過(guò)渡層對(duì)青藏公路瀝青路面荷載應(yīng)力影響分析

邊巴次仁 推布拉旺堆

0 引言

青藏公路被譽(yù)為通向青藏高原的生命線，承擔(dān)著大量的進(jìn)出藏物資運(yùn)輸，行駛車(chē)輛以大中型貨運(yùn)車(chē)輛為主，并且以重車(chē)、超載車(chē)輛居多，惡化了青藏公路的使用條件［1］。

由于高原凍土地區(qū)特殊的氣候條件和行車(chē)條件，使得各種路面結(jié)構(gòu)的使用壽命不盡相同，因此除了外界自然因素的影響，各種路面結(jié)構(gòu)自身的耐久性問(wèn)題也是分析的一個(gè)方面。本研究對(duì)四種路面結(jié)構(gòu)從荷載作用出發(fā)，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和分析，考察不同路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)特性，從減小荷載應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響的角度對(duì)比分析了不同的路面結(jié)構(gòu)，推薦多年凍土地區(qū)典型瀝青路面結(jié)構(gòu)組合。

1 計(jì)算模型及路面結(jié)構(gòu)類型

1． 1 計(jì)算模型

本文研究對(duì)象為青藏公路瀝青路面。依據(jù)現(xiàn)行的JTJ 014-97公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用彈性層狀體系，對(duì)路面結(jié)構(gòu)模型做出以下基本假定［2］:

1)路面各層均為完全均勻和各向同性的連續(xù)體;

2)各結(jié)構(gòu)層層間位移完全連續(xù);

3)各層材料具有完全彈性;

4)假定路面上層表面作用為垂直荷載，同時(shí)認(rèn)為水平方向與最下層無(wú)限遠(yuǎn)處應(yīng)力和位移均為0;

5)不計(jì)結(jié)構(gòu)自重。

文中所用模型路面寬度為10 m，路基高度為2．5 m，天然土體厚度取7．5 m，兩側(cè)天然土體各延伸3．75 m;模型天然土體底面施加x方向和y方向位移約束，天然土體左右兩端施加x方向位移約束，兩側(cè)邊坡自由。車(chē)輪荷載位置施加標(biāo)準(zhǔn)荷載為0．7 MPa。在計(jì)算中為了方便劃分網(wǎng)格，將圓形荷載當(dāng)量為矩形荷載，為了保持計(jì)算結(jié)果的精確度，使當(dāng)量后矩形荷載面積接近于荷載當(dāng)量圓面積?，F(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，當(dāng)量圓面積為0．035 6 m2，可以推出當(dāng)矩形邊長(zhǎng)取18．8 cm時(shí)，矩形荷載作用面積接近于圓形荷載。

在本論文中，除了兩側(cè)邊坡采用自由網(wǎng)格劃分外，其他結(jié)構(gòu)都為映射劃分，并對(duì)路基底部和左右天然土體采用漸變劃分形式。

1． 2 路面結(jié)構(gòu)類型

針對(duì)青藏公路所處的多年凍土地區(qū)獨(dú)特的自然環(huán)境，總結(jié)以往的經(jīng)驗(yàn)［3，4］，確定了四種結(jié)構(gòu)組合，如表1所示。

表1 計(jì)算路面結(jié)構(gòu)類型

其中結(jié)構(gòu)1為目前常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合，結(jié)構(gòu)2，結(jié)構(gòu)3在瀝青面層與半剛性基層之間設(shè)置了過(guò)渡層，目的在于采取主動(dòng)措施減小荷載應(yīng)力對(duì)瀝青路面的影響。各結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)如表2所示。

2 設(shè)置級(jí)配碎石層對(duì)荷載應(yīng)力的影響

2． 1 面層頂面應(yīng)力

結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3三種結(jié)構(gòu)的瀝青面層表面應(yīng)力變化見(jiàn)圖1，其中圖1a)為三種結(jié)構(gòu)面層表面應(yīng)力隨半剛性基層厚度變化規(guī)律，圖1b)為三種結(jié)構(gòu)面層表面應(yīng)力差值隨半剛性基層厚度變化規(guī)律。

表2 路面結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)取值

圖1 結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3面層表面應(yīng)力變化

從圖1中可以看出，結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3三種結(jié)構(gòu)其面層表面的應(yīng)力均隨著半剛性基層厚度的增加而減小，在結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)的面層與基層之間設(shè)置10 cm級(jí)配碎石過(guò)渡層，使瀝青面層表面的應(yīng)力增大;在結(jié)構(gòu)3結(jié)構(gòu)的半剛性基層頂面設(shè)置10 cm級(jí)配碎石過(guò)渡層后，可以減小其面層表面的應(yīng)力。其次，當(dāng)基層厚度較薄時(shí)，結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)的應(yīng)力相近，隨著基層厚度的增加，應(yīng)力差值變大;結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)3結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化規(guī)律剛好與其相反，如圖1b)所示。

2． 2 面層底面應(yīng)力

如圖2所示，結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3三種結(jié)構(gòu)瀝青面層底面荷載應(yīng)力隨半剛性基層厚度的變化不是十分明顯，其中結(jié)構(gòu)2的面層底面應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)3，結(jié)構(gòu)1的面層底面應(yīng)力為最大。由計(jì)算結(jié)果可知，在結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)的面層與基層之間設(shè)置10 cm級(jí)配碎石過(guò)渡層，可以有效的減小面層底面的應(yīng)力;而在結(jié)構(gòu)3結(jié)構(gòu)的半剛性基層頂面設(shè)置10 cm級(jí)配碎石過(guò)渡層，雖然其瀝青面層底面的應(yīng)力比結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)小，但大于結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)。從圖2b)的應(yīng)力差值變化可以看出，在結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)之間是否增加級(jí)配碎石層對(duì)面層底面的應(yīng)力有較大的影響。

2． 3 基層底面應(yīng)力

三種結(jié)構(gòu)基層底面的荷載應(yīng)力隨水穩(wěn)碎石基層厚度的變化關(guān)系如圖3所示。結(jié)構(gòu)1，結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3三種結(jié)構(gòu)基層底面的荷載應(yīng)力由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，其基層底面拉應(yīng)力隨水穩(wěn)碎石基層厚度的變化呈減小趨勢(shì)。其中，結(jié)構(gòu)3的基層底面拉應(yīng)力最小，其次為結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)的應(yīng)力為最大。從應(yīng)力差值變化圖3b)可以看到，隨著基層厚度的增加，結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3的應(yīng)力差值逐漸減小。

圖2 結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3面層底面應(yīng)力變化

圖3 結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2及結(jié)構(gòu)3基層底面應(yīng)力變化

綜合分析結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3三種結(jié)構(gòu)面層頂面、面層底面和基層底面的應(yīng)力變化情況，可以看出:在面層頂面，增加級(jí)配碎石層的結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu);而結(jié)構(gòu)3結(jié)構(gòu)的應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)。在面層底面和基層底面，增加級(jí)配碎石層的結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)。面層表面主要承受車(chē)輛荷載壓應(yīng)力作用，而瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此面層表面產(chǎn)生的壓應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)耐久性影響較小。綜合來(lái)講，在結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置級(jí)配碎石過(guò)渡層，可以有效的提高面層底面和基層底面抗拉能力，防止路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，提高道路的耐久性。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS有限元分析得出，在結(jié)構(gòu)層之間設(shè)置級(jí)配碎石過(guò)渡層，可以有效的提高面層底面和基層底面抗拉能力，在結(jié)構(gòu)1結(jié)構(gòu)的面層與基層之間以及在結(jié)構(gòu)2結(jié)構(gòu)的級(jí)配碎石層頂面設(shè)置10 cm瀝青碎石過(guò)渡層，可以有效的減小面層頂面、面層底面和基層底面的應(yīng)力，防止路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，提高道路的耐久性。

［1］ 馬 骉．多年凍土地區(qū)瀝青路面材料組成與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2006．

［2］ 胡小弟，孫立軍．輕型貨車(chē)輪胎接地壓力分布實(shí)測(cè)［J］．公路交通科技，2005，22(8):1-7．

［3］ 姬楊蓓蓓，馬 骉．多年凍土地區(qū)路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究分報(bào)告之六:多年凍土地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2002．

［4］ 姬楊蓓蓓．多年凍土地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究［D］．西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2005．