□文 /焦晓磊

气候变化以及交通量是引起沥青路面病害的主要原因。我国高等级公路常常在通车2～3 a就出现较严重的早期破损，严重超载是造成早期破损的主要原因之一。对于柔性路面，国家设计规范采用路表弯沉值控制，使用年限采用累计折合成的标准荷载次数作为控制指标，但对重型车，特别是超重型车辆对路面结构强度的影响却没有细化的要求。规范中的折算系数并未考虑路面承载极限能力，一旦超出极限荷载行驶，将导致路面结构严重损伤，使路面开裂，出现推挤、拥包，甚至局部下陷。本文着重研究此类特殊荷载对道路结构的影响。

1 轴型参数

1.1 高等级公路交通组成

1）我国高等级公路以二轴车为主；三、四轴车占一定比例；五、六轴车占比较小，为非典型车辆。

2）各型轴载都有一定比例的超载，尤其5型轴与7型轴超载较为严重。而5型轴与7型轴间的联合作用，对道路结构的影响更是不可低估。

1.2 基本假设与有限元模型

沥青路面在力学性质上属于弹-粘-塑性体，但由于车轮与对路面作用是瞬时的，因而产生的粘-塑性变形很小，故将厚度较大、强度较高的路面结构视作线性弹性体并采用弹性层状体系理论分析是合适的。基于弹性层状体系理论，应用有限元软件ANSYS 10.0建立道路结构理想状态模型（忽略气候影响）。模型需满足弹性层状体系假设：

1）各层是连续的、完全弹性的、均匀的、各项同性的以及位移和变形是微小的；

2）最下一层在水平方向和垂直向下方为无限大；其上各厚度有限，水平方向无限大；

3）各层在水平方向无限远处及最下一层向下无限深处，应力、变形和位移为0；用glue命令将各层连接，进而形成多层完全连续体系；

4）层间接触，或者位移完全连续，或者层间仅顺向应力和位移连续而无摩阻力；

5）不计自重。

1.3 模型尺寸与材料参数

在多层弹性理论下，各层在水平方向及最下一层垂直向下方为无限大，但在有限元模型中只能取有限尺寸。通过多次建模对其结果分析，土基厚度取6 m，各层在水平面取6 m×6 m，最终确定各层尺寸及力学参数见表1。

表1 道路模型参数

1.4 荷载参数

标准轴载为单轴、每侧双轮，加载时每侧双轮采用单圆荷载，轮胎接触压力取0.7 MPa。对于双联轴载，三联轴载每侧亦取单圆荷载，轮胎与道路接触压力均取胎压，见图1和图2。

2 不同轴载作用对道路结构的影响

从沿轴向（x方向）与沿一侧轮下向(z方向)两个角度论述。

2.1 路表弯沉

沿x方向、z方向，不同位置处的弯沉值，见图3。图3a中，2.1、3.9 m处为轮载作用位置；图3b中，标准轴载作用位置在3 m处，双联轴载位置为2.4、3.8 m处，三联轴轮载分别在1.6、3、4.4 m处。

图2 轴载布载

图3 不同轴载下路表弯沉分布

分析图3可以得出以下主要结论。

1）最大弯沉值。三种轴载下，最大弯沉均发生在轮下，其中三联轴轴载作用时发生在中轮下。标准轴载、双联轴载、三联轴载作用下最大值分别为62.92、97.54、134.32（0.01 mm），因而对于最大弯沉值，双联轴载与三联轴载作用时分别较标准轴载增大55.02%、113.4%。

2）弯沉分布。除轮载作用位置，在同一位置，双联轴与三联轴较标准轴载作用时的轮间（轴向与单侧轮轮之间）弯沉亦有较大幅度增加，三联轴幅度最大，双联轴次之。这主要是多轴、多轮作用时所产生变形叠加所致。

2.2 各路面结构层层底应力

分析标准轴载、双联轴载和三联轴载作用下，x方向分布路面结构各层层底x、z方向拉（压）应力。其中三联轴取中轴。

1）面层层底以受压为主，基层和底基层层底以受拉为主，最大水平压应力发生在上面层层底。

2）最大层底拉应力出现在基层底部。

在上面层层底，x方向水平模型两端，局部也出现了拉应力，见图 4，分别为 39.04、64.23、90.46 kPa。可见，双联轴载和三联轴载在面层底产生了较大的拉应力，其对面层受力形式产生了较大影响。

图4 上面层层底x方向应力

2.3 剪应力、剪应变分布

由于模型的对称性与荷载的对称性，选取轮下、轴中心、1/4轴下以及同一排轮之间的三等分点这四个位置处向道路深度方向作路径，映射剪应力、剪应变。对于三联轴载，中间轴载附近与前后两端轴载附近剪应力分布有所不同，故将三联轴中这两种轴载同时研究，分别为三联轴1与三联轴2。

1）剪应力。在x方向，轮下剪应力最大，轴心最小。标准轴载剪应力稍大于其他两者。

2）剪应变。剪应变沿z方向，在剪应力最大处和路基部分（约1 m深处）均出现极值，是由于路基土刚度较路面结构层小。综合三种剪应变，最大剪应变为15×10-5上下徘徊，三联轴载最大，双联轴载次之，标准轴载最小。

3 结论

1）在特殊交通荷载作用下，路表弯沉有明显的增大。在轮下，双联轴载和三联轴载弯沉较标准轴载有55.02%和113.4%的增长。路表弯沉影响范围亦是三联轴最大，双联轴次之。

按照设计理论，累计当量轴次(ESAL)是道路发生破坏的主要原因。因此，特殊交通荷载将大大缩减道路使用寿命，对路面损坏的程度亦是显而易见的。

2）在标准轴载荷载作用下，面层各层底以受压为主，拉应力不大。在特殊交通荷载作用下，面层各层底压应力与标准荷载有所差异，主要是上面层层底出现了较大拉应力。

特殊交通荷载对面层易产生疲劳作用，导致面层损坏，应引起足够重视。特殊交通荷载对面层材料破坏更直接，对面层材料性能要求更高。因此，重载交通下的路面需要进行特殊的力学材料设计。

3）道路基层、底基层均受拉，基层层底拉应力较大。轴下拉应力、拉应变在标准轴载作用时最大，双联轴次之，三联轴最小。故特殊交通荷载并未增大基层底部拉应力。

4）剪应力、应变在轮下最大，轴心最小。轴型对剪应力分布影响不大。但在本文中发现，在路基处，即距路表约1 m深处，土基剪应变较大，因而土基的强度对道路的抗剪切破坏有较大影响。