移動荷載作用下長大縱坡飽和瀝青路面的水力耦合分析

王海峰，但漢成，滕旭秋（.寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川 750000；.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 40075；.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 70070）

移動荷載作用下長大縱坡飽和瀝青路面的水力耦合分析

王海峰1，但漢成2，滕旭秋3
（1.寧夏公路建設(shè)管理局，寧夏 銀川 750000；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；3.蘭州交通大學(xué)，甘肅 蘭州 730070）

為了解長大縱坡飽和瀝青路面的水損害機(jī)理，基于Biot固結(jié)理論和多雨地區(qū)長大縱坡的特點，建立了在移動荷載作用下長大縱坡飽和瀝青路面“面層-基層-路基”二維三層體系水力耦合模型和水力耦合控制方程，在面層底部為完全排水邊界條件下全面系統(tǒng)地分析了車輛荷載、荷載移動速度和縱坡坡度對面層中正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和面層位移等物理量分布的影響，為長大縱坡瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和參考。結(jié)果表明：車輛荷載和荷載移動速度對面層中正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和面層位移產(chǎn)生顯著影響，而縱坡坡度對面層中正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和面層位移幾乎不產(chǎn)生影響。

長大縱坡；飽和瀝青路面；移動荷載；水力耦合；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

0　引言

目前，長大縱坡瀝青路面水損壞被認(rèn)為是最常見的一種路面早期破壞行為，但其損害機(jī)理到現(xiàn)在為止還不明確。在出現(xiàn)了這種損害之后，研究者們通常都是通過室內(nèi)試驗?zāi)M或者從化學(xué)和物理方面研究靜水作用下瀝青膜是怎樣剝落的[1]，但對超載、車速、坡度對路面內(nèi)孔隙水壓力、正應(yīng)力、剪應(yīng)力和位移產(chǎn)生何種影響等一系列問題研究得還不夠深入。為了闡述水對路面的破壞機(jī)理，Khalili等從不同角度、采用不同方法研究了動載荷和水的耦合作用下路面各種物理場的分布情況，傅搏峰等[2]以Biot固結(jié)固結(jié)理論、疲勞損傷力學(xué)原理和各向同性線彈性損傷理論為基礎(chǔ)，建立了瀝青路面水損害的力學(xué)分析模型。學(xué)者們雖然對水損壞是如何發(fā)展以及水對路面的作用進(jìn)行過一些研究和總結(jié)，但事實上都是從經(jīng)驗出發(fā)，缺乏理論方面的定量研究。因此，本文提出了長大縱坡飽和瀝青路面的數(shù)值計算模型，綜合考慮在行車荷載、水以及坡度的共同作用下路面的受力情況，從理論上研究了長大縱坡水損壞的破壞機(jī)理，然后盡可能提出有效的防治措施，具有一定的理論指導(dǎo)和工程意義[3]。

1　水力耦合模型及動態(tài)響應(yīng)控制方程

1.1水力耦合模型

選取長大縱坡路面的一部分作為研究對象，建立一個以x軸為路面橫向、z軸為路面深度方向，包含面層、基層和路基的二維模型。把縱坡路段面層視為飽和的彈性多孔介質(zhì)，面層厚度為H1，把縱坡路段基層和路基視為干燥的彈性介質(zhì)，基層厚度為H2，路基的厚度為H3?，F(xiàn)假定路基在某一深度處的位移為0，或者路基在某一深度處固定于剛性路床上，將面層、基層和路基的橫向?qū)挾纫暈闊o限大，縱坡路段面層內(nèi)的水在車輛荷載作用下可以自由溢出頂面。本文考慮了縱坡路段面層處于最不利條件下的水損害情況，即面層孔隙都處于飽水狀態(tài)[3-4]，二維模型如圖1所示。

圖1　水力耦合模型示意圖

根據(jù)長大縱坡飽和瀝青路面的狀況，基于Mat?lab編程計算，建立了能夠分析縱坡段瀝青路面水損壞的簡化模型。為了方便建立模型，還需做如下假設(shè)[5-6]：

①路面各結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)的各向同性的彈性材料；

②在荷載作用下面層材料會產(chǎn)生變形，但假定滲透系數(shù)保持不變；

③仍然可以采用達(dá)西定律描述液相的動量；

④固相和液相的體積應(yīng)力不計；

⑤各結(jié)構(gòu)層間位移和應(yīng)力連續(xù)；

⑥孔隙水和瀝青混凝土均不可壓縮，即只有變形，沒有體積變化；

⑦不考慮水平荷載的作用。

長大縱坡瀝青路面面層由瀝青和集料組成，瀝青和集料具有孔隙，水填充于孔隙中。假設(shè)液相運動的平均速度為n（nx和nz），固相運動的平均速度為w（wx和wz），液相的密度為ρf，固相的密度為ρs，孔隙率為n。根據(jù)Biot動力固結(jié)理論，有如下控制方程[7]：

式（1）~式（3）中：Cm為多孔介質(zhì)壓縮系數(shù)（Pa-1）；Cs為固相材料的壓縮系數(shù)（Pa-1）；a為Biot固結(jié)系數(shù)，a=1-Cs/CM；Sp為孔隙的彈性釋水系數(shù)（Pa-1），表示為Sp=nCf+(a-n)Cs；Cf為液相（水）的壓縮系數(shù)；ev為體積應(yīng)變；k為滲透系數(shù)（m/s）；sx、sz、tzx為固相在x、z面上的正應(yīng)力（Pa）和剪切應(yīng)力（Pa）；p為孔隙水壓力（Pa）；k為滲透率（m2）；?為孔隙分布的曲率系數(shù)；m為孔隙水的動力黏滯系數(shù)（Pa·s）；gw為水的容重（kg·m-2·s-2）；t為時間坐標(biāo)；?2為Laplace算子。

式（1）為由質(zhì)量守恒定律得到的連續(xù)性方程，式（2）為液相與固相共同作用下的動量方程，式（3）為液相的動量方程。

根據(jù)本文模型的第③條假設(shè)，可以將式（3）等號右邊整體化為0；對于二維平面應(yīng)變問題，依據(jù)Hooke應(yīng)力應(yīng)變原理以及材料的阻尼特性，由上述質(zhì)量守恒定律控制方程（式（1））、液相與固相動量控制方程（式（2））和液相動量方程（式（3））可以得到面層、基層和路基動態(tài)響應(yīng)控制方程。

面層滲流模型的動態(tài)響應(yīng)控制方程為：

根據(jù)對面層系統(tǒng)的研究，同樣，基層和路基也可以采用動力平衡方程來描述。

基層模型的動態(tài)響應(yīng)控制方程為：

路基模型的動態(tài)響應(yīng)控制方程為：

G*為復(fù)彈性剪切模量，可以表示為：

式中：d為材料阻尼系數(shù)；G為固相在靜止?fàn)顟B(tài)下的剪切模量（Pa）；i為復(fù)數(shù)，i=。

1.2面層、基層和路基模型的動態(tài)響應(yīng)控制方程通解

1.2.1移動交通荷載表達(dá)式

在二維情況下，可以將交通荷載簡化為條形荷載。荷載寬度為2l，強(qiáng)度為F，以速度c移動。作用于路面的荷載采用Fourier級數(shù)展開。假設(shè)從第一次荷載作用到下一次荷載作用的距離為2L（如圖1所示），這個長度可以看作是兩個交通荷載之間的距離，移動荷載函數(shù)（t=0）可以表示如下[8-10]：

式中：Re表示取實部值，F(xiàn)m和ωm均為只與m有關(guān)的函數(shù)，ωm=2πmT；T為移動荷載的分布周期，文中設(shè)為2L；m為實數(shù)，范圍為-∞到+∞。

如果采用移動坐標(biāo)體系，即假設(shè)坐標(biāo)體系的移動速度和移動方向與荷載的移動速和方向相同，那么移動荷載在任意時刻t的Fourier級數(shù)表達(dá)式如下：

根據(jù)Fourier變換和坡度，作用于縱坡路面的Fm可以表示為：

式中：a為坡面的夾角。

1.2.2控制方程的求解

由于面層的性質(zhì)是獨立于坐標(biāo)系統(tǒng)的（各向同性），線性系統(tǒng)中的任何函數(shù)f(x,z,t)都可以表示為一組線性的諧函數(shù)的級數(shù)和[8]，其表示形式如下：

式中：Fm(z)僅為獨立變量z的函數(shù)，F(xiàn)m(z)=Fm為m次諧函數(shù)，指數(shù)函數(shù)部分僅為x-ct的函數(shù)。

根據(jù)式（12），面層控制方程可以表示為：

式（12）中的參數(shù)分別為：

式中：G1為面層材料的剪切模量（Pa）；v1為面層材料泊松比。

因此，式（13）的通解可以表示為：

將式（14）代入到式（13）后簡化得到：

其中：

qj=(1，2，…，6)為以下六階多項式（式（17））的解：

同理可得基層動態(tài)響應(yīng)控制方程通解：

四階多項式根，這個四階多項式為：

式（19）中的參數(shù)表示為：

式中：G2為基層材料的剪切模量（Pa）；v2為基層材料泊松比。

路基動態(tài)響應(yīng)控制方程通解為：

式中的參數(shù)表示為：

式中：G3為路基材料的剪切模量（Pa）；v3為路基材料泊松比。

1.3邊界條件

要得到控制方程的解，就必須計算出積分常數(shù)，即Ajm(j=1,2,3,4,5,6)、Bjm(j=1,2,3,4)和Cjm(j= 1,2,3,4)，Ajm、Bjm及Cjm表示矩陣。由于車輪與瀝青路面之間的摩擦為滾動摩擦，滾動摩擦力與長大縱坡路面上的車輛荷載相比，數(shù)量級特別小，所以車輪與路面產(chǎn)生的摩擦力的大小忽略不計。為了使得求解控制方程簡易化，假設(shè)車輪與面層的剪切應(yīng)力為0。綜上所述，得到下面的邊界條件：在面層頂面，即z=0處，剪應(yīng)力txz=0，z方向正應(yīng)力σz= F，孔隙水壓力p=0；在面層底部的位移邊界條件，即z=H1處，x方向的位移xx=d1，z方向的位移xz=δ2；同時在面層底部，為完全排水邊界（p=0），即只考慮完全排水邊界，不考慮不排水邊界。就基層和路基模型而言，根據(jù)前文的連續(xù)性假設(shè)，可得到對應(yīng)的邊界條件，這里不再羅列[11]。

1.4位移、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和正應(yīng)力的表達(dá)式

根據(jù)面層、基層和路基的邊界條件，利用Mat?lab編程計算可得位移、應(yīng)力，然后代入路面系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)控制方程的通解中，就可得到位移ξx、孔隙水壓力p、剪應(yīng)力txz和正應(yīng)力σx的表達(dá)式：

2　數(shù)值計算與分析

本文選擇的荷載表達(dá)式為Fourier級數(shù)展開式，荷載函數(shù)為4 048個諧函數(shù)的級數(shù)和，輪胎與路面的接觸壓力為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的荷載F（標(biāo)準(zhǔn)情況下接觸壓力為0.701 3MPa）。此外，還考慮了其他超載情況?？v坡坡度選取了0、2%、4%和6%四種情況，荷載移動速度c也采用了四種作計算對比：20m/s、40m/s、60m/s和80m/s。其他參數(shù)為：l=0.1m（輪胎與底面接觸的單寬為0.2m），L= 50m（荷載間距為100m），H1=0.2m，δ=5%（多孔介質(zhì)材料阻尼系數(shù)）[5]。沿著水平方向（xt=x-ct為變量）[12]，如果以xt作為參考坐標(biāo)的話，動力響應(yīng)可視為穩(wěn)態(tài)分析，時間這一概念將被xt所替代，這樣就將抽象的時間概念轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w位移形式，此時將z=0.1m（可設(shè)z等于其他深度值）處作為計算觀察斷面，其他參數(shù)見表1和表2[5]。

表1　與交通荷載和路面材料有關(guān)的參數(shù)

表1（續(xù)）

2.1車輛荷載的影響

本節(jié)將分別研究標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載率為20%、40%、60%和80%五種情況，選取路面縱向坡度為4%，滲透系數(shù)k=10-6m/s，荷載移動速度c=40m/s，研究在不同荷載作用下路面正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和水平位移沿著路面橫向的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖2~圖5所示。

圖2　不同軸載下正應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖3　不同軸載下孔隙水壓力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖4　不同軸載下剪應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖5　不同軸載下水平位移沿著水平方向的變化規(guī)律

從圖2可以看出，無論是標(biāo)準(zhǔn)軸載還是超載的情況，面層正應(yīng)力沿著路面水平方向的分布特點相同，都是關(guān)于原點對稱，正應(yīng)力在荷載接近觀察斷面大約xt=±1m處出現(xiàn)劇烈變化，在較遠(yuǎn)處變化比較平緩，并在xt=0處達(dá)到了最大值，且其峰值為正值（面層受拉），即拉應(yīng)力區(qū)集中出現(xiàn)在面層荷載作用中心處；當(dāng)荷載由標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN增大到120kN、140kN、160kN和180kN時，最大正應(yīng)力分別增加了19.9%、39.9%、59.9%和79.8%，說明超載情況下的正應(yīng)力大于標(biāo)準(zhǔn)軸載下的正應(yīng)力。由此可以看出，超載對正應(yīng)力的影響非常顯著，是不可忽視的因素之一。

從圖3可以看出，同水平正應(yīng)力一樣，孔隙水壓力也在xt=±1m時出現(xiàn)劇烈變化，在較遠(yuǎn)處變化比較平緩，孔隙水壓力在xt=0處達(dá)到最大值，孔隙水壓力沿水平方向先衰減后增大；當(dāng)車輛荷載由標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN增大到180kN時，最大孔隙水壓力由5.07×105Pa增大到9.12×105Pa，這就說明超載情況下孔隙水壓力要大于標(biāo)準(zhǔn)軸載下的孔隙水壓力，車輛超載情況越嚴(yán)重，面層內(nèi)產(chǎn)生的孔隙水壓力也就越大。因此，在長大縱坡路段，為防止路面過早破壞，就要嚴(yán)格限制車輛超載。

從圖4可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，剪應(yīng)力迅速減小，最后趨于0；當(dāng)荷載移動距離xt為0～1m時，剪應(yīng)力先增大后減小，在xt=0時剪應(yīng)力等于0；在荷載邊緣（xt=±0.1m）處，面層中的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，方向相反。整體來看，剪應(yīng)力沿觀察面水平方向變化響應(yīng)程度不一致，超載下的剪應(yīng)力要大于標(biāo)準(zhǔn)軸載下的剪應(yīng)力。當(dāng)車輛荷載由標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN增大到180kN時，剪應(yīng)力由1.29×10-5Pa增大到2.32×10-5Pa。

從圖5可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，水平位移隨水平方向長度增大而增大；當(dāng)荷載移動距離xt為0～1m時，水平位移隨水平方向長度增大而減?。划?dāng)荷載移動距離xt=0時，水平位移為0。由此可知，荷載在移動過程中，面層水平位移隨水平方向長度變化的響應(yīng)不一致，越接近觀察面，這種變化幅度就越大；同時，隨著車輛荷載的增大，水平位移也相應(yīng)增大。

2.2荷載移動速度的影響

本小節(jié)研究在荷載移動速度c為20m/s、40m/s、60m/s和80m/s四種情況下，選取路面縱向坡度為4%，面層滲透系數(shù)k=10-6m/s，軸載為靜載作用下的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100（荷載壓力為0.701 3MPa），研究在不同荷載移動速度下路面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力水平位移和孔隙水壓力沿著路面橫向的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖6~圖9所示。

圖6　不同移動荷載速度下正應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖7　不同移動荷載速度下剪應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖8　不同移動荷載速度下水平位移沿著水平方向的變化規(guī)律

圖9　不同移動荷載速度下孔隙水壓力沿著水平方向的變化規(guī)律

從圖6可以看出，正應(yīng)力在xt為-1～1m處出現(xiàn)劇烈變化，在較遠(yuǎn)處變化相對較平緩，并且在xt=0處達(dá)到最大值，且其峰值為正值（面層受拉），即拉應(yīng)力區(qū)集中出現(xiàn)在面層荷載作用中心處。整體來看，正應(yīng)力沿水平方向先減小后增大；當(dāng)荷載移動速度由20m/s增大到40m/s、60m/s和80m/s時，最大正應(yīng)力分別增大了5.4%、9.8%和16.0%和79.8，說明移動荷載速度越大，正應(yīng)力就越大。由此可以看出，移動荷載速度對正應(yīng)力的影響非常顯著，是不可忽視的因素之一。

從圖7可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，剪應(yīng)力迅速減小，最后趨于0；當(dāng)荷載移動距離xt為0～1m時，剪應(yīng)力先增大后減小，xt=0時剪應(yīng)力等于0；在荷載邊緣（xt=±0.lm）處，面層中的剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，剪應(yīng)力方向相反，而且剪應(yīng)力的變化趨勢沿觀察面變化響應(yīng)不一致。當(dāng)荷載移動速度由c=20m/s增大到c=80m/s時，沿著x軸正方向，面層最大剪應(yīng)力由0.125MPa增大到0.136MPa，可見荷載移動速度對水平方向的剪應(yīng)力影響不明顯。

從圖8可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，水平位移隨水平方向長度增大而增加；當(dāng)荷載移動距離xt為0～1m時，水平位移隨著水平長度的增大而減?。划?dāng)荷載移動距離xt=0時，水平位移為0；荷載移動至離開觀察面后，這種變化趨勢相反。由此可知，荷載在移動過程中，越接近觀察面，這種變化幅度就越大。整體來看，荷載移動速度對水平位移的影響不是太明顯。但也可以看出，荷載移動速度越快，面層水平位移也就相對越大。因此，荷載移動速度對路面的影響也是很重要的，如果長大縱坡上車輛行駛速度太慢，產(chǎn)生的水平位移就會使得路面出現(xiàn)推移和擁抱。

從圖9可以看出，孔隙水壓力沿著水平方向先減小后增大，在面層底部，孔隙水壓力接近于0，正的最大孔隙水壓力出現(xiàn)在荷載作用中心（xt=0）處，負(fù)的最大孔隙水壓力產(chǎn)生的位置隨著荷載移動速度的增大逐漸向觀察面移動；當(dāng)荷載移動速度由20m/s增大到80m/s時，最大孔隙水壓力由4.31×10-5Pa增大到5.67×10-5Pa，孔隙水壓力隨著荷載移動速度的增加而增加。當(dāng)荷載速度較小（c=20m/s）時，荷載駛向觀察面時孔隙水壓力沿水平方向上升，在xt=±1m處，急劇上升達(dá)到最大值；而當(dāng)荷載移動速度為80m/s時，孔隙水壓力沿水平方向上升，在xt=±2m處，急劇上升達(dá)到最大值。這就說明，當(dāng)荷載以不同的速度移動過程中，路面內(nèi)孔隙水壓力沿著路面水平方向的響應(yīng)程度是不一樣的，越接近面層頂面和面層底面，荷載移動速度越大，產(chǎn)生的孔隙水壓力就越大。

2.3縱坡坡度的影響

現(xiàn)假設(shè)行駛在長大縱坡瀝青路面上的車輛車輪重力為25kN，靜載作用下的標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100（荷載壓力為0.701 3MPa），車輛荷載移動的速度c= 40m/s，面層滲透系數(shù)k=10-6m/s?，F(xiàn)取瀝青路面的縱坡坡度分別為0、2%、4%、6%（如表3所示），研究在不同的縱坡坡度下路面的正應(yīng)力、剪應(yīng)力、孔隙水壓力和水平位移沿著路面橫向的變化規(guī)律，計算結(jié)果如圖10~圖13所示。

表3　標(biāo)準(zhǔn)軸載隨路面坡度的變化

圖10　不同坡度下正應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖11　不同坡度下剪應(yīng)力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖12　不同坡度下孔隙水壓力沿著水平方向的變化規(guī)律

圖13　不同坡度下水平位移沿著水平方向的變化規(guī)律

從圖10可以看出，在xt為-1~1m處正應(yīng)力出現(xiàn)劇烈變化，在較遠(yuǎn)處變化相對較平緩，并且在xt=0處正應(yīng)力達(dá)到最大值，且其峰值為正值（面層受拉），即拉應(yīng)力區(qū)集中出現(xiàn)在面層荷載作用中心處。整體來看，正應(yīng)力沿水平方向先減小后增大，路面在不同的坡度條件下，當(dāng)縱坡坡度由0增大到6%時，正應(yīng)力幾乎沒有發(fā)生變化，最大正應(yīng)力產(chǎn)生的位置也沒有變化。這就說明，當(dāng)車輛在不同坡度的路面行駛時，縱坡對面層正應(yīng)力的影響響應(yīng)程度是不顯著的。

從圖11可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，剪應(yīng)力迅速減小，最后等于0；當(dāng)荷載移動距離xt=1m時，剪應(yīng)力急劇變化；當(dāng)荷載移動距離xt= 0時，剪應(yīng)力接近于0；在荷載邊緣（xt=±0.1m）處，面層中的剪應(yīng)力達(dá)到最大值，方向相反。整體來看，剪應(yīng)力沿路面水平方向變化規(guī)律相反，同時路面在不同的坡度條件下（縱坡坡度由0增大到6%），水平應(yīng)力幾乎沒有發(fā)生變化，最大水平應(yīng)力產(chǎn)生的位置也沒有變化。

從圖12可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為0～4m時，孔隙水壓力沿著水平方向先減小后增大；當(dāng)荷載移動距離在xt為-1～1m時，孔隙水壓力急劇變化，在面層底部，孔隙水壓力接近于0，最大孔隙水壓力出現(xiàn)在荷載作用中心處（xt=0）。整體來看，路面在不同的坡度條件下（縱坡坡度由0增大到6%），孔隙水壓力幾乎沒有發(fā)生變化，最大孔隙水壓力產(chǎn)生的位置也沒有變化，這就說明，當(dāng)荷載在不同坡度的道路上行駛時，路面內(nèi)孔隙水壓力沿著路面水平方向的響應(yīng)程度微乎其微。

從圖13可以看出，當(dāng)荷載移動距離xt為1～4m時，水平位移隨著水平方向長度增大而增大；當(dāng)荷載移動距離xt為0～1m時，水平位移隨著水平方向長度的增大而減小。當(dāng)荷載移動距離xt=0時，水平位移為0。當(dāng)荷載移動至離開觀察面后，這種變化趨勢相反。由此可知，在荷載移動過程中，面層水平位移沿著水平長度的變化幅度是不相同的，越接近觀察面，這種變化幅度就越大。整體來看，不同縱坡坡度所對應(yīng)的水平位移幾乎相同，所以說，縱坡坡度對面層的水平位移的影響響應(yīng)比較微弱。

3　結(jié)論

（1）車輛荷載對正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移的影響

沿著面層深度方向，面層豎向應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和豎向位移都隨著車輛荷載的增大而增大；沿著面層水平方向，水平應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和水平位移也是隨著車輛荷載的增大而增大。這就說明，超載對正應(yīng)力、剪應(yīng)力、位移和孔隙水壓力的影響是非常顯著的。

（2）荷載移動速度對正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移的影響

沿著面層深度方向，荷載移動速度對豎向應(yīng)力幾乎不產(chǎn)生影響，對孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移產(chǎn)生顯著影響，荷載移動速度越大，面層孔隙水壓力就越大，面層豎向位移就越小，面層頂面和底面產(chǎn)生的剪應(yīng)力也就越??；沿著面層水平方向，荷載移動速度對剪應(yīng)力和水平位移的影響不明顯，對正應(yīng)力和孔隙水壓力的影響顯著，面層水平應(yīng)力和孔隙水壓力隨著荷載移動速度的增大而增大。

（3）縱坡坡度對正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移的影響

通過數(shù)值計算可知，正應(yīng)力、孔隙水壓力、剪應(yīng)力和位移幾乎不受縱坡坡度的影響。

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Coupled Hydro-MechanicalAnalysis of SaturatedAsphalt
Pavement at Longitudinal Long Slope under Moving Traffic Loads

WANG Hai-feng1,DAN Han-cheng2,TENG Xu-qiu3
(1.Ningxia Highway Construction Administration,Yinchuan 750000,China; 2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China; 3.Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

In order to reveal the mechanism of water-induced damage to longitudinal slope saturated as?phalt pavement,based on the Biot Consolidation Theory and characteristics of the longitudinal slope in rainy regions,the hydro-mechanical coupled mode and hydro-mechanical coupled governing equations with two-dimensional three-layer system of"Surface-Base-Subgrade"of saturated asphalt pavement be?ing subject to moving traffic loads were established.With the boundary condition that the bottom of the surface could completely drain,the influence of vehicle load,driving speed and longitudinal slope on dis?tribution of normal stress,pore-water pressure,shear stress,surface course displacement and other phys?ical quantities were analyzed comprehensively and systematically,offering the theoretical foundation and reference to the design of longitudinal slope asphalt pavement structure.The results show that the vehi?cle load and moving traffic loads speed have significant influence on the normal stress,pore water pres?sure,shear stress and surface displacement,and the longitudinal slope has almost no impact on the nor?mal stress and pore water pressure,shear stress and surface displacement.

longitudinal long slope;saturated asphalt pavement;moving traffic load;hydro-mechan?ical coupling;pavement structure design

U416.01

A

2095-9931（2015）02-0081-09

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.02.015

2015-01-20

王海峰（1986—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為路基路面工程。E-mail：465654568@qq.com。