水平荷载作用下的路面结构应力

沥青路面力学响应分析及其研究方法综述发布时间：2022-07-11T02:28:48.391Z 来源：《工程管理前沿》2022年5期3月作者：黄勇维[导读] 沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，黄勇维重庆交通大学土木工程学院重庆 400074摘要：沥青路面具有比较复杂的力学特性，为了研究沥青路面的破坏机理以及路面应力应变变化规律，本文系统阐述了荷载、温度、路面结构类型以及层间接触状态对沥青路面结构力学的响应机理。

并且鉴于以往对路面进行力学研究不能够准确、真实、细致的反映其力学行为的问题，本文简述了对沥青路面细观力学行为的研究，使沥青路面力学的研究能够宏、细观相结合。

研究发现，细观力学分析能对内部材料变化进行量化处理，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

关键词：路面力学响应；荷载；温度；层间接触状态；细观力学研究0 引言我国沥青路面损坏影响因素主要有材料、荷载和温度。

因此，解决沥青路面这些问题，就要从因素出发，有必要对沥青路面力学响应因素进行分析研究。

沥青路面长期处于不同的自然环境中，并非单一不利因素影响沥青路面，在恶劣的气候条件和车辆荷载共同作用下，沥青路面材料内部逐步发生变化，路面出现宏观的损坏现象。

以往对路面进行力学研究，通常将沥青路面通过假设条件进行了不同程度的简化，与实际情况存在差别，不能够准确、真实、细致的反映其力学行为，因此，有必要对沥青路面细观力学行为进行研究，达到宏、细观相结合的目的，全面分析沥青路面力学响应，对改善路面性能有重要意义。

1沥青路面力学响应分析综述沥青路面是多层路面结构，具有比较复杂的力学特性。

国内外大量研究表明，对沥青路面力学响应有显著影响的因素主要有荷载、温度、路面结构类型和层间接触状态等。

研究不同因素影响下的路面力学响应，可以为更科学合理的路面设计方案提供必要的参考。

1.1荷载在沥青路面的力学性能分析时，通常把轮胎与路面的接触面作为路面受力分析的影响区域。

不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响应[摘要] 在汽车制动和起动频繁的地方，水平力的作用不能忽视。

同时，面层-基层间的接触条件一般也不是完全连续，施工以及营运阶段环境的作用都会削弱层间的联结。

本文通过采用三维有限元模型分析了不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响。

结果表明层间接触条件的不同和有无水平力的作用都对路面力学响应起着很大影响。

[关键词] 沥青路面，水平荷载，层间接触条件，三维有限元，力学响应中图分类号：u416.217 文献标识码：a 文章编号：引言在我国公路沥青路面设计规范中，采用的是传统的多层弹性体系理论：假设轮胎作用于路面的垂直应力呈圆形均匀分布。

并且在进行沥青路面厚度计算和结构层层底弯拉应力计算时只考虑层间完全连续的接触条件。

然而实际轮胎作用于路面的形状及垂直应力相当复杂，并非圆形均布所能简单描述的。

大量的试验研究结果显示，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形。

关于荷载方向，由于在山区公路的上坡路段上，特别是行驶重载和超载车辆的情况下，往往车速缓慢，此时车轮作用在路面上的水平力也是较大的，车轮在制动和起动过程中也会产生水平力。

因此，在停车场、车站、交叉路口、爬坡车道、收费站以及其他交通拥挤、车辆行驶缓慢的地方，路面受到车辆水平荷载作用较大，路面较容易产生车辙、坑槽等破坏。

各层间的接触条件也并不完全连续的。

各种因素，如面层下部材料孔隙率过大，沥青与集料粘附不良，基层材料塑性过大，施工时基层顶部没有清理干净，基层施工完后没有及时铺设沥青，以及经各种途径进入路面结构的水的化学、物理作用等等，都可以削弱层间的联结。

所以考虑层间完全连续是偏不安全的。

本文采用三维有限元分析不同层间接触条件下水平与竖向荷载共同作用的路面力学响应。

1 模型的建立1.1路面计算结构用于计算的典型路面结构各层材料参数及路面厚度如表1所示。

同时，为了便于比较各种受力和接触条件下路面的力学响应情况。

城市道路交叉口路面设计分析摘要：本文结合工程实际，对交叉口路面损坏类型、原因及结构力学进行了分析，并提出交叉口路面设计要点。

关键词：城市道路；路面；交叉口；设计1、路面损坏类型及原因分析城市道路交叉口主要的病害是车辙，此外还有裂缝、松散、坑槽等，这大大降低了交叉口的通行能力，严重影响行车质量和行车安全．对城市已有道路交叉口调查研究发现，产生这些损坏是由于在车辆频繁刹车、起动、转向的过程中，在车轮水平荷载和垂直荷载综合作用下导致沥青路面结构层内产生的剪应力超过材料的抗剪强度，或在车辆循环荷载作用下产生剪切疲劳导致其剪切塑性变形不断累积．从某市交叉口改造实际情况分析，交叉口病害的主要原因还有交通量大、重型车辆多和气温过高且持续时间长．2、路面结构力学分析由于交叉口交通管制、交通信号灯的设置以及交通组织的影响，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集、通过，同时交叉口也成为各种车辆频繁刹车、起动和转向的地方，而且随着交通量增加，渠化交通严重．在车辆荷载作用下，路面反复承受车辆荷载垂直应力和水平应力的综合作用，这不仅要求道路交叉口路面有良好的抗剪切、抗冲击及抗弯拉能力，而且要求有足够的摩阻力．因此，只有充分了解交叉口路面结构的受力情况，才能有针对性进行路面结构设计和材料设计．某市交叉口路面改造工程是在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土路面．由于旧水泥混凝土路面上沥青加铺层厚度设计主要依据旧路面结构的承载力及当地的经济状况，选用合理的加铺层方案．交叉口路面主要的病害是车辙和裂缝，沥青加铺层太薄，容易产生反射裂缝;加铺层太厚，造价又会过高，经济上难以承受，故加铺层应有一个较合理的厚度．根据国内外的经验和路面调查的状况，采用AASHTO法和有效厚度法计算确定水泥混凝土加铺层的加铺平均厚度为18 cm．为使路面结构方案更优化，材料组成设计更合理，充分发挥材料的力学性能，延长道路交叉口的使用寿命，需要通过力学分析确定加铺层主要的应力应变状态．2．1 力学模型根据AASHTO法和有效厚度法，结合实际情况，旧水泥混凝土路面采用冲击破碎击实法，拟定加铺层采用三层(4cm+6cm+8cm) 进行设计．借鉴以往的研究成果，发现沥青加铺层各层所处位置特点不一样，其功能也不一样．为此，建立力学模型．汽车荷载采用后轴为100kN的标准轴载，其作用半径r=10.65cm，垂直标准荷载p = 0.707MPa; 对于水平荷载，根据车轮与路面之间的摩擦系数确定，即:q=f×p，式中q为水平荷载，MPa;p为垂直荷载，MPa;f为摩擦系数，对交叉路口、停车站等缓慢制动地点摩擦系数为0. 2，对偶然的紧急制动摩擦系数为0. 5，为了研究交叉口不同的水平荷载对路面结构受力的影响，摩擦系数分别取0.0、0.1、0.3 和0.5;交叉口重载计算中取垂直荷载p为1MPa和1.2MPa．路面结构力学分析时选取的各层材料计算参数见表1，其中材料模量的选取考虑到改性与非改性等因素，借鉴规范的推荐值，模量的取值为一个范围．2．2 结果分析沥青混合料抗剪性能与沥青路面车辙病害有较强的相关性．因此，用最大剪应力来确定抗车辙区域．应用弹性层状体系理论，利用BISAR3和20节点有限元程序，计算分析结果如下:1) 层间接触状态影响分析当假设各层间接触分别为完全连续或半连续半滑动时，计算结果见表2．1) 表中“－”表示压应力．由表知，无论层间连接为完全连续还是半连续半滑动，加铺层的路表弯沉和层底弯拉应力均随着作用荷载增大而增大．当层间接触为完全连续时，3种作用荷载下加铺面层的各个分层受力情况均为压应力，说明这种情况下加铺层处于受压状态，因此加铺层因受拉应力而产生裂缝的可能性较小．但是在层间接触半连续半滑动状态下，加铺层的各分层均产生拉应力，其中中面层层底的拉应力最大，下面层次之．2) 不同垂直荷载作用对路面结构影响．图1描述了不同荷载作用下剪应力随路面深度的变化情况．由图2可知，剪应力随着垂直荷载的增大而增大，加铺层剪应力最大值的位置在4～7cm处，位于中面层，由此知，中面层为最容易产生车辙的一层．由图2知，在10cm内的剪应力处随着模量的增大．而明显减小;但是在18cm 处，模量越大，剪应力有增大趋势．为此，建议中面层可适当提高模量，而且在沥青面层与旧水泥混凝土路面接触的位置采取处理措施．4)不同水平荷载对路面结构的力学影响分析．交叉路口频繁刹车与制动，为了研究不同的水平荷载对路面结构受力的影响，取摩擦系数分别取0.0、0.1、0. 3 和0.5; 对于上述力学模型中，模量分别取中值，垂直荷载选用标准荷载，不同水平荷载下的计算结果见表3和图3．由表3 和图3 知，水平荷载作用的影响范围基本上在面层8cm以内，在此深度范围以外的应力变化幅度很小，路表面受水平荷载的影响最大．最大剪应力峰值出现在上面层3～7cm 处，所以上面层与中面层之间的联结一定要好，否则，将因受剪切应力过大而产生过早脱离和车辙等病害．力学分析表明，中面层是最不利一层，其受力最为复杂，剪应力最大;上面层受汽车刹车制动的影响较大，在旧路面中应力变化较明显，旧路面处治好坏直接影响到裂缝的扩展．从耐久性路面设计理念出发，面层采用高质量的沥青混合料，中间层采用高模量的沥青混合料，新旧路面交接处采用吸收应力粘结力好的路面材料．因此，应该对中、上面层的材料组成设计进行重点研究，采取多种材料组成方案进行路用性能试验比较，以优选出最佳的材料组成方案．3、交叉口设计建议根据以上力学分析，借鉴国内外已有的研究成果，结合地区气候环境特点、交通荷载以及交叉口位置的特殊性等因素的影响，对交叉口设计提出以下几点建议:(1) 中面层是沥青加铺层中最不利的一层，车辆刹车和制动影响较大的是上面层和中面层，且中面层模量增大可有效降低剪应力，即减轻车辙病害．因此，中面层和上面层是交叉口研究的重点层．(2) 从道路交叉口车辙发生区域以及抗剪角度出发，在路面结构组合及材料设计时应从多方面考虑来提高中、下面层的抗变形和抗剪切性能．沥青路面因便于养护和行车舒适等特点，在市政道路养护和建设中广泛应用．对于沥青路面，可从材料设计角度来提高路面抗车辙和抗剪切能力．比如可以通过采用调整级配、使用低标号基质沥青、改性沥青或掺加抗车辙剂等方式提高沥青混合料的抗车辙性能．此外，施工中要提高面层的压实度，避免二次压密性车辙．(3)旧水泥混凝土路面沥青加铺层底部出现拉应力和剪应力，良好的黏结效果可以减小结构层的最大剪应力和最大拉应力．因此，在设计和施工中一定要重视层与层之间的黏结．考虑到旧水泥混凝土路面接缝和裂缝会产生尖端应力，建议在接缝和裂缝处特别处理或处理后设置缓冲层，这样将有效减小裂缝病害．(4)SMA是一种由沥青、稳定剂、矿粉及少量细集料组成的粗集料嵌挤型断级配沥青混合料．目前在欧美广泛应用于重交通道路、机场和港区道路，具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、耐久性与抗滑性能，能够全面地提高沥青路面的使用性能．ATB沥青稳定碎石也是一种粗骨架结构，具有足够的抗车辙、抗剪切能力．建议交叉口采用改性沥青SMA+ ATB结构，ATB也可用其他抗车辙和抗剪切材料替代; SMA+ATB这种骨架嵌挤结构有较强的抵抗荷载变形能力及高温抗车辙能力．考虑到破碎旧混凝土面板容易损害加铺层，为了保证加铺效果，在实际工程中，建议优先选择传荷能力改善后铺设应力吸收层+抗车辙和抗剪切中间层+SMA或AC改性沥青面层的方案．参考文献:［1］邓学钧．路基路面工程［M］．人民交通出版社，2002: 1．［2］倪富健，尹应梅，高明生．聚酯玻纤布防荷载型反射裂缝室内模拟试验［J］．东南大学学报: 自然科学版，2007，37(1): 128-131．注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。

新编路基路面工程课后习题参考答案（刘黎萍，陆鼎中，程家驹，同济大学出版社）第一章路基和路面在道路上各起什么作用？有哪些基本要求？路基是道路路线的主体，又是路面结构的基础。

路面是道路行车部分的铺装，有了路基路面，车辆才能沿着预定的路线通畅，快速，安全，舒适，经济的运行。

要求：路基整体应稳定坚固路基上层应密实均匀路面结构应稳固耐久路面表面应平整抗滑路基通常由哪几部分组成？路基主体工程、排水工程、防护工程及其附属工程等。

路面结构为何要分层？主要分为哪些层？各层的作用及其对材料的要求如何？因为行车荷载和自然因素对路面的影响，随着深度的增加而降低，对路面材料的强度，稳定性等要求也随之降低，所以分层。

面层直接承受行车荷载和自然力的反复作用，应具有足够的强度和抗变形，抗水害、抗疲劳的性能，还要求平整、抗滑、耐磨、不透水等。

基层是路面结构的主要承重层，进一步扩散行车荷载到底部。

要有有足够的强度、一定的刚度和良好水稳定性；表面应平整，与面层很好的结合。

垫用来层调节和改善路基的湿度和温度状况，保证路面结构的稳定性或抗冻性。

要有有良好的水稳定性、隔温性和透水性。

路基路面设计施工的基本任务是什么？有何特点？主要包括哪些内容？基本任务是以最低的代价，提供符合一定使用要求的路基路面结构物。

特点是，结构形式简单，影响因素多变，牵涉范围广，施工安排不易等。

设计的主要内容，勘察设计，路基设计，路面设计，设计方案比选。

施工的主要内容，准备工作，路基施工，路面施工，质量控制和检验。

第二章路基路面设计中，主要考虑哪些行车荷载因素？轴载大小，接触面面积，竖直压力和水平压力，轴载谱，轮迹横向分布，使用年限内轴载的重复作用次数等。

试述单圆图式和双圆图式的含义。

当车轴的一侧为双轮组时，其接触面积一般可换算为面积与它相等的一个圆形面积，称为单圆图式。

若将双轮组的每一个轮子与路面的接触面积单独换算为面积相等的圆形面积，则双轮组可换算为两个圆形面积，称为双圆图式。

第六章路面结构的力学分析1.引言路面结构是指在路面上铺设的各种材料和层次，用来承受车辆荷载和环境荷载，并提供平稳、安全的行车路面。

路面结构的力学分析是研究路面结构在荷载作用下产生的应力和变形，以及结构的强度和稳定性。

2.车辆荷载车辆荷载是指行驶在路面上的车辆对路面产生的力和压力。

车辆荷载可包括静载荷和动载荷。

静载荷是指车辆停在路面上时对路面的作用力，动载荷是指车辆行驶时对路面的作用力。

车辆荷载可以通过车辆轴重、车辆类型、车速等参数来计算。

3.路面材料的特性路面材料的特性包括强度、刚度、抗裂性、耐久性等。

强度是指材料抵抗破坏的能力，刚度是指材料对应力的响应程度，抗裂性是指材料抵抗裂缝的能力，耐久性是指材料抵抗气候和环境影响的能力。

路面材料的选择应考虑车辆荷载、气候条件和交通流量等因素。

4.路面结构的力学模型路面结构的力学模型可分为弹性模型和塑性模型。

在弹性模型中，路面结构被假设为弹性体，能够在荷载作用下产生弹性变形，但不会导致结构破坏。

弹性模型的分析可通过有限元法等数值方法进行。

在塑性模型中，路面结构被假设为塑性体，能够在荷载作用下产生塑性变形，可能导致结构破坏。

塑性模型的分析可通过弹塑性理论和强度理论等方法进行。

5.路面结构的承载力路面结构的承载力是指其能够承受的最大荷载。

路面结构的承载力分析可通过确定路面结构的应力和变形，并比较其与材料的强度和变形能力。

当路面结构的应力超过材料的强度或变形超过材料的变形能力时，路面结构可能产生破坏。

6.路面结构的稳定性路面结构的稳定性是指其在荷载作用下保持平稳和不发生破坏的能力。

路面结构的稳定性分析可通过确定路面结构的变形和结构的弯曲、剪切和压实情况，以及土壤的支撑条件。

7.实例分析以城市道路的路面结构为例进行实例分析。

首先，通过调查和测量确定车辆荷载、路面材料和路面结构的参数。

然后，进行路面结构的力学分析，计算路面结构的应力和变形。

最后，比较计算结果与路面材料的强度和变形能力，评估路面结构的承载力和稳定性。

基于重载车辆作用下的沥青路面层间应力分析探讨摘要：沥青路面的破坏机理一直是道路从业人员关注的焦点课题。

本文对沥青路面结构应力有限元分析进行详细的分析探讨，对沥青路面的设计及施工有一定的指导意义。

关键词：沥青路面、层间应力分析、有限元分析abstract: the damage mechanism of the asphalt pavement is always the focus of attention of the road from personnel issue. in this paper, the asphalt pavement structure stress a detailed analysis of the finite element analysis, this paper of the asphalt pavement of design and construction has some significance.key words: the asphalt pavement layer, between stress analysis, finite element analysis中图分类号：u416.217 文献标识码：a 文章编号：引言车辆载荷是造成路面损伤的一个主要因素。

推移和拥包等破坏现象是道路工程实践中常见破坏形式。

该现象与车辆对路面水平载荷的作用以及层间接触状态密切相关，用有限元方法对路面进行受力分析可以较为准确的揭示导致路面破坏的力学特征。

沥青路面结构应力有限元分析条件1、面结构有限元模型的基本假定采用有限元方法建立道路多层体系有限元模型时，首先，需对实际道路进行一定简化，忽略次要因素的影响，以集中对关键问题的研究。

因此，为便于进行分析，对道路的弹性层状体系作如下假定:(1)各层皆由均质、连续、各向同性的弹性材料组成;其弹性参数以弹性模量e和泊松比表征，这种材料的力学性能服从虎克定律;(2)各层平面无限大.面层和基层有一定的厚度.底基层为半无限体;(3)上层作用载荷，各层水平无限远处和底基层无限深处应力分量为零;(4)层间不出现脱空，且各层分界面之间的接触条件采用连续体系，即应力和位移完全连续。

结合实际浅析公路沥青路面的设计方法摘要:随着社会的不断发展，交通作为重要基础和发展的关键，已成为重要的基础保障。

越来越多的公路工程将不断得到建设，文章根据自身工作经验，结合实际情况，就公路设计中陡坡路段沥青路面设计技术进行探讨，发表相关的看法。

关键词：公路；设计；沥青路面；分析探讨；1．计算与方法1．1 路面结构某公路面层结构层为三层体系，上、中面层均位于12cm内，该公路为高速公路。

本研究采用该公路通用半刚性沥青路面结构。

计算时，假设层间处于完全连续状态，各结构层计算参数将采用《公路沥青路面设计规范》推荐值，见表l。

表11．2坡度α及水平荷载系数f的选择在纵坡路段，路面垂直荷载仅与坡度α有关，水平荷载与坡度α和水平荷载系数(摩擦系数)f有关。

本研究依托的该公路最大纵坡为5％，因此，在计算中将采用最大纵坡5％作为坡度分析参数。

当坡度确定后，影响结构层受力的就只有水平荷载系数了。

在纵坡较小的路段，有准备的制动、启动，水平力系数f不大，一般小于o．17，在设计时可用0.2计算；但在纵坡较大或上坡路段、转弯以及紧急制动处，水平力系数高达0.5左右。

我国《城市道路设计规范》中以0.3作为水平荷载系数推荐值。

本研究中，考虑不同路况时的水平苟载条件，分析研究不同水平荷载系数对路面结构剪应力的影响。

水平荷载系数f选取0，0.2，0.4，0.6。

1．3力学计算图示对路面结构采用bisar3.0程序进行计算和分析。

计算图示采用双圆均布荷载，荷载参数选取标准轴载接地压力p=0.7mpa，δ=10.65cm。

双圆均布荷载的中心点坐标为(-1.5δ，0，0)和(1.5δ，0，0)(δ为荷载半径)，两轴轴心距为d=3δ=31.95cm。

计算时，设行车方向为x方向，道路横断方向为y方向，垂直向下为z方向，沿y方向每0.25δ作为计算点，沿z方向每2cm作为计算点。

剪应力数值(mpa)(a)路面横断面方向（m）(b)沥青面层剪应力分布（a:y-z面剪应力；b：轮载内外边缘剪应力对比）2．计算结果分析2．1最大剪应力沿y方向分布规律研究发现，对于不同水平荷载系数，最大剪应力在y方向的分布规律基本相同，沥青路面内部剪应力沿y方向最大出现在轮载边缘。

路基临界高度：与分界稠度相对相应的路基离地下水位或地表积水水位的高度槽式横断面：在路基上按路面行车道及硬路肩设计宽度开挖路槽，保留土路肩，形成浅槽，在槽内铺筑路面。

也可采用培槽方法，在路基两侧培槽，或半挖半填的方法培槽。

全铺式横断面：在路基宽度范围内全幅铺筑路面。

道路结构承载能力的含义。

如果发生结构承载能力不足会出现哪些破坏形式？道路结构承载能力包括强度和刚度。

强度为抵抗开裂、破化的能力；刚度为抵抗变形的能力。

若强度不足，则会产生压碎、拉断、剪切等破坏；若刚度不足，会产生车辙、沉陷或波浪等病害。

为何在路表上开挖或填筑路基可能会出现路基失稳的状态？在地表上开挖或填筑路基，必然会改变原地面地层结构的受力状态，原来处于稳定状态的地层结构，有可能由于填挖筑路而引起不平衡，导致路基失稳。

大气降水会对路基路面稳定性造成哪些影响？大气降水使得路基路面结构内部的湿度状态发生变化，低洼地带路基排水不良，长期积水会使得矮路堤软化，失去承载能力。

山坡路基，有时因排水不良，会引发滑坡或边坡滑塌。

水泥混凝土路面，如果不能及时将水分排出结构层，会发展唧泥现象，冲刷基层，导致结构层提前破坏。

沥青混凝土路面中水分的侵蚀，会引起沥青结构层剥落，结构松散。

砂石路面在雨季时，会因雨水冲刷和渗入结构层，而导致强度下降，产生沉陷、松散等病害，因此防水、排水是确保路基路面稳定的重要方面。

大气温度周期性变化对路基路面稳定性的影响有哪些？高温季节沥青路面软化，在车轮荷载作用下产生永久变化，水泥混土路面在高温季节因结构变化产生过大内应力，导致路面压曲破坏。

北方冰冻地区，在低温冰冻季节，水泥混凝土路面、沥青路面、半刚性基层由于低温收缩产生大量裂缝，最终失去承载能力。

在严重冰冻地区，低温引起路基不稳定的原因是多方面的，低温会引起路基收缩裂缝，地下水源丰富的地区，低温会引起冻胀，路基上面的路面结构，也将随之发生断裂。

春天融冻季节，在交通繁重的路段，有时会引发翻浆，路基路面发生严重的破坏。