徐寅善1王金生2
1.浙江省交通运输科学研究院浙江杭州311305
2.杭州都市高速公路有限公司浙江杭州310024
摘要：为了深入揭示基层模量对沥青路面结构的影响，采用三维有限元软件建立不同路面结构模型进行计算，分析了不同路面结构在标准轴载作用下的动力响应变化规律。结果表明：随着模量的增加路表弯沉逐渐减小，并且随着模量的增大，减小的趋势趋于缓和；基层模量的增加可以改善面层底部的受力状态，而基层模量的增加对基层底面的受力是不利的；随着基层模量的增加，面层内的最大剪应力也随之增加；随着基层模量的增加，沥青层竖向压应力随之增加，但是影响程度随着模量的增加而逐渐减弱。
关键字：路面工程；沥青路面；基层模量；有限元分析；力学响应
0引言
随着我国交通运输的快速发展，半刚性基层沥青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式之一[1]。在半刚性基层沥青路面结构当中，基层是路面荷载的主要承重层，基层的强度和模量的大小直接关系到路面结构的承载能力的大小及路面的使用寿命。然而太高的强度和刚度，容易增加半刚性基层的收缩裂缝，从而导致路面形成反射裂缝，造成路面结构的早期破坏和使用寿命的降低，而且太高的模量和强度也会导致路面结构内部的剪应力和竖向压应力的增大，从而造成车辙和推移等高温稳定性的降低。因此，深入研究沥青路面基层模量对结构层内的动力响应的影响具有一定意义[2～3]。
本文利用有限元方法建立不同路面结构三维模型进行计算，分析了标准轴载作用下不同基层模量沥青路面结构层内的动力响应，研究成果对于深入揭示基层模量对沥青路面的影响具有重要意义。
1路面结构有限元模型
1.1路面结构的组成
为了研究重载交通沥青路面结构的力学响应，本文选取了两种典型路面结构进行计算分析，选取路面结构及各结构层的计算参数为：（1）结构一：上面层SMA-13（厚度4cm、模量1500Mpa、泊松比0.3）、下面层AC-25（厚度8cm、模量1000Mpa、泊松比0.3）、基层水泥稳定碎石（厚度36cm、模量1400Mpa、泊松比0.25）、底基层低剂量水泥稳定碎石（厚度16cm、模量1100Mpa、泊松比0.25）、土基（模量35Mpa、泊松比0.35）；（2）结构一：上面层SMA-13（厚度4cm、模量1500Mpa、泊松比0.3）、AC-20（厚度6cm、模量1200Mpa、泊松比0.3）、中面层、下面层AC-25（厚度8cm、模量1000Mpa、泊松比0.3）、基层水泥稳定碎石（厚度36cm、模量1400Mpa、泊松比0.25）、底基层低剂量水泥稳定碎石（厚度16cm、模量1100Mpa、泊松比0.25）、土基（模量35Mpa、泊松比0.35）。
1.2荷载相关参数
本文采用双轮均布荷载形式，在进行路面结构分析时，将把接地形状由圆形面积等效转换成矩形面积，轮压和接地面积随轴载增加而增加，轮心距保持不变。考虑重载交通作用，本文选定五种轴载级别（表2示）进行分析，经计算得出各级轴载接地压力和面积的计算参数[4]如表1。
1.3模型的建立
通过参考大量文献的分析结果表明[5～7]，模型几何尺寸宽度方向的大小在双轮加载间距的三倍以上即可满足精度要求，综合考虑对计算时间和结果精度的要求，本文采用模型宽度和长度均为5米，深度方向为6米，即5m×5m×6m模型。
边界条件假设为路面两侧和前后方向均轴向约束，底面固定，顶面完全自由，单元类型选用八节点六面体单元。三维模型中X方向表示行车方向，Y方向表示路宽方向，Z方向表示深度方向，本文中统一把三个方向分别称为纵向、横向和竖向，三维模型及网格划分情况如下图1所示。
图1路面三维模型及网格划分
2.基层模量对沥青路面力学响应的影响分析
本文对两种路面结构进行力学分析，变化基层模量计算标准轴载作用下的沥青路面力学响应，研究基层模量对路面结构的影响。基层模量的取值分别为：600，1000，1400，1800，2200，2600，3000，3500，4000，4500，5000。荷载作用方式和主要特征点如图2所示，特征点分别选取轮隙中心处O点、轮胎中心处A点、轮胎内边缘B点及轮胎外边缘C点。
图2荷载图示及各特征点示意图
2.1沥青路面弯沉
改变基层模量取值，计算轮胎中心位置下的路表弯沉，得到了两种路面结构不同基层模量下的路表弯沉，计算结果如表2所示。
由计算结果可知，路表弯沉随基层模量的增大而减小，而且在基层模量较小时，路表弯沉减小的速率较快，随着模量的增大，减小的趋势趋于缓和。这说明基层模量的增加可以有效地减小路面弯沉，但是不应该一味的增大基层模量，因为路表弯沉随着基层模量的增加趋于平缓，此时再提高基层模量就不经济。
2.2基层模量对沥青层底面拉应力的影响
为了研究基层模量对沥青层底面拉应力的影响，选用不同基层模量对两种路面结构计算沥青层底面拉应力。计算结果见表3。
随着基层模量的增加，面层底面受力状态从受拉变到了受压，即基层模量的增加改善了面层底部的受力状态。从表中可以看出，当基层模量大于1000MPa时，面层底面转为受压状态，过大的基层模量对改善面层底部的受力状态已不起作用。
2.3基层模量对基层底面拉应力的影响
选用不同基层模量值对前述的两种路面结构计算基层底面拉应力，以研究基层模量对基层底面拉应力的影响。计算结果见表4。
由上表可以看出，随着基层模量的增加，基层底面的受力状态从受压变成了受拉，即基层模量的增加对基层底面的受力是不利的。当基层模量取得过大，会导致基层底面拉应力超过容许拉应力而引起开裂，进而影响到路面结构。所以基层模量在保证面层受力有利的前提下不可太大。
2.4基层模量对沥青面层最大剪应力的影响
路面在使用过程当中，随着车辆荷载的不断作用，路面结构层在反复受到剪应力的作用，路面结构中最大剪应力越大，对路面的使用性能越不利，因此，有必要对路面结构中最大剪应力的影响进行分析。对两种路面结构沥青面层的最大剪应力进行计算，计算结果见表5。
由计算结果可知，随着基层模量的增加，面层内的最大剪应力也在增加。因此，模量高的基层较易使路面出现大的剪应力，对路面的稳定性有不利的影响。在高温时，较大的剪应力会使路面较易产生剪切破坏，形成推挤、拥抱等高温破坏形式。
2.5基层模量对沥青面层竖向压应力的影响
选取路面结构二，变化基层模量计算面层的竖向压应力，结果如表6所示。
从表7可以看出，随着基层模量的增加，沥青层竖向压应力也在增加，但是影响程度随着模量的增加而减弱。较大的基层模量会带来较大的竖向压应力，沥青层竖向压应力增大会使沥青混凝土产生压密变形，从而使得面层形成车辙的可能性增大。这也是强基路面产生早期破坏的原因之一。
3结论
（1）路表弯沉随基层模量的增大而减小，而且在基层模量较小时，路表弯沉减小的速率较快，随着模量的增大，减小的趋势趋于缓和。
（2）基层模量的增加改善了面层底部受力状态，但是过大的基层模量对改善面层底部受力状态的作用甚微。
（3）基层模量的增加对基层底面的受力是不利的，基层模量在保证面层受力有利的前提下不可太大。
（4）随着基层模量的增加，面层内的最大剪应力也随之增加，较高模量的基层较易使路面出现大的剪应力，对路面的稳定性有不利的影响。
（5）随着基层模量的增加，沥青层竖向压应力随之增加，但是影响程度随着模量的增加而逐渐减弱。
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资助项目：浙江省