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      半剛性基層路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力分析

      2015-11-09 11:47:04王燕芳山宏宇
      山西建筑 2015年23期
      關(guān)鍵詞:層底結(jié)構(gòu)層層層

      王燕芳 葉 青 山宏宇

      (貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司,貴州貴陽(yáng) 550081)

      0 引言

      半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的路面模式是“強(qiáng)基、薄面、穩(wěn)路基”,該路面結(jié)構(gòu)是在較厚的半剛性基層上鋪筑較薄的瀝青面層。我國(guó)的高等級(jí)公路瀝青路面使用壽命普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)年限,短則2年~3年,最多7年~8年就必須進(jìn)行大修。普遍認(rèn)為這與半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有很大的關(guān)系[1]。因此本文進(jìn)行了半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的受力分析。

      1 模型構(gòu)建

      1.1 模型構(gòu)建假設(shè)

      本文采用ANSYS軟件對(duì)不同條件下路面的荷載應(yīng)力進(jìn)行分析,文中對(duì)模型構(gòu)建的假設(shè)如下:

      1)假定構(gòu)建模型的每層結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體[2];2)假定每層結(jié)構(gòu)層間豎向連續(xù)并且水平向可自由滑移;3)假定路基的底面固定,側(cè)面與底面垂直并約束其法向位移;4)假定輪胎與路面接觸形狀為矩形,并且路面所受荷載為均布矩形荷載;5)不計(jì)任何結(jié)構(gòu)層自重對(duì)模擬的影響。

      1.2 模型構(gòu)建參數(shù)

      矩形均布荷載尺寸為18.6cm×19.2cm,軸長(zhǎng)為182cm,軸重分別為25kN,30kN,35kN,40kN,45kN,50kN,單軸四輪雙輪間距為31.4cm,路面寬度為3.75 m。各層結(jié)構(gòu)層的計(jì)算參數(shù)取值見表1。

      表1 模型結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)

      2 半剛性基層路面受力模擬

      2.1 軸重對(duì)半剛性基層路面的影響

      車輛荷載以單軸雙輪為基準(zhǔn),荷載由25kN變化至50kN,面層參數(shù)見表1;基層厚度20cm,模量1 400MPa;底基層厚度20cm,模量600MPa;路基厚度取值600cm,模量取值40MPa;路基泊松比為0.35,其他結(jié)構(gòu)層泊松比取值0.25。經(jīng)過模擬分析,各結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力和頂面的位移隨著車輛荷載的變化曲線見圖1~圖4。

      圖1 軸載變化對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

      圖2 面層層底應(yīng)力變化圖

      圖3 基層層底應(yīng)力變化圖

      圖4 基層內(nèi)X方向應(yīng)力變化圖

      從圖1分析可知,路面結(jié)構(gòu)層各層層底應(yīng)力隨著軸載加重而呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì),并且應(yīng)力增加與軸重增大兩者基本呈線性關(guān)系。從圖2,圖3分析可知,路面結(jié)構(gòu)中,面層層底主要承受壓應(yīng)力,基層層底主要承受拉應(yīng)力,隨著軸載加重,基層層底應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力。分析圖4可知,基層厚度不變時(shí),軸載改變但基層層底由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力的位置不會(huì)改變;軸載的增加,會(huì)導(dǎo)致基層承受的荷載越來(lái)越劇烈。因此,超載、重載會(huì)導(dǎo)致道路的加速破壞。

      2.2 基層厚度對(duì)半剛性基層路面的影響

      建模荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100[3],面層參數(shù)及泊松比見表1,基層模量取值 1 400MPa,厚度取15cm,20cm,25cm,30cm 四個(gè)可選值;底基層模量取值600MPa,厚度取20cm,25cm,30cm,35cm四個(gè)可選值。經(jīng)過建模模擬,隨道路基層和底基層厚度變化各層層底應(yīng)力及基層內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律見圖5~圖8。

      圖5 基層厚度對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

      圖6 基層厚度對(duì)基層內(nèi)應(yīng)力的影響

      由圖5可以看出,面層和底基層底的應(yīng)力隨著路面基層厚度的增大而有明顯的減小,特別是上面層底,降幅接近35%;下面層和基層層底應(yīng)力隨基層厚度的增加先增大后減小;同時(shí),在底基層的厚度和基層的厚度組合不合理的情況下,底基層受到的層底拉應(yīng)力會(huì)大于基層層底拉應(yīng)力,這種現(xiàn)象會(huì)極大減小道路的使用壽命。由圖6可知,基層內(nèi)應(yīng)力隨其厚度的增加而逐漸增大,且厚度越大,應(yīng)力變化的速率越快,壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力的位置逐漸靠下。

      圖7 底基層厚度對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

      由圖7可以看出,各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)力隨著底基層厚度的增大而出現(xiàn)減小的現(xiàn)象,其中基層的層底應(yīng)力,降幅最為明顯,超過一半。由圖8可以看出,基層內(nèi)部壓應(yīng)力和拉應(yīng)力隨著底基層厚度的增加而均逐漸減小,壓應(yīng)力和拉應(yīng)力的分界點(diǎn)即應(yīng)力為0的點(diǎn)隨著底基層厚度增加而距離基層頂面高度越大,并且如果底基層厚度過大,會(huì)出現(xiàn)底基層的層底拉應(yīng)力超過基層層底拉應(yīng)力的現(xiàn)象。

      圖9 路基模量對(duì)各層層底應(yīng)力的影響

      圖10 路基模量對(duì)基層內(nèi)應(yīng)力的影響

      2.3 路基模量對(duì)半剛性基層路面的影響

      建模荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,面層參數(shù)及泊松比見表1;路基厚度取值 600cm,模量取 30MPa,40MPa,50MPa,60MPa,70MPa五個(gè)可選值;底基層厚度取值20cm,模量取值600MPa;基層厚度取值20cm,模量取值1 400MPa。通過建模模擬,隨道路路基模量變化各層層底應(yīng)力及基層內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律見圖9,圖10。

      由圖9可以看出,當(dāng)路基模量不斷增加時(shí),道路的各結(jié)構(gòu)層的層底應(yīng)力不斷減小。同時(shí),由圖10也可以看出,隨著路基模量的不斷增加,基層內(nèi)應(yīng)力曲線變得平緩,所受到的實(shí)際內(nèi)應(yīng)力逐漸減小。因此,可以通過提高路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性,來(lái)改善半剛性基層路面各結(jié)構(gòu)層的受力狀況,延長(zhǎng)道路的使用壽命。

      3 結(jié)語(yǔ)

      1)隨著軸載的增長(zhǎng),半剛性基層路面結(jié)構(gòu)層層底應(yīng)力增加顯著,表明半剛性路面對(duì)交通荷載較為敏感;2)基層和底基層結(jié)構(gòu)層厚度增加,各層應(yīng)力均減小,但需要對(duì)基層和底基層進(jìn)行合理的厚度組合;3)路基模量增加,可以降低各結(jié)構(gòu)層的層底應(yīng)力,同時(shí)可以提高路基的穩(wěn)定性,延長(zhǎng)道路的使用壽命。

      [1]呂彭民.車輛瀝青路面系統(tǒng)力學(xué)分析[M].北京:人民交通出版社,2010.

      [2]沙慶林.重載交通長(zhǎng)壽命半剛性路面設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

      [3]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2008.

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