影响因素。

公路；道路坡度；车速；荷载条件；温度；力学响应

1 坡度对路面结构力学响应的影响

表1 不同纵坡下路表剪应力的变化

1.1 计算工况

计算荷载工况的编号为Z-A0（装载率100%，轮胎内压0.7 MPa）；道路纵坡为0（平坡）～5%；车速取初始速度71 km／h；计算断面为单轮中心、单轮内侧边缘和单轮外侧边缘。

1.2 道路纵坡坡度对剪应力的影响

1.2.1 路表剪应力

不同道路纵坡下路表剪应力见表1。由表1可见：路表剪应力随着道路纵坡的增大而增加。1）当道路纵坡较小时，路表剪应力最大值发生在单轮内侧边缘中心；随着道路纵坡的增加，路表剪应力最大值逐渐向单轮中心处转移。当道路纵坡为5%时，单轮内侧边缘中心剪应力与单轮中心处剪应力接近。2）当道路纵坡由1%增加至5%时，单轮中心断面、单轮内侧断面和外侧断面上的路表剪应力依次增加约26%、11%和23%；当道路坡度达到5%时，在满载条件下，路表剪应力最大值约0.081 MPa，发生在单轮中心断面上。

1.2.2 路面中剪应力

路面中剪应力最大值及其发生位置见表2。由表2可以看出：随着道路纵坡的增大，各计算断面上的剪应力均呈现增大趋势。1）在单轮中心、单轮内边缘和单轮外边缘断面上，剪应力最大值分别出现在约6、2和3 cm深度处。单轮中心断面上的剪应力最大值接近0.15 MPa，略大于单轮内侧边缘中心和单轮外侧边缘中心断面上的剪应力最大值。2）单轮中心、单轮外侧边缘下的剪应力最大值和发生位置几乎不受纵坡变化的影响；而单轮内侧边缘下剪应力最大值随纵坡的增加略有增大，当道路由平坡变化为5%坡度时，该部位的剪应力最大值仅增长约4%。

表2 不同道路纵坡下路面剪应力最大值及其所处位置

1.3 道路坡度对剪应变的影响

剪应变最大值及其发生位置见表3。从表3可见：1）在单轮中心、单轮内边缘和单轮外边缘断面上，剪应变的最大值分别出现在约3、2和3 cm深度（上面层中下部）处。2）当道路由平坡变化为5%坡度时，单轮中心断面上的剪应变最大值由2.226× 10-4增加至2.298×10-4，增幅约3%；单轮内边缘断面上的剪应变最大值由2.027×10-4增加至2.103 ×10-4，增幅不超过4%；单轮外边缘上的剪应变基本不受纵坡变化的影响。

表3 不同道路纵坡下路面中剪应变最大值及其所处位置

2 车速对路面结构力学响应的影响

2.1 计算工况

计算荷载工况编号为Z-A1（装载率200%，轮胎内压0.7 MPa）；道路纵坡为5%；计算车速为69（初始速度）～22.70 km／h（平衡速度），另增加100和10 km／h；计算断面同上。

2.2 车速对剪应力的影响

各计算断面上剪应力最大值及其相应位置见表4。由表4可见：1）单轮中心断面上剪应力最大值随着车速降低而增加的程度比单轮两侧边缘断面上的明显，但剪应力最大值小于这两个断面上的剪应力最大值。当车速由100 km／h降低至10 km／h（降幅90%）时，该断面上的剪应力最大值由0.123 MPa增加至0.143 MPa，增幅约17%。2）在单轮内侧边缘中心断面上出现剪应力最大值，当车速由100 km／h降低至10 km／h时，该剪应力最大值由0.152 MPa增加至0.162 MPa，增幅约7%。

表4 车速影响下路面剪应力最大值及其所处位置

2.3 车速对剪应变的影响

各计算断面上剪应变最大值及其位置见表5。由表5可见：随着车速的下降，沥青路面内各深度处的剪应变均明显增大。1）在3个计算断面上，剪应变最大值均发生在上面层中下部，当车辆行驶速度由100 km／h降低至10 km／h时，单轮中心、单轮内侧边缘和单轮外侧边缘断面上的剪应变最大值分别增长153%、123%和111%。2）路面中剪应变最大值发生在单轮内侧边缘断面上，约在路表下2 cm（上面层中部）处，与剪应力最大值出现位置一致。当车辆行驶速度降低至10 km／h时，该断面上的剪应变最大值达到5.922×10-4。

3 胎压对路面结构力学响应的影响

3.1 计算工况

计算荷载工况编号为Z-A0、Z-B0、Z-C0（轮胎内压分别为0.7、1.0和1.3MPa，装载率为100%）；道路坡度为零（平坡）；计算车速取初始速度71 km／h；计算断面同上。

表5 车速影响下路面剪应变最大值及其所处位置

3.2 胎压对剪应力的影响

胎压增加将显著增加路面结构内部的剪应力。在单轮中心断面上，胎压变化对剪应力的影响主要发生4～10 cm深度处；在单轮内侧边缘和单轮外侧边缘断面上，胎压变化对剪应力的影响主要发生2 cm以下深度处，且影响程度较低。不同胎压下路面结构中剪应力最大值及其发生位置见表6。由表6可见：路面内剪应力最大值发生在单轮中心断面、中面层位置，随着胎压的增长，剪应力最大值的位置向上移动；剪应力最大值随轮胎内压的增长而显著增大，当胎压由0.7 MPa增加至1.3 MPa时（增幅约86%），剪应力最大值由0.147MPa增加至0.242 MPa，增幅为65%。3.3 胎压对剪应变的影响

表6 轮胎内压影响下路面剪应力最大值及其所处位置

在不同轮胎内压下，路面结构中的剪应变分布规律与剪应力相同。在单轮中心断面上，胎压变化对剪应变的影响显著；在单轮内侧和外侧边缘断面上，胎压变化对路面结构剪应变的影响程度降低。不同胎压下路面内部剪应变最大值及其发生位置见表7。由表7可见：剪应变最大值发生在单轮中心断面上，位于路面深度3 cm（上面层）处；当胎压由0.7 MPa增大至1.3 MPa时，剪应变最大值由2.218 ×10-4增加至3.627×10-4，增幅接近64%。

表7 轮胎内压影响下路面剪应变最大值及其所处位置

4 装载率对路面结构力学影响的影响

4.1 计算工况

计算荷载工况编号为Z-A0～Z-A4和ZC0～Z-C4（轮胎内压分别取为0.7和1.3 MPa，车辆荷载即装载率分别取为100%、200%、300%和400%）。轮胎内压为0.7 MPa时，道路坡度取为零（平坡）；轮胎内压为1.3MPa时，道路坡度取为5%。计算车速取各荷载工况下的初始速度。计算断面与前面的相同。

4.2 装载率对剪应力的影响

各计算断面上路面结构中剪应力最大值及其发生位置见表8。由表8可以看出：1）当车辆装载率增加时，无论轮胎内压是0.7 MPa还是1.3 MPa，单轮中心处的剪应力最大值均呈现减小趋势，该现象的出现与轮胎中部接触应力分布有关。2）单轮内侧边缘和外侧边缘断面上的剪应力最大值随着装载率的增加而显著增大。当装载率由100%增加至400%（增幅3倍）时，单轮内侧边缘断面上的剪应力最大值增幅超过100%。以装载率100%为基准，装载率每增加100%，该断面上剪应力最大值的平均增幅约35%。3）随着装载率的增加，沥青层内剪应力最大值由单轮中心转移至单轮内侧边缘和单轮外侧边缘中心断面上，并由约6 cm（中面层）深度处移至约2 cm深度处（上面层）。当装载率达到400%（轮胎内压1.3 MPa）时，沥青路面中的剪应力最大值为0.243 MPa，发生在单轮内侧边缘中心路表下2 cm处。

表8 装载率影响下剪应力最大值及其所处位置

4.3 装载率对剪应变的影响

各计算断面上路面结构中剪应变最大值及其所在位置见表9。由表9可见：1）装载率对路面结构剪应变的影响受车辆胎压的影响较小，仅在单轮中心断面上略有不同。胎压为0.7 MPa时，单轮中心处剪应变最大值随着装载率的增加呈现减小趋势；当胎压为1.3 MPa时，单轮中心处剪应变最大值随着装载率的增加呈现增大趋势；剪应变最大值出现在上面层。2）单轮内侧边缘和外侧边缘断面上的剪应变最大值均随着装载率的增加而显著增大。当装载率由100%增加至400%时，单轮内侧边缘断面的剪应变最大值由2.007×10-4增加至5.49×10-4，增幅173%，发生在单轮内侧边缘中心路表下2 cm处，该最大值受胎压的影响较小。相对于装载率100%，装载率每增加100%，剪应变最大值的平均增幅接近58%。3）当装载率大于200%时，沥青层内的剪应变最大值由单轮中心移至单轮内侧边缘和单轮外侧边缘中心断面上。

表9 装载率影响下剪应变最大值及其所处位置

5 温度对路面结构力学响应的影响

5.1 计算工况

计算荷载工况编号为Z-C2（胎压1.3 MPa，装载率300%）；坡度为5%；平衡车速16.8 km／h；取路表温度40～70℃。

5.2 温度对剪应力最大值的影响

各计算断面上路面结构中剪应力最大值及其发生位置见表10。由表10可见：1）在单轮内侧边缘和外侧边缘断面上出现剪应力最大值，发生在上面层。当路表温度由40℃升高至70℃（增幅75%）时，剪应力最大值的增幅不到4%（单轮内侧断面）。2）下面层层底剪应力随着路表温度的升高而呈现减小趋势。

5.3 温度对剪应变的影响

各计算断面上剪应变最大值及其发生位置见表11。由表11可见：剪应变最大值发生在上面层（3个计算断面），并随着路表温度的升高而显著增大。路表温度每升高10℃，面层中的剪应变最大值增大1～2倍。

表10 温度影响下路面最大剪应力及所处位置

表11 温度影响下路面最大剪应变及其所处位置

6 结论

（1）道路使用条件变化主要影响沥青路面上面层、中面层的剪应力和剪应变分布。对剪应力分布影响程度较大的因素是轮胎内压和装载率，对剪应变分布影响程度较大的因素是路表温度、车速、轮胎内压和装载率。

（2）当车辆荷载条件、路表温度一定时，纵坡道路沥青路面与平坡道路沥青面层中剪应力和剪应变水平的差异主要源自车辆行驶速度变化的影响，受道路纵坡坡度自身变化的影响较小。

（3）车辆轮胎内压增大将导致剪应力和剪应变增加，增加幅度与胎压的增大幅度相当；车辆装载率变化将显著影响剪应力和剪应变的分布及大小，车辆装载率每增加100%，路面结构中剪应力最大值、剪应变最大值的增幅分别高达35%和58%。

（4）根据车辆行驶速度对沥青面层中剪应变最大值、沥青面层剪应变累积量的影响程度，建议以车辆行驶速度35 km／h作为平衡速度对最大纵坡坡度进行界定。

［1］ 李晓忠.路面结构参数变化对路面结构的影响［J］.青海交通科技，2009（2）.

［2］ 张宜洛.长大纵坡路段沥青路面行为和混合料设计研究［D］.西安：长安大学，2012.

［3］ 王陈刚，侯云飞.纵坡道路沥青路面结构及材料设计［J］.公路与汽运，2015（4）.

［4］ 苏凯，胡晓，胡小弟，等.实测轮胎荷载作用下层间接触条件对沥青路面力学响应的三维有限元分析［J］.上海公路，2006（1）.

U416.217

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1671-2668（2016）06-0111-05

2016-09-02