赵恒博，陈修辉，邱 宁

（青岛理工大学琴岛学院，山东青岛266106）

随着经济快速发展，一些重要干线公路交通量及大型车辆剧增，造成道路的病害增多，使用质量快速下降。随之出现了大量的沥青路面需要进行大、中修。但是实践中发现一些大、中修工程虽按照要求设计、施工，但正常通车使用后，局部仍陆续出现各种不同程度的病害[1-2]。通过对青岛某重载交通公路（以下简称该工程）进行实地调研、检测与统计的基础上，利用有限元分析软件Bisar，将荷载对路面结构受力显著性影响分析进行了以下几方面数值模拟：1）轴载对路面结构层形变量的影响；2）轴载对沥青混合料层层底拉应变的影响；3）轴载对沥青混合料层最大剪应力的影响。并根据数值分析结果提出相应的方案修改措施，从而使路面达到耐久性要求[3-4]。

1 模型建立

目前我国沥青路面的设计方法是基于弹性层在双圆竖向分布力作用下的理论，路面整体刚度控制指标是路面弯沉情况。此外高等级道路还应验证沥青混凝土表层，半刚性材料基层以及次基层所受的拉应力[5-6]。

采用Bisar软件定性对该工程路面结构在不同荷载作用下的应力和形变变化情况进行分析，力学响应计算点位置如图1所示。

图1 力学响应计算点位置图示

计算所用各参数取值如表1所示，不同荷载对应的荷载压力和荷载半径如表2所示：

表1 各参数取值范围

表2 不同轴重接地压力和荷载半径的关系

由表1、2可知，轮胎接地压力和荷载半径均随轴重的增加呈线性增大的趋势，该工程路段作用的最大轮胎接地压力为标准胎压的1.6倍。

2 轴载对路面结构受力显著性影响

2.1 轴载对路面结构层形变量的影响

结合实测单轴轴重，拟定四个轴载分别为80kN、100kN、160kN、200kN，利用 Bisar软件对路面各结构层的形变量进行计算[7]，计算结果汇总于图2：

图2 轴载对形变量的影响

由图2可知：各结构层变形随轴载增加呈线性增加趋势，且最大轴载作用下路面变形约为标准荷载作用下路面形变量的2倍。

2.2 轴载对沥青混合料层层底拉应变的影响

拟定四个轴载分别为 80kN、100kN、160kN、200kN，利用Bisar软件对路面沥青层层底拉应变进行计算，计算结果如表3和图3所示：

表3 不同荷载下路面沥青层层底拉应变计算结果

图3 轴载对沥青层层底拉应变的影响

由表3和图3可知，沥青层层底拉应变随轴载增加呈线性增加趋势，且最大轴载作用下沥青层底拉应变为标准荷载作用下沥青层底拉应变的1.1倍。在模量一定，即结构层使用材料确定，沥青层底拉应力的变化趋势和幅度与沥青层底拉应变的变化是一致的。

2.3 轴载对沥青混合料层最大剪应力的影响

理论研究显示面层是剪应力作用的主要集中区域，本次拟定四个轴载分别为80kN、100kN、160kN、200kN，利用Bisar软件对罩面层层底最大剪应力的变化进行计算[8-9]，计算结果如表4和图4所示：

表4 不同荷载下罩面层层底剪应力计算结果

图4 轴载对罩面层层底最大剪应力的影响

由表4和图4可知，沥青罩面层层底最大剪应力随轴载增大线性增加。且最大轴载作用下沥青罩面层底剪应力为标准荷载作用下沥青罩面层底剪应力的1.7倍。故在重载交通状况下，剪切疲劳破坏更容易发生。

由以上力学计算分析可知，沥青层的形变量、沥青层底的拉应变和拉应力、罩面层层底最大剪应力均随着荷载的增大而呈线性增加的趋势。沥青结构层在拉应力、剪应力及竖向变形的综合作用下，超出标准轴重的载荷导致路面破坏的几率将大大增加[10]。

3 结语

该工程路段病害主要表现形式为推移拥包破坏，尤其是上坡路段和小半径曲线段路面病害发生在行车道与硬路肩相交位置。查阅分析了该工程路段设计、施工及验收的各方数据，结果显示满足规范要求，整体施工处于可控状态。通过对病害发生的时间段及位置实地调研分析发现，病害的产生与重载车通行呈显著的相关性，结合以上数值分析发现，各结构层变形和最大剪应力均随轴载增加呈线性增加趋势，且最大轴载作用下路面变形约为标准荷载作用下路面变形量的2倍，可见超载是路面破坏的重要原因。同时，公路上行驶的汽车超载、超限严重，大量重载车的行驶造成行驶速度大大降低，延长了轴载对路面的作用时间，对路面结构层内的应力和应变等产生影响，这从另一方面加剧了车辙的产生，从而加速了路面的早期破坏。此外，双向两车道设计的二级公路段，重载超载车辆为了避让正常行驶的小车，大部分靠行车道右侧行驶，尤其是上坡路段和小半径曲线段，多呈贴边侧、渠化、慢速行驶，这是引起绝大部分路面病害发生在行车道与硬路肩相交位置的主要因素。