基-面层间不同接触状态下的路面结构力学响应分析
第３８卷第３期 ２０１２年９月 湖南交通科技
ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．３８ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２０１２
文章编号：１００８。８４４Ｘ（２０１２）０３。０００９。０２
基一面层间不同接触状态下的路面
结构力学响应分析
刘葫
（陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南７１４０００）
摘要：采用Ｂｉｓａｒ３．０软件，针对半刚性基层与沥青面层处于完全连续、部分连续、完全
光滑三种接触状态的整体路面结构进行了力学计算，并分别对其力学分布规律进行了分析。 结果显示：层间接触状态的改变使整个路面结构受力发生了显著变化，并且层问存在应力突
变，在设计中应当充分考虑不同结构层的结构组合，施工中做好层间处治工作。 关键词：沥青路面；半刚性基层；接触状态；力学响应
中图分类号：Ｕ ４１６．２１７ 文献标识码－Ｂ
０ 引言
沥青路面层间接触问题近年来一直受到道路研 究者的广泛关注。由于基层和面层材料在物理和力 学性质上存在显著差异，导致道路结构的层间结合
状态成为设计和施工的薄弱环节。到目前为止，还 没有一套统一的成熟的用来评价半刚性基层与沥青 面层层间接触状况的指标，现行规范针对这一问题
只提出了采用透层处理，且将其视为完全连续体系， 计算假设与工程实际存在很大差异。因此，在缺乏 相应的理论指导和定量分析的前提下，由基面层间 结合问题所导致的路面早期病害屡见不鲜，降低了 路面结构的整体承载能力和服务水平，严重缩短了 道路的使用寿命¨ 。
工程实践表明：沥青路面结合处于半连续半滑 动的接触状态，层与层之间是通过接触来传递应力 的，不同的层间接触状态对道路结构的受力有很大 影响 Ｊ。本文采用Ｂｉｓａｒ３．０软件对基面层间分别 处于完全连续、部分连续、完全光滑三种接触状态下
的路面结构力学响应进行对比和分析，从而找到路 面结构不同状态下的受力规律，为道路设计和工程 施工提供理论依据。
１ 典型路面结构和层间参数选择
１．１路面结构的选择
在进行路面结构力学计算时，根据现行沥青路 面设计规范和我国半刚性基层路面结构形式，选取 典型的沥青路面结构【Ｊ¨，各层材料基本物理和力学
参数见表１，加载方式采用标准轴载ＢＺＺ－１００ ｋＮ的 双圆均布荷载，当量圆半径为ｌＯ．６５ ｃｍ，荷载中心
距为３１．９５ ｃｍ，选取受力不利点位，荷载轮隙中心
为计算点。依据国内外路面的力学设计指标，主要 的结构计算参数为：路表轮隙弯沉、弯拉应力、应变
和最大剪应力。
表１各层材料基本物理和力学参数
１．２层间参数选择 本文假定沥青面层处于完全接触状态，只研究
基面层间界面条件的变化对整个路面结构的力学响 应规律，采用Ｂｉｓａｒ３．０软件中的剪切弹性柔量参数 ＡＫ来描述基面层间接触状态，对应状态选取值如表
２所示。
表２层间结合状态参数值
层间状态 ａＫ／（ｍ３．Ｎ一 ）
完全连续 部分连续 完全光滑 Ｏ ５×１０一、１０一 Ｏ ｌ０—６
收稿日期：２０ｉ２・０５・１１ 作者简介：刘吉吉（１９８３一），男，
讲师，主要研究方向：公路设计和施工。 ｌＯ 湖南交通科技 ３８卷
２ 不同层间结合状态的路面结构力
学响应结果及分析
２．１路面结构弯拉应力计算结果及分析
路面结构弯拉应力沿道路深度的变化规律如图
１所示，层间结合状态的改变对弯拉应力有显著影 响，当 ＝０时，在沥青面层范围内，除了路表受到
弯拉应力的作用，其它点位均受到压应力作用，路面 结构不会因拉应力作用而产生疲劳开裂，但是当ＡＫ
＝１．００Ｅ－０６时基面层间处于滑动状态，沥青在面层 受到较大的拉应力作用，路面结构很可能会产生疲
劳破坏；层间剪切柔量ＡＫ＝１．００Ｅ一１０附近变化时
受力变化不太敏感，此时路面结构处于部分接触状 态。 ２．２路面结构弯拉应变计算结果及分析 ３．００Ｅ＋０５ ２．５０Ｅ＋Ｏ５ ２．００Ｅ＋Ｏ５ １．５０Ｅ＋Ｏ５ 、１．００Ｅ＋Ｏ５ Ｒ 轼５．００Ｅ＋０４ 静 ０．００Ｅ＋００
—５．００Ｅ＋０４
一１．００Ｅ＋０５
一１．５０Ｅ＋０５ 一 ：
１
ｆｔ．４ ０．６ ｔ 道路深度，
图１ 路面结构弯拉应力沿道路深度的变化规律
路面结构的弯拉应变结果如表３所示，由表３ 可以看出，当基面层间从连续变为滑动时，应变增
大，沿道路深度大致呈递增趋势，整体的受力规律与 弯拉应变一致。
表３不同接触状态下路面结构弯拉应变计算结果
２．３路面结构剪应力计算结果及分析
路面结构剪应力计算结果如表４所示，由表４ 可以看出，路表受到较大的剪应力，当基面层间由连
续变为滑动时，剪应力增大而且层间出现突变，特别 是下面层与基层间突变值较大，剪应力增大更加影 响层间的接触状态，使接触条件进一步恶化，导致裂
缝、推移等路面病害的发生。
表４不同接触状态下最大剪应力的变化结果
（下转第１１９页）
３期 高虎军，等：毛细透排水带在张花高速公路青坪隧道衬砌防排水中应用 １ １９
定程度上解决了隧道衬砌渗漏水的现象，为隧道运
营安全提供保障，因此毛细式透排水带在岩溶涌水
区域隧道内具有很好的推广前景。
参考文献： ［１］吕清禄．毛细式透排水技术在地下水补注中的应用［Ｊ］．给水排 水动态，２００６（２）：７—９． ［２］陈国清，刘小静．毛细透透水带在常德市水库大坝排水体改造中 应用［Ｊ］．湖南水利水电，２００７（５）：４７－４８． ［３］陈航，杨长岭．毛细式透排水带在整地工程中的应用［Ｊ］．给水 排水，２００８（１０）：１０８—１０９． ［４］阮清波，黄凯，黄荣华．毛细式透排水带在土坝反滤排水改造 中的应用［Ｊ］．广西水利水电，２００８（６）：５０—５１．
（上接第ｌ０页） ２．４路面结构弯沉计算结果及分析 轮隙弯沉值沿道路深度变化趋势图如图２所 示，由图２可以看出，弯沉值随着接触状态的恶化是
增大的，但是直接受层间接触状态的影响不是很明 显，当ＡＫ＝１．００Ｅ一１０时受力曲线几乎与完全接触
状态下的受力曲线重合，特别是ＡＫ值在０～１．００Ｅ
—ｌＯ之间时弯沉值变化不大。
图２不同接触状态下的弯沉沿道路深度变化分布图
３ 结语
随着基面层间接触状态的变化，特别是由连续 状态变化滑动状态时路面结构受力发生了显著变
化，变化最显著的为剪应力，其次为弯拉应力，最后 为弯沉值；在进行路面结构设计时一定要做好路面 结构的合理组合，尤其是模量的选取；实际工程当中
做好层间处治工作，特别是半刚性基层与沥青面层 的结合问题。
参考文献： ［１］朱耀庭，雷茂锦，等．层间结合状态对沥青路面结构力学和寿命 影响分析［Ｊ］．公路工程，２０１１，３６（５）：ｌ８—２１． ［２］柳浩，谭忆秋，宋宪辉，等．沥青路面基一面层间结合状态对路 面应力响应的影响分析［Ｊ］．公路交通科技，２００９，２６（３）：１－６． ［３］郭能荣，袁美俊，邢钦玉．层间接触状况对半刚性基层沥青路面 性能的影响［Ｊ］．南昌大学学报（工科版），２００９，３１（２）：１８３— １８６． ［４］Ｋｒｕｎｔｃｈｅｖａ Ｍ．Ｒ．，Ｃｏｌｌｏｐ Ａ．Ｃ．，Ｔｈｏｒｎ Ｎ．Ｈ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆｂｏｎｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｎ ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＡＳＣＥ，２００５，１３１（１１）：８８０—８８８． ［５］黄开宇．高速公路沥青路面结构层层间粘接状态的研究［Ｊ］．公 路工程，２０１０，３５（２）：３５—３９． ［６］冯德成，宋宇．沥青路面层间结合状态试验与评价方法研究 ［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２００７，３９（４）：６２７—６３１． ［７］．ｒｒＧ ＤＳ０—２００６，公路沥青路面设计规范［ｓ］．
（上接第３６页） 行的服务水平需求越来越高，不仅要求能够安全顺 畅地到达目的地，而且还要求更高的舒适性。在已
建成使用的公路中，由于受当时社会经济、技术水平 和建设思想的制约，相当一部分已不能适应交通量 迅速增长和社会发展的要求，有的还出现了比较严
重的路面病害。采用就地热再生技术对路面病害进
行处治，充分利用旧沥青混合料，不仅符合资源循环 利用的原则，而且节约了大量的人力、物力和财力，
还能够产生良好的社会和经济效益。
参考文献： ［１］ＪＴＧ Ｆ４１—２００８，公路沥青路面再生技术规范［Ｓ］ ［２］ＪＴＧ Ｉ）５０－２００６，公路沥青路面设计规范［Ｓ］． ［３］ＹｒＧ Ｆ４０－２００４，公路沥青路面施工技术规范［ｓ］
【技术】车轮荷载对半刚性基层沥青路面结构的力学响应分析
【技术】车轮荷载对半刚性基层沥青路面结构的力学响应分析
摘要：基于我国的沥青路面设计理论及标准，选取典型半刚性基层路面结构及材料参数，采用BISAR3.0软件对不同荷载作用下的路面结构应力、应变和位移进行计算，并分析了各力学指标对道路结构的影响。结果显示：不同荷载模式对路面结构的影响相当大，这对进一步解释路面面层的一些破坏现象提供了有益的参考。
关键词：道路工程，半刚性基层，沥青路面，车轮荷载，力学响应
引言
道路是车轮荷载的承受者，随着我国交通运输业的高速发展，重载超载现象普遍存在，导致路面结构的受力发生了很大变化，我国广泛采用的半刚性基层沥青路面在设计年限内出现了较为严重的早期破坏现象[1-2]。许多学者对其破坏的机理进行了研究，并建立了路面结构的力学模型及结构响应[3-4]，也分析了重载车辆对路面结构层间行为的力学研究[5-6]。研究表明：重载交通的反复作用导致半刚性基层与沥青面层或面层与面层之间不连续，是路面结构出现破坏的主要原因[7]。
因此，本文结合我国典型的半刚性基层沥青路面结构对其应力、应变和位移进行力学计算，并分析各个力学指标沿路面结构深度方向的变化规律，进一步解释路面结构在重载作用下破坏的原因，为运营中的道路在车辆荷载控制方面提供一定的参考。
1 路面结构、计算参数及荷载的选择
1.1路面结构
本文选取的是我国典型的半刚性基层路面结构，沥青面层分为三层，基层分为半刚性基层和半刚性底基层，最下面的层位为土基，其具体路面结构参数如表1所示。
表1路面结构层材料参数
层位 材料 抗压模量（MPa）
（弯沉计算用） 抗压模量（MPa）
（应力计算用） 厚度（cm） 泊松比
上面层 细粒式沥青混凝土 1400 2000 4 0.25
中面层 中粒式沥青混凝土 1200 1800 6 0.25
下面层 粗粒式沥青混凝土 1000 1200 8 0.25
基层 水泥稳定碎石 1300 3100 20 0.3 底基层 水泥稳定碎石 1300 3100 20 0.3
沥青路面结构力学响应分析研究
道桥建设
2018年第13期121道路沥青路面须经受复杂多变的天气和作用力大且施加密集的车辆荷载反复作用。过车之后容易出现路面品质逐年下滑从而显著降低道路使用寿命，而且造成资源浪费，不利于居民出行以及货物的中转运输，不能充分发挥道路功能。研究在不同因素影响下的路面结构力学响应，有助于理解并掌握路面破坏机理，采取更加科学合理的应对措施，延长道路使用寿命。基于此，文章系统阐述了荷载和气候因素对路面力学响应的影响，为公路养护部门和相关学者提供必要的参考。1 荷载对路面力学响应的影响车辆荷载是路面需要承受的主要荷载，与道路的使用寿命直接相关。研究车辆荷载对路面结构力学响应的影响，对了解路面破坏机理具有重要意义。胡小弟等将荷载与路面之间的接触面近似为矩形，采用有限元计算程序ANSYS，分析x及y轴方向各为2.5m范围内应力分布情况。z方向深度根据路面结构及所受车辆荷载的交通组成，并依据理论弯沉值进行调整。计算结果表明，当车辆制动或启动时，所产生的水平力尤其是最大剪应力对路面结构具有较大影响，剪应力峰值作用位置不定，对柔性基层的影响比半刚性基层要明显，水平力作用下，面层层底的弯拉应力，尤其是y方向引起横向裂缝的弯拉应力变化明显。在上下坡等刹车频发地区路面容易破损，而曹卫锋对车辆动载作用下长大上坡沥青路面力学响应做了更加深入的研究。利用大型有限元软件ABAQUS建立车辆载荷作用下的长大上坡路段沥青路面结构的三维有限元模型，采用单侧双轮胎的加载方式，分析不同参数下的路面的力学响应。理论计算表明：对于半刚性基层沥青路面，用沥青面层底部弯拉应变来评价其使用寿命是不合理的；较大的面层底部剪应变容易破坏面层与基层之间的粘结层，一旦粘结层破坏后，使面层结构的连接状态变为滑动状态，增加面层流动性，增加车辙发生的可能性。因此，增强面层与基层之间的粘结强度，是抵制剪切破坏，提高路面寿命的有力措施。2 气候对路面力学响应的影响2.1 温度对沥青路面结构动力响应的影响沥青面层材料是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性和使用性能随温度的变化而显著变化。然而，多数研究没有考虑路面结构沿深度方向存在的温度梯度，难以评估实际车轮荷载与温度场共同作用下路面结构动力响应规律。针对上述问题，董泽蛟等为较准确的获得路面任意深度处的温度，该研究建立三维有限元模型，基于ABAQUS软件平台利用DFLUX子程序实现太阳辐射作用，通过相互作用模块的定义，实现路面辐射换热，利用FILM子程序实现流换热作用，从而较为准确地模拟夏季某一天路面结构的温度场分布。无论沥青路面结构在夏季高温时段呈正温度梯度分布，还是在低温时段呈负温度梯度分布，其路面结构的动力响应具有相似的分布规律，但温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变值的影响较大，对横向应变值的影响较小。2.2 湿度对沥青路面结构动力响应的影响湿度是影响道路使用性能的重要影响因素，对路面质量的影响主要表现在松散、唧浆和冻融循环破坏，同时也可导致路基湿化，降低路基的承载能力和整体稳定性。故研究湿度影响下的重载交通沥青路面力学响应具有重要意义。陶泽峰对湿度影响下的重载交通沥青路面动力响应做了相关研究。该研究通过建立ABAQUS三维有限元模型，并运用流—固耦合分析类型，同时结合湿度的修正路基回弹模量本构模型，为解释湿度影响下的重载交通对沥青路面动力响应的影响提供依据和参考。为使模型更好模拟实际状况，在NCHRPI-28A三参数模型的基础上引入有效应力系数和基质吸力，建立路基土动态回弹模量与含水量的关系，对模型进行修正如下：MR= （1）式中，为路基土动态回弹模量（MPa）；为大气压力（101MPa）；为体应力（MPa）；为八面体剪切应力（MPa）。模型计算结果表明：地下水位会导致路面动力响应发生变化，控制地下水位的上升可显著减小路面结构层的应变；降雨时间相同时，降雨强度增大对两侧车道处的面层层底拉应变影响很大，而对中间车道的影响较小，相同降雨量时，降雨时间增加，两侧车道的面层层底拉应变反而减小，而中间车道拉应变随着降雨天数增加而增大。3 结语从车辆荷载和气候两个方面系统阐述沥青路面力学响应影响因素及其研究方法。垂直荷载对路面力学响应影响相对较小，对路面的破坏程度较低，而水平荷载引起的面层层底弯拉应力对路面的使用寿命具有较大影响。温度场分布对竖向应变、纵向应变和剪应变值的影响较大，对横向应变值的影响较小，湿度对路面的影响主要分为地下水位和降雨两个方面，地下水位越高，车辆荷载作用下的面层拉应变越大，控制地下水位的上升对于减小路面结构层的应变有较大的作用，降雨强度和降雨时间对面层层底拉应变影响较大。参考文献：[1] 李星.车辆动荷载与路面力学响应的研究[D].太原理工大学,2013.[2] 樊庆竹.汽车刹车时沥青路面力学响应分析[J].河南科学,2014(3): 400-404.[3] 赵延庆,刘慧,白龙,唐积民.沥青混合料本构关系对路面力学响应的影响[J].中国公路学报,2012(5):6-11.[4] 顾浩,魏为成.非均布荷载作用下路面结构力学响应计算[J].黑龙江交通科技,2012(3):14-16.[5] 胡小弟,孙立军,胡德亮.非均布水平及竖向力下沥青路面力学响应分析[J].华中科技大学学报(城市科学版),2004(1):20-24.沥青路面结构力学响应分析研究魏旭华（重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）摘 要：为研究沥青路面破坏机理和不同因素作用下的路面应力、应变变化规律，文章系统阐述了荷载和气候对沥青路面结构力学响应的影响机理和主要的研究方法，通过对比分析不同力学响应研究方法的优缺点和适应范围，为沥青路面结构相关分析提供参考。关键词：沥青路面；力学响应；路面破环机理；有限元
贫混凝土基层沥青路面结构力学分析
贫混凝土基层沥青路面结构力学分析
乔琳;曹花丽;江磊
【摘 要】On the situation of pavement structure parameters were all
invariable,this paper analyzed the pavement structure stress based on
BISAR3.0,calculated the stress of different interaction sites under double
rounds uniform vertical load,gained the distribution rule of shear stress
and normal stress in different sites along pavement depth direction,and
researched the weak parts of surface layer and base layer.%在路面结构参数均不变的情况下,基于BISAR3.0程序对路面结构应力进行分析,对双圆均布竖向荷载不同作用点位的应力进行了计算,得出不同点位沿路面深度方向的剪应力和正应力的分布规律,并研究出了面层与基层的薄弱部位。
【期刊名称】《山西建筑》
【年(卷),期】2012(038)032
【总页数】2页(P172-173)
【关键词】贫混凝土基层沥青路面;剪应力;正应力;结构
【作 者】乔琳;曹花丽;江磊
【作者单位】烟台大学土木工程学院,山东烟台264005;烟台大学土木工程学院,山东烟台264005;烟台大学土木工程学院,山东烟台264005
【正文语种】中 文
【中图分类】U416.217
目前对贫混凝土基层沥青路面的研究主要是针对于高速公路等高等级路面，而对普通路面的研究较少。本文主要研究针对于二级公路的贫混凝土基层沥青路面。
层间结合对半刚性沥青路面力学响应影响分析
层间结合对半刚性沥青路面力学响应影响分析
赵博文
【期刊名称】《军民两用技术与产品》
【年(卷),期】2016(000)010
【摘 要】基于弹性层状体系理论,引入古德曼模型接触面单元理念反映层间结合条件,针对国内典型的半刚性基层沥青路面结构,分析不同层间结合条件下路表弯沉、层底弯拉应力、沥青面层剪应力等力学响应.层间结合条件影响了路面结构的力学响应,层间完全光滑使得集中于面层内的剪应力增大.应从设计、施工及运营管理等方面严格控制层间结合条件.
【总页数】2页(P149-150)
【作 者】赵博文
【作者单位】辽宁省交通厅公路管理局,沈阳 110005
【正文语种】中 文
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层间接触对沥青路面抗车辙性能的影响
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层间接触对沥青路面抗车辙性能的影响层间接触对沥青路面抗车辙性能的影响彭妙娟，赵文宣(上海大学，上海200444) 摘要：针对沥青路面车辙的影响因素，建立了沥青路面车辙分析的有限元模型，采用黏弹塑性理论，利用有限元软件ABAQUS分析了层间接触对沥青路面车辙的影响。对不同荷载、不同层间接触和不同路面结构的沥青路面的剪应力和车辙深度进行了计算。结果表明：对半刚性基层路面和柔性基层路面，良好的层间接触均能提高沥青路面的抗车辙能力；在相同荷载和层间摩阻力下，柔性基层沥青路面的车辙变形要大于半刚性基层沥青路面；对于半刚性基层路面，基面层的接触状态对沥青路面车辙的影响要比中下面层的接触状态大；在不同的层间接触和不同的沥青路面结构下，随着荷载的增大，层间接触较差的路面车辙变形大，超载对柔性基层路面车辙变形的影响要大于半刚性基层路面。关键词：道路工程；沥青路面；有限元法；车辙；黏弹塑性理论；层间接触0引言车辙是在渠化交通的道路上，沥青路面在车辆荷载反复作用下产生的竖向累积永久变形，表现为沿行车轨迹产生纵向的带状凹槽，严重时车辙的两侧会有隆起变形，是沥青路面主要的早期破坏形式之一，而层间接触状态直接影响车辙的产生。我国的道路设计一般
假设道路是层状弹性体系，然而在道路设计与施工中，由于各层材料的差异性，要达到完全黏结的状态几乎无法实现，特别是铺筑沥青面层之前，由于水稳性基层需要经过一段时间的养护，表面的灰尘清除不净等问题，经常造成层间不连续程度的加剧，导致沥青道路的使用寿命大大缩短。因此，对沥青路面层间接触的研究非常必要。Romanoschi应用弹性层状理论对层间接触和水平轮载对柔性路面使用寿命的
影响进行了研究，研究结果表明应力和应变分布受沥青路面层间接触条件影响很大[1]。Mariana对柔性路面路用性能的影响进行了研究，通过水平剪切模量定量反映层间接触情况，利用层状线弹性程序对路面结构进行了分析。结果表明，由于联结层与基层的不良接触导致路面寿命缩短可多达80%；在表面层和联结层接触不良的情况下，路面寿命对水平交通荷载特别敏感，水平力是引起表面层和联结层层间接触不良的主要原因[2]。Hyunwook等人利用大型有限元软件ANSYS对考虑层间接触状态下的半刚性基层沥青路面结构进行了模拟计算[3]。张起森根据弹性层状体系层间接触的实际状态，提出了一种考虑层间非线性的有限元增量子结构分析法，研究结果表明，这种分析方法较弹性层状体系理论假定接触界面完全滑动或完全连续的分析结果更为合理[4]。关昌余等引用古德曼(Goodman)层间结合力学模型来描述多层柔性路面结构层间的半结合状态，并基于这种力学模型给出
不同路面结构组合力学响应的有限元分析
第１２卷第２３期２０１２年８月 １６７１—１８１５（２０１２）２３—５９２９—０４ 科学技术与工程 Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏ１．１２ Ｎｏ．２３ Ａｕｇ．２０１２ ⑥２０１２ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．
交通运输
不同路面结构组合力学响应的有限元分析
李令喜
（青海交通职业技术学院，西宁８１０００３）
摘要利用有限元方法对四种不同路面进行结构应力和位移分析。分析了单圆中心处和坐标原点处不同路面结构的压应 力、拉应力、剪应力以及位移的变化规律，为路面结构设计的合理性提供理论指导。 关键词道路工程 有限元 路面结构 应力 位移 中图法分类号Ｕ４１６．０１； 文献标志码Ａ
我国早期的沥青路面结构以半刚性基层结构
为主，是由我国特有的国情决定的。由于半刚性基
层具有板体性好、整体强度高等优点，使得沥青路
面的承载能力很高，在我国沥青路面的建设和发展
中起到了重要的作用。但是近几年的高等级公路，
尤其是高速公路的应用情况证明半刚性基层沥青
路面结构客观存在一些不可避免却又非常棘手的
技术难题，尤其是半刚性基层沥青路面早期破坏现
象，引起道路同行界的重视。因此研究半刚性基层
沥青路面的力学响应对于路面结构设计有着重要 的指导意义＿１ Ｊ。本文以典型的半刚性基层沥青路
面为研究对象，开展路面结构力学响应的有限元分
析，为合理确定路面设计结构提供理论指导。
１路面结构方案
结合路面使用要求和区域自然条件，要求因地 制宜，合理选材，方便施工，利于养护，节约投资，努 力选择技术先进、经济合理、安全可靠、利于机械化
施工的路面方案。本文分析时选取典型的半刚性路
面结果如表１所示。
表１路面结构方案
２不同路面结构的应力和位移有限元分析
２．１计算条件与计算参数
面层结构及其参数见表２，分别对不同路面用
ＡＮＳＹＳ计算软件进行分析。
表２面层结构及其参数表
在计算的过程中主要是通过各层材料模量的 ： 日．收到 不同来区分几种路面结构，对于上面层，ＳＭＡ－－１３ ’男’青海西宁人’高级工程师，研究方 的模量要高于Ａｃ二１３。 ， 规范 规１１ 向：道路桥梁工程施工、管理。一 ．＜Ｅ ｍａｉｌ ５２３０５５０５８＠ｑｑ．ｃ０ｍ。 … ～
层间接触状态对沥青路面力学性能的影响
第３７卷第１８期 ２ ０ １ １年６月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１８ Ｊｕｎ． ２０１１ ・１４５・ 文章编号：１００９—６８２５（２０１ １）１８．０１４５—０２ 层间接触状态对沥青路面力学性能的影响 李 磊 摘要：针对沥青路面的实际工作状态与设计理论状态不符的问题，结合沥青路面多层弹性层状体系理论，采用有限元 分析方法对沥青路面进行了计算分析，结果表明，采用接触模型分析的结果很符合实际路面情况，对路面设计更具有安 全保障。 关键词：沥青路面，力学性能，层间接触模型 中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标识码：Ａ ０ 引言 社会和经济的高速发展，交通的发展也越来越迅速，伴随而 来的重载、超载、大交通量等现象越来越普遍，致使沥青路面超负 荷运行，从而使得沥青路面普遍在设计年限的早期便出现车辙、 裂缝、坑槽等破坏，表面功能大幅度衰减，不得不进行大面积维 修。沥青路面出现的早期破坏，有设计、施工、管理等多方面原 因。沥青路面属于多层体系，因此在研究沥青路面设计方法时， 较为理想的力学模型应当是层状体系理论。它较弹性半空问理 论更能反映沥青路面的实际工作状况。就设计而言，我国现行的 沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础。层状弹性体系假 定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续。但是路面钻芯取 样发现，沥青混凝土层之间的粘结作用较弱，比较容易分开。这 样沥青路面的设计理论工作状态与实际工作状态不相符合。沥 青路面在这种工作状态下，其力学响应就会与原来的设计有所不 同，从而直接影响到路面的力学响应。因此有必要研究沥青路面 在层间接触不完全连续的情况下沥青路面的力学性能，并与现行 沥青路面设计规范进行比较。 １ 沥青路面多层弹性层状体系理论 多层弹性理论，是在假设物体连续、线弹性、均匀和各向同性 及变形微小的基础上建立起来的，本质上属于弹性理论。沥青路 面是层状体系，将较好的材料放在顶部，较差的材料放在底部，因 此如果路面和路基用同一均质体不足以表示其特性，而应用层状 理论比较合适，它较弹性半空间理论更能反映沥青路面的实际工 作状况。多层体系理论将道路依据其材料性质的不同，在竖直方 向划分为很多层，每～层内材料符合理想弹性、完全均匀和各向 同性的假设，各层水平方向无限大，层与层之间通过假定的接触 状态接触。 多层弹性理论可以分为以下几种模型：１）层间完全连续模 型。上下两层的接触面共同工作如同一个天然的弹性介质体，接 触面上所有的应力和位移都完全连续。２）层间完全滑动模型。 上下两层之间可以相对滑动，接触面上完全无摩擦阻力。接触面 上除竖向应力和竖向位移外，其他应力和位移都不连续。３）层问 产生相对水平位移模型，上下两层接触面上不仅有摩擦阻力，而 且还产生相对水平位移。 多层弹性体系理论是当前国内外广泛使用的描述沥青路面 结构的力学模型，但也存在一些局限性。首先，它对材料特性采 用了最简单的线弹性假设，而实际道路材料的力学特性是非常复 杂的，表现出各种各样依赖于时间或应力状态的非线性性质；其 次，多层弹性体系理论把路面简化为在水平方向和深度方向都是 无限大，而实际道路是有限尺寸的结构；最后，它只能采用轴对称 的荷载模式，不能描述轮胎接地压强的复杂变化。如果放宽以上 简化条件的限制，则很难在解析方程的基础上建立起一般的沥青 路面结构力学分析模型。 ２沥青路面有限元分析 ２．１模型的建立 进行有限元分析之前，首先选定几何模型的尺寸。论文采用 的几何模型尺寸为３ ｍ×３ ｍ ｘ３ ｍ。 在接触模型中，三个接触面处的层间粘结情况用摩擦因数考 虑，底基层与路基之间完全连续。边界条件假设为：底面为完全 固结，侧面约束法向位移。为了节省计算时间，采用了非均匀的 网格划分方法，上面层和下面层划分较细，基层、底基层与路基划 分较粗，在轴载作用区域加密网格密度，单元采用Ｓｏｌｉｄ６５单元。 将轮胎与路面的接地压强取为０．７ ＭＰａ，荷载形式均采用矩形；为 了对沥青路面结构采用接触模型时的力学响应有一个比较清楚 的认识，对连续模型和接触模型（两个接触面处的摩擦因数均为 ０．５）进行分析对比，而连续模型考虑为各层之问完全连续。 ２．２计算分析 对比图１与图２可知，连续模型和接触模型的路表弯沉云图 分布相似。轮隙中心的弯沉值，接触模型的为２．０×１０一ｍ，连 续模型的为１．４２×１０一ｍ，接触模型的路表弯沉值是连续模型的 Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｓｐｅｃｉａｌ ｌｉｎｅ ｒｏａｄｂｅｄ ＱＩ Ｆｅｎｇ－ｊｕｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ａｎｄ ｑｕａｌｉｔｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｉｎｔｓ ｏｆ ３５０ ｋｒｎ／ｈ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌ— ｗａｙ ｒｏａｄｂｅｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｒｏａｄｂｅｄ￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ（ＣＦＧ ｐｉｌｅ），ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｆｉｌｌｉｎｇ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｓｅｃｔｉｏｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｒｏａｄｂｅｄ ｓｌｏｐｅ ｐｒｏ— ｔｅｃｔｉｏｎ，ｂｅｄｄｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ａｓｐｅｃｔｓ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ａｃｃｕｍｕｌａｔｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ，ａｎｄ ｐｒｏ— ｍｏｔｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＦＧ ｐｉｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐａｓｓｅｎｇｅｒ ｓｐｅｃｉａｌ ｌｉｎｅ，ｒｏａｄｂｅｄ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ 收稿日期：２０１１—０３—０８ 作者简介：李 磊（１
层间摩擦系数对路面结构受力影响分析
道路工程Ｈｉｇｈｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 料抗压回弹模量参照现行《公路沥青路面设计规范》 （ＪＴＧ Ｄ５０－－２００６）取推荐中值。此外，在我国规范 中，推荐路基泊松比为０．３５，其余材料没有明确的 推荐值，建议取值在０．２～０．５之间。本文根据国内 设计资料关于沥青混凝土泊松比的取值．取沥青混 凝土泊松比为０．３５，半刚性基层泊松比为０．２５．土 基泊松比为Ｏ．３５。结构方案及计算参数见表ｌ。 表１ 结构方案及计算参数 材料名称 厚度ｈ／ｅｒａ 模量Ｅ／ＭＰａ ＡＣ一１３ ４ ｌ ４ｏｏ ＡＣ一２Ｏ ６ ｌ ２００ ＡＴＢ一３０ １０ ｌ ｏ０Ｏ 水泥稳定碎石 ３２ １ ０００ 水泥稳定碎石 １８ １ ０００ 土基 一 ４０ １．２ 车轮荷载 本文计算荷载采用轴载１００ｋＮ，胎压Ｏ．７ＭＰａ． 轮压半径 为１１．７３ｃｍ，双圆中心距为１７．６ｃｍ。具体 的力学计算图示见图１。 ： ：
‘ Ｉ Ｉ Ｉ‘ｌ Ｌ 一 ｈ１ ／Ｅ． 一 ｈ ， ＾ Ｅ １， ｌ ， １ 图１ 力学计算图不 １．３ 层间条件 国内外沥青路面结构设计方法中，一般层间接 触状态均假定为完全连续，但实际上，很难做到沥 青面层与半刚性基层的完全连续，而且，半刚性基 层沥青路面结构中半刚性基层与沥青面层之间的连 接是最为薄弱的环节圜。因此，针对本研究的特点， 在进行路面结构受力分析时，对基面层之间的接触 进行了特殊考虑。 基层与面层间的摩擦系数厂从０取到１，基面层 ３４ Ｉ交通标准化 间结合的连续性逐渐增强，分别计算厂为０、０．２、 Ｏ．４、０．６、０．８、１．０时路面结构应力分布情况。 ２ 路面结构受力影响 路面结构力学响应情况如图２～图７所示。
基面层之间界面摩擦系数 图２ 路表最大弯沉随摩擦系数的变化
基向层之间界向摩操系数 图３ 层底最大拉应力随摩擦系数的变化 由图２和图３可以看出： ａ）当基面层之间界面摩擦系数增大时，路表最 大弯沉值近似呈线性减小趋势，摩擦系数从０．１增 加到Ｏ．９时，路表最大弯沉值减小了０．００９ｍｍ，这说 明随着基层与面层之间连续状况的加强．沥青路面 的整体强度在增大； ｂ）随着基面层之间界面摩擦系数的增大，各结 构层层底最大拉应力都呈减小的趋势，其中下面层 的变化趋势最为明显，其次为中面层和上基层。而 上面层和下基层对基面层之间界面摩擦系数的敏感 性较差，摩擦系数从０．１增加Ｎｏ．９时，下面层、中 面层和下基层的层底最大拉应力分别减小了０．０３１ＭＰａ、 ０．０ｌ６ＭＰａ和Ｏ．Ｏ１５ＭＰａ。 从整体上来看，路面结构层层底最大拉应力出 现在上面层层底，且沥青层各层底拉应力均较大。 这主要是因为路面沥青层较厚且模量依次降低，而 各沥青层所承受的压应力沿道路深度呈降低趋势． 这是各层底面所产生的弯拉变形不同造成的。从局 部来看，基面层之间摩擦系数从０．１过渡为０．９时，
双层连铺大厚度水泥稳定碎石基层沥青路面力学响应分析
Hans Journal of Civil Engineering 土木工程, 2021, 10(2), 152-158 Published Online February 2021 in Hans. /journal/hjce https:///10.12677/hjce.2021.102017
文章引用: 吴辉本, 张正超, 马天武, 张国良, 闫翔鹏. 双层连铺大厚度水泥稳定碎石基层沥青路面力学响应分析[J]. 土木工程, 2021, 10(2): 152-158. DOI: 10.12677/hjce.2021.102017
双层连铺大厚度水泥稳定碎石基层沥青路面力学响应分析 吴辉本1，张正超2，马天武1，张国良3，闫翔鹏2 1滨州市公路事业发展中心，山东 滨州 2山东省交通科学研究院，山东 济南 3山东省滨州公路工程有限公司，山东 滨州 收稿日期：2021年1月23日；录用日期：2021年2月15日；发布日期：2021年2月24日 摘 要 静态层状弹性体系是我国沥青路面结构设计计算及力学响应分析的理论基础，该方法通过路面结构路表弯沉、基层层底拉应变及沥青层层底拉应变的大小来表征路面结构强度。本文通过有限元分析软件，计算了某国道改建工程两种路面结构形式的力学响应情况，计算结果表明：水泥稳定碎石基层采用双层连铺施工工艺比传统三层连铺的路表弯沉、基层层底拉应变和沥青层底拉应变均较小，路面结构抵抗疲劳荷载和协调变形能力更佳。 关键词 双层连铺，大厚度，水泥稳定碎石基层，PLAXIS，力学响应，有限元模拟 Analysis of Mechanical Response of Asphalt Pavement with Double-Layer Continuously Paved Cement Stabilized Macadam Base Huiben Wu1, Zhengchao Zhang2, Tianwu Ma1, Guoliang Zhang3, Xiangpeng Yan2 1Binzhou Highway Development Center, Binzhou Shandong 2Shandong Transportation Research Institute, Jinan Shandong 3Shandong Binzhou Highway Engineering Corporation, Binzhou Shandong 吴辉本 等
层间粘结状态对沥青面层力学响应的影响分析
■试验研究 ２０１３血
２．４不同行车状态的沥青层层底拉应变分析 不同行车状态的上面层层底拉应变和下面层层底拉应
变分别如图７和图８所示。计算结果表明，当上、下面层完全 粘结时，上、下面层层底拉应变随水平力系数的变化都不明
显，说明沥青层底拉应变与水平方向荷载的作用关系不大。
随水平力系数的增大上面层层底拉应变有显著的增加，且当
水平力系数小于０．３时增加较快，水平力系数为０．３时的计 算结果为匀速时的３．７倍，随水平力系数继续增大，上面层层
底拉应变变化不大，这或许是由于水平力系数过大时上下面 层之间已处于滑动状态，层底拉应变取决于设定的接触面摩
擦系数。下面层层底拉应变随水平力系数的增大而近似线性 增加，当水平力系数为０．８时，拉应变为匀速时的１．４倍。以
上分析表明，层间粘结条件不好时，沥青层层底拉应变随水 平力系数变化明显，更容易受到复杂行车状态的影响。
蓬 Ｊｒ 一 ／ ／ ＋层问完全粘结 ／ ＋层问滑动
． ▲
Ｏ ２ ０．４ ０．６ ８ 永平力触
图７不同行车状态的上面层层底拉应变
１．— ／一
卜 一
叫卜层闻完全粘结 ＋屡问滑动
Ｏ ｎ２ 仅４ ｎ６ 水平力系效 图８不同行车状态的下面层层厩拉应变 ３结论
（Ｉ）上、下面层完全粘结时，面层内最大剪应力为连续分
布，极值为Ｏ．１３ＭＰａ，路面结构不容易发生剪切破坏。当层间 为滑动状态时，最大剪应力极值为２．６４ＭＰａ，远远大于层间完
全粘结的计算结果，说明层问粘结状态不佳对上面层抗剪切
・ｌ０・ 破坏非常不利。 （２）层间完全粘结时，上面层层底拉应变最大值为
１２４．０ ￡，下面层层底拉应变最大值为５７．３ｔａ￣；当层间滑动 时，上、下面层层底拉应变最大值分别为２８２．６ 和９０．（ｊ 。
层间粘结状态不佳对沥青面层抗疲劳开裂不利，且对上面层
的影响大于下面层。
（３）层间完全粘结时，沥青层最大剪应力随水平力系数 的增大而显著增加，水平力系数为０．８时，最大剪应力为匀速 行驶时的８．７倍。层间滑动时沥青层最大剪应力随水平力系