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超限对三种沥青路面的力学影响
2019年04月04日    阅读量:2505    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

随着我国国民经济和公路交通运输事业的发展,运输车辆中大型货运车辆的比重不断增加,且车辆超限的现象十分普遍。河北省干线公路运输车辆的调查显示,超限车辆占满载车辆的80%左右,超限率(超限轴重与核定轴重的比)一般为60%100%。天津市汽车超限情况的调查显示,80千牛顿以上载重车约占车辆总数的10%30%,其中超限车约占重车的30%70%,平均超限率为50%70%,最大超限率达到了177%中国沥青网sinoasphalt.com。调查还发现,80%90%的载重25千牛顿以上货运汽车超限,尤其以运建材、煤、钢材等重物的车辆超限最为严重。


在各等级道路上,车辆超限导致道路使用性能急剧下降,极大地减少了高等级路面的使用寿命,同时随着各等级道路性能的衰减,会引发一系列社会问题。因此,相关部门应对车辆超限问题给予足够的重视。超限问题已经成为各个国家的研究热点,国外一些研究机构也曾对此进行过一些有益的研究,如美国国有公路管理员协会(AASHO)通过环路试验研究了超限对路面结构的破坏作用,认为车辆对路面的破坏性与轴载的N次方成正比,即对路面的破坏具有很大的影响。


超限对不同的沥青路面有不同的损坏,随着荷载的增加,对路面损坏程度也会有所不同。因此本文选取目前最常见的三种路面形式:半刚性基层沥青路面、柔性基层沥青路面和复合式基层沥青路面,采用壳牌软件BISAR3.0,分析不同超限情况对三种沥青路面的力学影响。


沥青路面结构及计算指标


沥青路面结构参数


对半刚性基层、柔性基层及复合式基层沥青路面进行超限力学分析,泊松比参考美国SHRLTPP中的推荐值,参考沈金安教授在《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》一书中对层间接触条件的假设:(1)各沥青层之间为连续接触;(2)沥青层与级配碎石层为光滑接触;(3)沥青层或级配碎石与无机结构料稳定集料之间。一般认为,在半刚性材料未损坏之前可按连续、损坏以后按滑动计算(此处按照连续接触)


计算指标


沥青面层抗疲劳破坏能力


沥青面层在荷载作用下的破坏形式主要有Top-DownDown-Top两种,其发生的初始位置不同:Top-Down是沥青路面表层,Down-Top是沥青面层的底部,但两者的破坏标准相同,都是当初始位置处的拉应力(应变)超过沥青混合料的极限抗弯拉强度时发生破坏,或者是重复荷载作用下,累计当量轴载作用次数超过沥青混合料的疲劳标准时发生破坏。经验表明,仅在轮胎荷载作用下Down-Top破坏模式占主要部分。为分析超限作用对沥青面层的抗疲劳破坏能力的影响,对不同荷载作用下沥青路面面层底部最大拉应变进行分析。


半刚性基层抗疲劳破坏能力


半刚性基层在荷载作用下的破坏主要是Down-Top形式,为分析超限作用对半刚性基层的抗疲劳破坏能力的影响,对不同荷载作用下半刚性基层底部最大拉应力进行分析。


沥青路面抗永久变形能力


沥青路面抗车辙能力的评价指标,通常有路基顶面压应变与沥青层竖向应力两种。其中,沥青层竖向应力既能表征沥青面层的压密变形,又能体现沥青面层的剪切变形,被当作沥青路面抗车辙能力的常规指标,但是这只能表征沥青路面表层性能,无法表征其他结构层变形情况;沥青路面各结构层的竖向变形引起结构性车辙,路基顶面压应变可以充分反映其大小。因此,本文选取路基顶面压应变作为评价指标,对沥青路面的抵抗永久变形能力进行研究。


不同荷载下沥青路面力学响应


除考虑标准轴载外,还考虑更大的轴载情况,计算荷载参数:大货车超限时,轮胎的充气压力和作用面积都增加;大货车超载时,轮胎的充气压力增加但是作用面积不变;按照静荷载处理,不考虑因行车制动加速等情况下对沥青路面的影响,本文中的荷载均为轮胎荷载。


随着荷载胎压的增加,三种沥青路面的面层层底最大拉应变逐渐增加,其中柔性基层沥青路面的变化趋势最为显著。由此可见,其沥青面层层底拉应变的轴载敏感性远大于其他两种沥青路面,轮胎1作用下,半刚性基层沥青路面与复合式基层沥青路面的沥青面层层底最大拉应变基本没有变化;轮胎2作用下,当荷载小于0.840时,面层底部拉应变有一定的增加,之后沥青面层底部的拉应变增加速率变慢。由此可见,半刚性基层沥青路面与复合式基层沥青路面的沥青面层底部的拉应变对荷载的敏感性较差,所以在重载交通沥青路面设计时,柔性基层沥青路面的指标考虑采用沥青面层层底应变,半刚性基层沥青路面与复合式基层沥青路面考虑其他指标。


基层层底拉应力


三种路面的基层层底拉应力及其对荷载的敏感性由大到小为:复合式基层沥青路面>柔性基层沥青路面>半刚性基层沥青路面;无论是轮胎1作用下,还是轮胎2作用下,随着荷载胎压的增加,三种路面的基层层底拉应力都逐渐增加,在轮胎1作用下荷载胎压由0.707MPa增加到0.88MPa,复合式基层、柔性基层沥青路面和半刚性基层沥青路面的基层层底拉应力分别增加了67.9%54.4%74.9%。在轮胎2作用下,胎压小于0.840MPa时,复合式基层和柔性基层沥青路面的基层层底拉应力增加较快;胎压超过0.840MPa,两者路面的基层层底拉应力增加速度变缓。复合式基层沥青路面和柔性基层沥青路面相比,在相同的荷载作用下,有相同的抗弯拉疲劳破坏能力,但是复合式基层沥青路面产生的弯拉应力较大,因此,复合式基层沥青路面会比半刚性基层沥青路面提前出现基层疲劳开裂现象。


土基顶面压应变


三种路面的土基顶面压应变由大到小为:柔性基层沥青路面>复合式基层沥青路面>半刚性基层沥青路面,三种沥青路面的土基顶面压应变都随着荷载胎压的增加而增大,其中柔性基层沥青路面增加最快。轮胎1作用时,荷载胎压由0.707MPa增加到0.88MPa,柔性基层沥青路面的土基压应力和压应变分别增加了71.4%;因此从土基压应变考虑,超载对柔性基层沥青路面的影响更大。


通过分析,可以得出以下结论:从沥青面层底部最大拉应变和路基顶面压应变考虑,柔性基层沥青路面更容易破坏,且其对荷载的敏感性也最大,因此在重载交通沥青路面设计时,柔性基层沥青路面考虑选取沥青面层底部最大拉应变和路基顶面压应变指标。从基层底部拉应力考虑,相同的抗弯拉强度下,复合式基层沥青路面拉应力大于柔性基层沥青路面,因此出现基层疲劳开裂现象的时间要早于柔性基层沥青路面。


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