过渡层对青藏公路沥青路面荷载应力影响分析

2011-07-25边巴次仁推布拉旺堆

山西建筑 2011年33期

边巴次仁推布拉旺堆

0 引言

青藏公路被誉为通向青藏高原的生命线，承担着大量的进出藏物资运输，行驶车辆以大中型货运车辆为主，并且以重车、超载车辆居多，恶化了青藏公路的使用条件［1］。

由于高原冻土地区特殊的气候条件和行车条件，使得各种路面结构的使用寿命不尽相同，因此除了外界自然因素的影响，各种路面结构自身的耐久性问题也是分析的一个方面。本研究对四种路面结构从荷载作用出发，进行力学计算和分析，考察不同路面结构在荷载作用下的力学特性，从减小荷载应力对路面结构影响的角度对比分析了不同的路面结构，推荐多年冻土地区典型沥青路面结构组合。

1 计算模型及路面结构类型

1． 1 计算模型

本文研究对象为青藏公路沥青路面。依据现行的JTJ 014-97公路沥青路面设计规范采用弹性层状体系，对路面结构模型做出以下基本假定［2］:

1)路面各层均为完全均匀和各向同性的连续体;

2)各结构层层间位移完全连续;

3)各层材料具有完全弹性;

4)假定路面上层表面作用为垂直荷载，同时认为水平方向与最下层无限远处应力和位移均为0;

5)不计结构自重。

文中所用模型路面宽度为10 m，路基高度为2．5 m，天然土体厚度取7．5 m，两侧天然土体各延伸3．75 m;模型天然土体底面施加x方向和y方向位移约束，天然土体左右两端施加x方向位移约束，两侧边坡自由。车轮荷载位置施加标准荷载为0．7 MPa。在计算中为了方便划分网格，将圆形荷载当量为矩形荷载，为了保持计算结果的精确度，使当量后矩形荷载面积接近于荷载当量圆面积。现行沥青路面设计规范中，当量圆面积为0．035 6 m2，可以推出当矩形边长取18．8 cm时，矩形荷载作用面积接近于圆形荷载。

在本论文中，除了两侧边坡采用自由网格划分外，其他结构都为映射划分，并对路基底部和左右天然土体采用渐变划分形式。

1． 2 路面结构类型

针对青藏公路所处的多年冻土地区独特的自然环境，总结以往的经验［3，4］，确定了四种结构组合，如表1所示。

表1 计算路面结构类型

其中结构1为目前常用的沥青路面结构组合，结构2，结构3在沥青面层与半刚性基层之间设置了过渡层，目的在于采取主动措施减小荷载应力对沥青路面的影响。各结构层计算参数如表2所示。

2 设置级配碎石层对荷载应力的影响

2． 1 面层顶面应力

结构1，结构2及结构3三种结构的沥青面层表面应力变化见图1，其中图1a)为三种结构面层表面应力随半刚性基层厚度变化规律，图1b)为三种结构面层表面应力差值随半刚性基层厚度变化规律。

表2 路面结构层计算参数取值

图1 结构1、结构2及结构3面层表面应力变化

从图1中可以看出，结构1，结构2和结构3三种结构其面层表面的应力均随着半刚性基层厚度的增加而减小，在结构1结构的面层与基层之间设置10 cm级配碎石过渡层，使沥青面层表面的应力增大;在结构3结构的半刚性基层顶面设置10 cm级配碎石过渡层后，可以减小其面层表面的应力。其次，当基层厚度较薄时，结构1与结构2结构的应力相近，随着基层厚度的增加，应力差值变大;结构1与结构3结构的应力变化规律刚好与其相反，如图1b)所示。

2． 2 面层底面应力

如图2所示，结构1，结构2及结构3三种结构沥青面层底面荷载应力随半刚性基层厚度的变化不是十分明显，其中结构2的面层底面应力小于结构3，结构1的面层底面应力为最大。由计算结果可知，在结构1结构的面层与基层之间设置10 cm级配碎石过渡层，可以有效的减小面层底面的应力;而在结构3结构的半刚性基层顶面设置10 cm级配碎石过渡层，虽然其沥青面层底面的应力比结构1结构小，但大于结构2结构。从图2b)的应力差值变化可以看出，在结构1结构之间是否增加级配碎石层对面层底面的应力有较大的影响。

2． 3 基层底面应力

三种结构基层底面的荷载应力随水稳碎石基层厚度的变化关系如图3所示。结构1，结构2及结构3三种结构基层底面的荷载应力由压应力转变为拉应力，其基层底面拉应力随水稳碎石基层厚度的变化呈减小趋势。其中，结构3的基层底面拉应力最小，其次为结构2结构，结构1结构的应力为最大。从应力差值变化图3b)可以看到，随着基层厚度的增加，结构1与结构2和结构3的应力差值逐渐减小。

图2 结构1、结构2及结构3面层底面应力变化

图3 结构1、结构2及结构3基层底面应力变化

综合分析结构1与结构2和结构3三种结构面层顶面、面层底面和基层底面的应力变化情况，可以看出:在面层顶面，增加级配碎石层的结构2结构应力大于结构1结构;而结构3结构的应力小于结构1结构。在面层底面和基层底面，增加级配碎石层的结构2和结构3两种结构的应力均小于结构1结构。面层表面主要承受车辆荷载压应力作用，而沥青混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，因此面层表面产生的压应力对路面结构耐久性影响较小。综合来讲，在结构层之间设置级配碎石过渡层，可以有效的提高面层底面和基层底面抗拉能力，防止路面结构发生破坏，提高道路的耐久性。