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最新力学类论文 荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

2018-12-01 13:09:55来源:组稿人论文网作者:婷婷

  [摘 要]:本文通过分析荒漠地区恶劣自然环境下的重荷载交通沥青路面使用状况,利用有限元分析,选择路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为路面结构作为设计指标;得出荒漠地区耐久性沥青路面结构受力分布。结果表明:不同轮载作用下路表最大竖向变形与轮载近似成线性关系,随着轴载的增大,最大竖向变形逐渐增大;路表最大拉应力以轮轴线呈现对称分布;路面结构层内的剪应力随深度增加而增大,剪应力达到峰值处位于距路表5cm处。研究成果可为荒漠地区耐久性沥青路面选材与结构设计提供科学的理论支撑与技术指导。

  [关键词]:耐久性;沥青路面;结构设计;力学分析;

  0引言

  路面结构设计中,并非所有的损坏类型都可以被人们控制,但鉴于路面损坏模式的多样性,各种损坏对路面使用性能具有不同性质和不同程度的影响,因此不同于其他结构物设计,沥青路面设计结构的临界状态和设计指标不能仅用一种损坏模式的临界状态和单一的设计指标,必须采用多种临界状态和多项设计指标。国外设计方法一般考虑疲劳开裂、车辙和低温开裂等方面,而我国长期采用弯沉作为路面设计指标。弯沉是一个综合指标,控制的层次或路面的损坏类型难以用弯沉指标准确表明。理论分析表明,路基是绝大部分路面弯沉来源,路面结构实测结果验证这一结论的实用性差强人意,面对路面材料不断的出现,设计者采取弯沉理论作为设计指标会感到莫衷一是。弯沉指标还不能准确反应结构的受力状况,基于此,开展荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学研究具有较高理论价值与指导意义。 1荒漠地区耐久性沥青路面结构设计思想与方法

  按照路面性能进行路面结构设计是一种趋势,能够综合考虑影响路面性能的各种因素和路面的损坏状况。路面损坏大体上可以分为4类,即开裂类、变形类、表面损坏类和其他类。变形类损坏中,只有车辙是一种普遍存在的损坏,且与荷载重复作用关系密切,是进行结构定量设计时所应考虑的主要变形类因素。本研究采用按性能设计、按力学验算的思想,将基于性能的方法和基于力学的方法结合起来,采用的设计指标为: = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT ①路面性能指数PCI; = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT ②路表面弯沉; = 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT ③路面车辙。

  2耐久性沥青路面结构模型参数选取

  基于荒漠地区路面结构形式以及沥青路面结构组合型式,参照规范中路面结构厚度与路面结构层模量的规定,研究采用沥青路面结构参数如 REF _Ref237858164 \h \* MERGEFORMAT 表1所示。

  表1 沥青路面结构参数

  道路等级结构层厚度(cm)回弹模(MPa)泊松比城市主干道

  或快速路沥青上面层415000.35沥青中面层512000.35沥青下面层610000.35半刚性上基层3515000.2底基层207000.2土基-400.4路面结构物理模型在长度和宽度方向取6m,深度也取6m。行车方向为x方向,路面横向为y方向,z方向垂直路面向上。有限元采用8节点六面体实体单元。边界条件假设:底面全部固定,y方向无位移,x方向无位移,面层表面为自由面。层间接触状态视为连续。路面结构单元网格划分如图1、图2所示。

  图1 沥青路面结构模型 图2 网格划分后沥青路面结构有限元模型

  3耐久性沥青路面结构轮胎作用形式分析

  实际作用于路面的轮胎形状和垂直压力十分复杂,不能用多层弹性理论中的圆形均布简单描述,作用于路面上的轮胎形状近似于矩形,荷载不断增加,越接近矩形。在本文中采用荷载接触面积模型如图3所示。

  图3荷载接触面积模型

  假设轮胎压印长度为L、宽度为0.6L、接触面积为,单轮作用时,轮胎的接地印迹可近似为一个面积为0.4L×0.6L的矩形加上两个半径为0.3L的半圆形,如 REF _Ref247124413 \h \* MERGEFORMAT 图3所示,可以得到下式:

  (公式1)

  (公式2)

  等效矩形的长度为:

  (公式3)

  关于双轮中心间距说法不一,在以弹性层状体系为设计理论的沥青路面设计方法中,双轮中心距等于3倍的轮载接地面当量圆半径。孟岩,郭林泉,谈至明在《路面载重车辆的荷载特征》中提出双轮中心间距和额定轴载之间具有很好的相关性,其回归关系式为,。,分别表示后轴双轮中心距mm, 是额定轴载KN。如 REF _Ref247300878 \h \* MERGEFORMAT 图4。

  图 4双轮中心距与额定轴载关系图

  为了简化计算,本研究采用表2中数值。

  表2 载重车辆后轴双轮中心距计算值

  轴载/KN双轮中心距/cm10032(100,130]34(130,160]36(160,200]36>20038进行接地压力的实测,从其测试的数据发现,当轴载增加的时候,轮胎的接地压力急剧增加,数据见表3所示。

  表3 轮印和轮压的取值

  单轮轮载p/2 (kN)2525.932.537.341.969.2双轮中心距(cm)323434363638轮胎接地压力(MPa)0.70.830.941.071.531.94接触面积A0(cm2)357.1312.0345.7348.6273.9356.7单轮印宽0.6L(cm)15.714.715.415.513.715.7单轮轮长L*(cm)22.821.322.422.519.922.74不同轴载作用下路面力学响应分析

  4.1路表竖向变形分析

  (1)路表最大竖向变形分析

  对沥青路面力学在不同垂直荷载作用下的反应进行对比分析,路面弯沉是路基和路面结构不同深度处竖向变形的总和。 REF _Ref237943871 \h \* MERGEFORMAT 图5- REF _Ref237941189 \h \* MERGEFORMAT 图7显示出不同轮载下路表弯沉关系图。

  图5 不同轴载作用下路表竖向变形

  由图5可知,不同轮载作用下路表最大竖向变形与轮载近似成线性关系,随着轴载的增加,最大竖向变形直线上升;同一轴载作用下,双轮荷载作用位置处最大竖向变形最大,当轴载为276.8KN时,路表最大竖向变形是标准轴载作用下的2.73倍。路面弯沉是路基和路面结构不同深度处竖向变形的总和,竖向变形增大即弯沉增大。以路表弯沉值作为控制指标现行沥青路面设计中,弯沉值表征着路面结构的整体强度,弯沉值增大意味着路面整体结构强度的降低,就会引起路面使用性能的下降,路面整个使用寿命缩短。

  (2)路表竖向变形变化趋势

   REF _Ref237941184 \h \* MERGEFORMAT 图6、 REF _Ref237941189 \h \* MERGEFORMAT 图7给出了不同轮载下路面竖向变形沿横向、纵向变化趋势。 REF _Ref248237806 \h \* MERGEFORMAT 图8给出了路面表面竖向变形云图。

  图6不同轴载作用下路表竖向沿横向变形曲线 图7不同轴载作用下路表竖向沿纵向变形曲

  线

  图8 路表竖向变形云图

  由图6、图7、 REF _Ref248237806 \h \* MERGEFORMAT 图8可知,沥青路面表面最大竖向变形出现荷载作用位置处,并向四周同比例扩散,竖向变形以轮轴线呈现对称分布。

  4.2路面结构层拉应力分析

  (1)路面结构内最大拉应力分析

  路面结构内的最大拉应力、拉应变是引起结构层疲劳破坏的主要影响因素之一。本研究着重分析不同轴载作用下路面结构层内最大拉应力、拉应变。 REF _Ref238114732 \h \* MERGEFORMAT 图9、 REF _Ref247978865 \h \* MERGEFORMAT 图10给出了不同轴载作用路面结构层内最大拉应力、最大拉应变变化规律。

  图9 不同轴载作用下路面结构内最大拉应力 图10 不同轴载作用下路面结构内最大拉应变

  由 REF _Ref238114732 \h \* MERGEFORMAT 图9、 REF _Ref247978865 \h \* MERGEFORMAT 图10可知,路面结构内的最大拉应力与最大拉应变随着轴载的增加而增大,且变化趋势相似,当轴载为276.8KN时,路面结构内最大拉应力是标准轴载的2.83倍。

  (2)路面拉应力分布

  路面结构内的最大拉应力出现位置坐标如 REF _Ref247984746 \h \* MERGEFORMAT 表4:

  表4 最大拉应力出现位置

  轴载/KN最大拉应力位置(X-路面横向,Y-路面纵向,Z-深度方向)1000.078(0.13713 ,0.24023,0.0000)103.60.092(0.13296 ,0.23038,0.0000)1300.113(0.13681 ,0.24051,0.0000)149.20.122(0.13798,0.24152 ,0.0000)167.60.173(0.11985,0.23465,0.0000)276.80.221(0.13941,0.25398,0.0000)由 REF _Ref247984746 \h \* MERGEFORMAT 表4可知,路面最大拉应力均出现在路面表面,且出现在荷载作用边缘。 REF _Ref238183791 \h \* MERGEFORMAT 图11显示了路面表面的拉应力变化趋势,最大拉应力出现在A处,且拉应力以轮轴线或其垂线对称分布:

  图11 路表拉应力分布 图12路表拉应力延深度方向分布

  4.3路面结构层内剪应力分析

  (1)路面结构层内最大剪应力分析

  由图13可知,随着轴载的增大,沥青面层内最大剪应力随之增大。当轴载由100KN增大到267KN时,最大剪应力峰值由0.234MPa增大到0.654MPa,增幅为180%,表明重载车辆荷载作用下,面层内剪应力很大,很容易产生一次性剪切损坏。

  图13不同轴载作用下路面结构内最大剪应力

  (2)路面最大剪应力出现位置

  路面结构内的最大剪应力出现位置坐标如 REF _Ref248235686 \h \* MERGEFORMAT 表5。

  表5 最大剪应力出现位置

  轴载/KN最大剪应力位置(X-路面横向,Y-路面纵向,Z-深度方向)1000.234(0.0000,-0.19925,-0.050000)103.60.283(0.0000, -0.20675,-0.050000)1300.339(0.0000, 0.21325,-0.050000)149.20.361(0.0000,0.21875,-0.050000)167.60.531(0.0000,0.21425,-0.050000)276.80.654(0.0000,0.22925,-0.050000)由 REF _Ref248235686 \h \* MERGEFORMAT 表5可知,随着轮载的增大,沥青路面结构层内剪应力随之增大。当轴载较大时,剪应力影响范围更大。

  (3)路面剪应力分布

  图14给出了不同轴载作用下剪应力随深度方向变化曲线,图15为剪应力沿深度方向扩散云图。

  图14不同轴载作用下剪应力随深度方向变化曲线 图15剪应力沿深度方向扩散云图

  由图14、图15路面内的剪应力随着深度的变化规律为:剪应力随深度增加而增大,剪应力达到峰值处为在距路表5cm,随后剪应力随深度增加而减小。重车较多的路段,碾压一次或几次就可能发生路面剪切损坏。过大垂直荷载的沥青路面会引起结构层内部剪应力超过面层材料的抗剪强度,导致路面发生车辙剪切损害,这种剪切损坏十分严重,往往造成路面结构的整体性破坏。

  5结论

  本文通过对荒漠地区典型沥青路面结构病害调查、典型沥青路面结构组合使用性能分析,采用现场路面荷载数据分析与有限元仿真分析,提出荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标,得出了荒漠地区耐久性沥青路面结构力学分布规律,其研究结果如下:

  (1)通过对比分析传统力学经验法与单一路用性能设计理念,提出了采用按性能设计、按力学验算的思想,将基于性能的方法和基于力学的方法结合起来,采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为西北荒漠地区耐久性沥青路面结构的设计指标。

  (2)分析得到,不同轮载作用下路表最大竖向变形与轮载近似成线性关系,随着轴载的增大,最大竖向变形逐渐增大;同一轴载作用下,双轮荷载作用位置处最大竖向变形最大,当轴载为276.8KN时,路表最大竖向变形是标准轴载作用下的2.73倍。

  (3)研究表明,路表面最大拉应力均出现在路表,且出现在荷载作用边缘,拉应力以轮轴线或其垂线对称分布。

  (4)分析发现,随着轴载的增大,沥青面层内最大剪应力逐渐增大。当轴载由100KN增大到267KN时,最大剪应力峰值由0.234MPa增大到0.654MPa,增幅180%,表明重载车辆荷载作用下,面层内剪应力很大,容易产生一次性剪切损坏。

  (5)研究得到,随着深度的不断变化路面结构层内的剪应力规律为,随着深度增加而增大,在距路表5cm处剪应力达到峰值,之后随着深度增加而减小。

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