基于力學(xué)分析的交叉口路面結(jié)構(gòu)影響因素分析

朱志強

（深圳市市政設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

隨著瀝青路面建設(shè)進程的加快，針對瀝青路面使用中的問題也越來越多，特別是瀝青路面交叉口區(qū)域，各類道路病害問題突出。城市道路交叉口為車輛啟停、剎車、轉(zhuǎn)向極為頻繁的區(qū)域[1]。在車輪水平荷載和垂直荷載的綜合作用下，路面結(jié)構(gòu)承受較大的剪切力，而隨著車輛的循環(huán)荷載作用，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切疲勞，結(jié)構(gòu)層極易出現(xiàn)失穩(wěn)，從而會產(chǎn)生車轍、推移問題[2]。

模量是路面結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)參數(shù)，取值直接影響路面結(jié)構(gòu)的受力特性[3]，而提高瀝青結(jié)構(gòu)層模量，可以有效增強整個路面結(jié)構(gòu)抵抗剪切變形的能力[4，5]。層間接觸狀態(tài)同樣影響路面結(jié)構(gòu)的使用性能，尤其是路面在施工過程中，往往會出現(xiàn)黏層材料被施工車輛破壞等現(xiàn)象，這會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層層間接觸不良，不符合由層間連續(xù)的設(shè)計要求[6]。但是，目前瀝青層模量和層間接觸狀態(tài)對交叉口路面結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律研究還不夠全面，有必要系統(tǒng)地進行力學(xué)特性分析與論證。

為了提升交叉口路面結(jié)構(gòu)的抗剪切變形能力，本文主要分析不同影響因素對交叉口路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。基于理論模擬方法，通過改變?yōu)r青結(jié)構(gòu)層的模量和層間接觸狀態(tài)，計算不同工況下交叉口路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，分析不同因素對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特征的影響，明確交叉口路面結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律。

1 力學(xué)指標和計算模型

1.1 力學(xué)指標的確定

在進行交叉口路面力學(xué)響應(yīng)分析時，首先要選擇適當?shù)牧W(xué)指標。本研究選取瀝青結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力/應(yīng)變、最大拉應(yīng)力/應(yīng)變作為力學(xué)計算指標，來分析模量對交叉口路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。

1.2 計算模型的建立

1.2.1 荷載條件

結(jié)合交叉口路面重車多、剎車頻繁的情況，在設(shè)置荷載條件時，需要考慮豎向荷載和水平荷載。豎向荷載應(yīng)力設(shè)置為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，而對于水平荷載，則設(shè)置無水平荷載、水平荷載為豎向荷載的30%兩種工況。汽車荷載采用單軸雙圓均布荷載，當量圓半徑δ=10.65 cm，輪隙間距為1.5δ，荷載中心間距3δ，為便于網(wǎng)格劃分，將圓形均布荷載轉(zhuǎn)化為邊長為16 cm×23 cm的等效長方形荷載。

1.2.2 路面結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合實體工程，本文采用表1所示結(jié)構(gòu)進行分析，其中瀝青結(jié)構(gòu)層模量參照現(xiàn)行規(guī)范[7]取值。

路面結(jié)構(gòu)模型（見圖1）尺寸為6 m×6 m×6 m，所有材料均設(shè)定為彈性材料，結(jié)構(gòu)層間為完全連續(xù)接觸，整個模型的橫向和縱向可以沿法向自由轉(zhuǎn)

表1 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)及厚度

圖1 路面結(jié)構(gòu)有限元模型

動，但無法向位移，底面無三向位移不可轉(zhuǎn)動，網(wǎng)格劃分時采用三維實體8節(jié)點二次減縮積分單元（C3D20R）（見圖 2）。

圖2 路面三維結(jié)構(gòu)計算圖示

2 瀝青層模量的影響分析

設(shè)定層間接觸完好，通過改變?yōu)r青層模量來分析交叉口路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)。模量分別選取2 000 MPa、4 000 MPa、8 000 MPa和16 000 MPa，分析交叉口路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力/應(yīng)變、最大拉應(yīng)力/應(yīng)變分布。

2.1 最大剪應(yīng)力

由圖3可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢；

圖3 最大剪應(yīng)力隨模量變化情況

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應(yīng)力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應(yīng)力約增大71.5%；

（3）當豎向荷載為0.9 MPa時，隨著水平荷載的增大，最大剪應(yīng)力基本無變化，僅當模量為2 000 MPa時，最大剪應(yīng)力增大5.2%。

2.2 最大剪應(yīng)變

由圖4可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層的最大剪應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢；

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應(yīng)變增大，且不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應(yīng)變約增大71.4%；

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9MPa時，最大剪應(yīng)變基本無變化，僅當模量為2000 MPa時，最大剪應(yīng)變增大5.3%。

圖4 最大剪應(yīng)變隨模量變化情況

2.3 最大拉應(yīng)力

由圖5可以看出：

（1）隨著模量的增大：當無水平荷載時，最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當瀝青層模量為5 000 MPa時，最大拉應(yīng)力最小；當水平荷載為30%豎向荷載時，最大拉應(yīng)力隨著模量的增大而減小。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應(yīng)力也增大。當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大拉應(yīng)力增幅最大分別為95.7%和78.7%。

（3）隨著水平荷載的增大：當豎向荷載為0.9MPa時，最大拉應(yīng)力也增大；當模量為5 000 MPa時，最大拉應(yīng)力的增幅最為明顯，與無水平荷載情況相比，水平荷載為30%豎向荷載時，最大拉應(yīng)力增大4.64倍。

圖5 最大拉應(yīng)力隨模量變化情況

2.4 最大拉應(yīng)變

由圖6可以看出：

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，瀝青層的最大拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應(yīng)變增大，且不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應(yīng)變約增大71.4%。

（3）隨著水平荷載的增大：當豎向荷載為0.9 MPa時，最大拉應(yīng)變也增大；當模量為8 000 MPa時，最大拉應(yīng)變的增幅最為明顯，約為81.3%。

3 層間接觸狀態(tài)的影響分析

選擇瀝青層模量為2 000 MPa，通過改變?yōu)r青面層和基層層間接觸狀態(tài)來分析交叉口路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，層間摩擦因數(shù)分別選取0、0.25、0.5、0.75、1，即層間接觸狀態(tài)由完全光滑變化成完全連續(xù)，來分析交叉口路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力/應(yīng)變、最大拉應(yīng)力/應(yīng)變分布。

圖6 最大拉應(yīng)變隨模量變化情況

3.1 最大剪應(yīng)力

由圖7可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數(shù)的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa時，瀝青層的最大剪應(yīng)力變化較??；當從完全光滑變成完全連續(xù)時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大剪應(yīng)力分別約增大8.6%和3.1%。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應(yīng)力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應(yīng)力約增大71%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9MPa時，最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢，平均約增大5.3%。

圖7 最大剪應(yīng)力隨層間接觸狀態(tài)變化情況

3.2 最大剪應(yīng)變

由圖8可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數(shù)的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下，瀝青層的最大剪應(yīng)變變化較??；當從完全光滑變成完全連續(xù)時，在無水平荷載和水平荷載為30%豎向荷載的情況下，最大剪應(yīng)力分別約增大8.7%和3.2%。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大剪應(yīng)變也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大剪應(yīng)變約增大70%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9 MPa時，最大剪應(yīng)變呈現(xiàn)增大趨勢，平均約增大5.3%。

圖8 最大剪應(yīng)變隨層間接觸狀態(tài)變化情況

3.3 最大拉應(yīng)力

由圖9可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數(shù)的增大，不論有無水平荷載，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下：當摩擦因數(shù)小于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)力變化較?。划斈Σ烈驍?shù)大于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應(yīng)力也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應(yīng)力約增大77%。

（3）隨著水平荷載的增大，豎向荷載為0.9 MPa時：摩擦因數(shù)小于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)力基本無變化；當摩擦因數(shù)大于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢。

圖9 最大拉應(yīng)力隨層間接觸狀態(tài)變化情況

3.4 最大拉應(yīng)變

由圖10可以看出：

（1）隨著面層與基層層間摩擦因數(shù)的增大，不論有無水平荷載，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa的情況下：當摩擦因數(shù)小于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)變變化較??；當摩擦因數(shù)大于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）隨著豎向荷載的增大，最大拉應(yīng)變也增大，不論有無水平荷載，當豎向荷載從0.7 MPa增加至1.2 MPa時，最大拉應(yīng)變約增大71%。

（3）隨著水平荷載的增大，當豎向荷載為0.9 MPa時：摩擦因數(shù)小于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)變基本無變化；當摩擦因數(shù)大于0.75時，瀝青層的最大拉應(yīng)變呈現(xiàn)增大趨勢。

圖10 最大拉應(yīng)變隨層間接觸狀態(tài)變化情況

4 結(jié) 論

（1）隨著瀝青層模量的增大，在豎向荷載為0.7 MPa、0.9 MPa和1.2 MPa，以及有無水平荷載的情況下，整體來看，瀝青層最大剪應(yīng)力增大，而最大剪應(yīng)變、拉應(yīng)力和拉應(yīng)變則呈現(xiàn)減小趨勢。

（2）隨著瀝青面層與基層層間摩擦因數(shù)的增大，即層間接觸狀態(tài)由完全光滑變化成完全連續(xù)，最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變的變化較小，而最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變則變化明顯，摩擦因數(shù)小于0.75時，最大拉應(yīng)變無變化，摩擦因數(shù)大于0.75時，最大拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。

（3）隨著豎向荷載和水平荷載的增大，瀝青層的最大剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、拉應(yīng)力、拉應(yīng)變都呈現(xiàn)增大趨勢，最大剪應(yīng)力、剪應(yīng)變、拉應(yīng)變的增幅約為71%。

（4）對于重車多、剎車頻繁的交叉口，豎向荷載和水平荷載相對較大，在一定范圍內(nèi)，可以通過增大瀝青層模量和結(jié)構(gòu)層間黏結(jié)性能，來改善路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)特性。