1、不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响应摘 要 在汽车制动和起动频繁的地方，水平力的作用不能忽视。同时，面层-基层间的接触条件一般也不是完全连续，施工以及营运阶段环境的作用都会削弱层间的联结。本文通过采用三维有限元模型分析了不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响。结果表明层间接触条件的不同和有无水平力的作用都对路面力学响应起着很大影响。 关键词 沥青路面，水平荷载，层间接触条件，三维有限元，力学响应 中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号： 引言 在我国公路沥青路面设计规范中，采用的是传统的多层弹性体系理论：假设轮胎作用于路面的垂直应力呈圆形均匀分布
2、。并且在进行沥青路面厚度计算和结构层层底弯拉应力计算时只考虑层间完全连续的接触条件。然而实际轮胎作用于路面的形状及垂直应力相当复杂，并非圆形均布所能简单描述的。大量的试验研究结果显示，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形。关于荷载方向，由于在山区公路的上坡路段上，特别是行驶重载和超载车辆的情况下，往往车速缓慢，此时车轮作用在路面上的水平力也是较大的，车轮在制动和起动过程中也会产生水平力。因此，在停车场、车站、交叉路口、爬坡车道、收费站以及其他交通拥挤、车辆行驶缓慢的地方，路面受到车辆水平荷载作用较大，路面较容易产生车辙、坑槽等破坏。各层间的接触条件也并不完全连续的。各种因素，如面层下部材料孔隙率过
3、大，沥青与集料粘附不良，基层材料塑性过大，施工时基层顶部没有清理干净，基层施工完后没有及时铺设沥青，以及经各种途径进入路面结构的水的化学、物理作用等等，都可以削弱层间的联结。所以考虑层间完全连续是偏不安全的。本文采用三维有限元分析不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响应。 1 模型的建立 1.1 路面计算结构 用于计算的典型路面结构各层材料参数及路面厚度如表 1 所示。同时，为了便于比较各种受力和接触条件下路面的力学响应情况。本文计算了当面层厚度和面层模量变化时路面力学响应的变化情况。当面层厚度变化时，其它参数不变，只是厚度分别采用 6cm，9cm，12cm，15cm 和18cm
4、，这些厚度分别代表了由二级公路（610cm） ，一级公路（812cm）到高等级公路（1218cm）的面层厚度；当面层模量变化时，其它参数都保持不变，只是面层模量分别选用 1000MPa，1200 MPa，1500 MPa 三种模量进行计算。 表 1 典型路面结构各层材料参数及路面厚度 1.2 荷载作用形式 大量研究表明，轮胎荷载的作用面更接近于矩形6，所以本文对计算荷载的选取在传统标准荷载 BZZ-100 的基础上作了一些修改：胎压还是取 0.7MPa，但是作用面积取为 18.9cm18.9cm 的方形面积（对于有限元方法，矩形荷载也更有利于路面结构模型的网格划分） 。由于当车辆启动和制动时，
5、因轮胎的滑移对路面会产生一定大小的水平力。假设轮胎在接触面内各处与地面的摩擦系数相同，而且轮胎因制动产生的新变形对路面的垂直压力影响忽略不计，当考虑水平荷载作用时，采用摩擦系数为 f = 0.3，由摩擦系数乘以垂直力得到相应位置的水平力。 1.3 有限元计算模型 有了以上的数据，就可以建立三维有限元模型进行计算。分析软件采用通用有限元计算程序 ANSYS。依据垂直应力及接地尺寸特性选取分析范围 x 及 y 轴方向各为 3m，z 方向深度，主要指土基的厚度依据理论弯沉值的大小进行调整。用于计算的有限元单元采用 8 结点等参元单元。边界条件假设为底面上没有 z 方向位移，左右两面没有 x 方向位移
6、，前后两侧没有 y 方向位移。层间接触条件为：面层和基层之间采用完全连续和完全光滑两种情况，其它的接触面都采用完全连续。其中完全连续就是指上下两接触面上对应的点竖向和水平的应力、位移相等，层间不发生滑动；完全光滑指的是接触面上只有竖向应力和位移相等，不能传递水平方向力和位移，可以发生滑动。 2 计算结果分析 根据上面的计算条件，将各种情况的计算参数输入有限元计算程序进行计算。计算的结果分别见表 2 和表 3。由表中的计算数据，我们可以发现： （1）在接触条件为完全连续的情况下，水平荷载的作用使路表的最大剪应力峰值增大最快，最多达到 40%以上，并且随着面层厚度的减少，最大剪应力峰值增加量变大。
7、当面层厚度为 6cm 时，水平荷载的作用使最大剪应力峰值增加了 115%。同时模量的增加使最大剪应力峰值减小，但是变化不很明显，当面层模量由 1000MPa 增加到 1500MPa 时，最大剪应力峰值在有无水平力作用的情况下分别减少了 8.6%和 6.6%。 在接触条件为完全光滑的情况下，由于面层底部竖向受压，水平受拉，所以最大剪应力出现在面层底部，但水平荷载对其影响不大。 （2）对于面层的最大拉应力，当接触条件为完全连续的时候，不管有无水平力的作用，其值都比较小，最大不超过 0.12MPa。 当接触条件为完全光滑的时候，面层最大拉应力出现在层底，且值比较大，最大达到了 0.388 Mpa。光
8、滑接触条件下，面层底部最大拉应力随着面层厚度的减少和面层模量的增加其值增大。此时水平荷载的作用也使层底最大拉应力有所增加。 （3）对于轮隙弯沉值，一般随着面层厚度的减小以及免层模量的减小而增加。同时，接触条件的影响也非常大：完全光滑比完全连续的情况轮隙弯沉值有明显的增大。其它条件不变，面层厚度由 18cm 减小到6cm，轮隙弯沉值增加了 14%，而接触条件的变化使轮隙弯沉值增加了 21%。水平荷载的作用对轮隙弯沉值几乎没影响。 （4）有水平荷载作用下，面层表面行车方向的位移比无水平荷载的情况大很多。随着面层厚度和面层模量的减小，其值增加。特别当接触条件由完全连续到完全光滑，其值增加较大：当面层
9、厚度为 18cm 时，增加 22%；面层厚度只有 6cm 时，增加了 106%。 表 2 面层厚度变化时的路面力学响应 表 3 面层模量变化时的路面力学响应 结论 （1）面层表面的最大剪应力峰值的变化主要受水平荷载的影响，层间接触条件对其几乎没有影响。而路表弯沉值的大小受接触条件的影响很大，水平荷载却几乎没有影响。 （2）当层间接触条件由完全连续到完全光滑的时候，面层层底的拉应力增加很大，同时水平荷载的作用造成其值的增加也不能忽略。在水平荷载的作用下，路表将会产生一定的水平位移，当接触条件由连续变为完全光滑时，水平位移值增加较大。 由上可知，我国在路面设计时采用完全连续的层间接触是偏不安全的。
10、同时，水平荷载的作用也不容忽视，应在路面设计过程中加入对水平荷载的考虑。 当层间接触条件为不连续时，路表弯沉、层底拉应力和路表水平位移均较大。路表弯沉是我国路面设计使用寿命的重要指标：弯沉值越大，路面能承受的轴载次数越少；层底拉应力过大使路面容易产生疲劳破坏，而出现疲劳裂缝，影响使用寿命；路表过大的水平变形使路面更容易出现塑性变形，从而发生拥挤、推包、车辙等永久变形的可能性增大。因此，在路面施工过程中应加强管理和规范施工，以提高层间接触的连续性：一方面，在铺设面层之前应对基层顶面进行清扫，避免浮灰、素土夹层造成层间剥离现象出现；另一方面，注意透封层以及下面层施工时的控制，尽量避免透层油渗透深度
11、不够以及面层施工温度过低造成层间粘结力降低的情况。 对于低等级公路，由于其路线线形指标一般较低，车辆行驶时易出现刹车以及转弯而造成较大的水平力。同时，一般低等级公路面层厚度均较薄。这两点均易造成路面容易出现疲劳破坏和永久变形，特别对于非连续接触条件下，影响更突出。因此，对于低等级公路，更应重视施工期间的控制，加强面层-基层之间接触的连续性，提高路面使用寿命和使用质量。 参考文献 1沙庆林， “高速公路沥青路面早期破坏现象及预防” ，人民交通出版社，2001.5。 2胡小弟、孙立军、胡德亮、 “非均布水平及竖向力下沥青路面力学响应分析” ，华中科技大学学报，第 1 期，2004。 3谢水友、郑传超， “水平荷载对沥青路面结构的影响” ，长安大学学报，第 2 期，2004。 4邓学钧、李昶， “水平荷载作用下的路面结构应力” ，岩土工程学报，第 4 期，2002。 5孙立军. 沥青路面结构行为理论 M. 上海: 同济大学出版社, 2003. 37-153. 作者简介 1 姓名：易昕 性别：男 籍贯：湖南省冷水江市人 出生年月： 1980 年 12 月 学位：硕士 职称：工程师 2006 毕业于湖南大学土木工程学院，至今一直在安徽省交通规划设计研究院从事道路设计工作。 姓名：黄杰 性别：男 籍贯：安徽省合肥人 出生年：1977 学位：硕士 职称：工程师
