《武汉工程大学学报》 2015年02期
5-9
出版日期：2015-02-28
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
层间接触状态和横向力大小对车辙贡献率的影响
０ 引 言很多学者对沥青路面车辙贡献率的问题进行过研究，也采取了很多方法，例如室内车辙试验和现场钻芯实测并结合统计学原理、圆形均布荷载理论分析、以及实测轮载有限元理论分析等［１－６］. 本文采用实测轮载并考虑不同层间接触状态和横向力大小，通过有限元分析来研究有关沥青路面车辙贡献率的问题. １ 三维有限元计算模型的建立计算用路面结构及其参数见表１，文中所采用模量均为动态模量. 标准轴载ＢＺＺ－１００的轮载Ｐ＝２５ ｋＮ，ｐ＝７００ ｋＰａ，当量直径ｄ＝０．２１３ ｍ（双圆荷载）；层间接触条件考虑完全连续. 由于车辙是在压应变和横向剪应变共同作用下引起的［７］，故本文在建立三维有限元计算模型时，考虑的对比计算指标为压应变εｚ和横向剪应变γｘｚ. 沥青路面车辙贡献率有限元计算模型根据经验［７］初定为：单元类型：ｐｌａｎｅ８２，ｓｏｌｉｄ４５；尺寸：４ ｍ×４ ｍ×８ ｍ；边界条件：沿行车方向的前后侧没有Y方向的位移，左右侧没有Ｘ方向的位移，底部没有Ｚ方向的位移. 有限元的计算模型见图１.表1 路面结构计算参数Table 1 Pavement structure calculations图１ 三维有限元计算模型Fig.1 Three-dimensional finite element calculation model为保证所建立的计算模型的可靠性，本文将三维有限元计算模型与多层弹性体系理论解按上述指标进行对比，结果如图２所示.图2 有限元计算模型和多层弹性理论的剪/压应变响应Fig.2 Finite element model and the shear/compressive strain response of the multi-layer elastic theory通过图２有限元计算模型和多层弹性体系理论的压应变和剪应变响应趋势对比分析，可验证该计算模型的可靠性. ２ 数据处理方法的确定沥青路面车辙贡献率是指沥青路面面层各层的车辙量占总车辙量的比例. 车辙是一种累积变形量；而应变则是具有一定尺寸（长度、角度）的物体在该尺寸方向发生的变形与该物体原有尺寸的比值. 每一层的应变乘以该层的厚度就是车辙量，这样就能建立应变与车辙量的关系. 假设不考虑回弹恢复等，即每个量都是绝对量. 压／剪应变车辙贡献率，如图３所示. 图３中，Ａ１ε／Ａ１γ分别表示上面层压／剪应变与上面层厚度的乘积Ａ２ε／Ａ２γ表示中面层压／剪应变与中面层厚度的乘积，Ａ３ε／Ａ３γ表示下面层压／剪应变与下面层厚度的乘积，则有：ＳＡ１ε＝Ａ１ε／（Ａ１ε＋ Ａ２ε＋ Ａ３ε）表示上面层压应变车辙贡献率，％；ＺＡ２ε＝Ａ２ε／（Ａ１ε＋ Ａ２ε＋ Ａ３ε）表示中面层压应变车辙贡献率，％；ＸＡ３ε＝Ａ３ε／（Ａ１ε＋ Ａ２ε＋ Ａ３ε）表示下面层压应变车辙贡献率，％；ＳＡ１γ＝Ａ１γ／（Ａ１γ＋ Ａ２γ＋ Ａ３γ）表示上面层剪应变车辙贡献率，％；ＺＡ２γ＝Ａ２ε／（Ａ１γ＋ Ａ２γ＋ Ａ３γ）表示中面层剪应变车辙贡献率，％；ＸＡ３γ＝Ａ３γ／（Ａ１γ＋ Ａ２γ＋ Ａ３γ）表示下面层剪应变车辙贡献率，％．图３ 压／剪应变车辙贡献率示意图Ｆｉｇ．３ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ／ｓｈｅａｒ ｓｔｒａｉｎ ｒｕｔ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎ３ 层间接触状态下横向力对的沥青路面车辙贡献率的影响层间接触状态是指沥青路面各层之间的接触情况. 由于沥青路面面层之间，以及面层与基层之间不是完全连续的，故在本文研究中考虑两种层间接触状态. 第一种是理想状态，即考虑层间完全连续；第二种考虑层间有摩擦，且沥青路面面层之间的摩擦系数为０．７，面层与基层之间的摩擦系数为０．５［８］. 计算采用标准荷载（后轴总重１００ ｋＮ，胎压６００ ｋＰａ，单轮负荷２５ ｋＮ），走向花纹轮胎的实测竖向接地压力作为计算荷载［９］，且考虑水平荷载作用. 研究表明，横向轮胎接地压力一般为最大垂直轮胎接地压力的１５％～５０％［１０］. 为了使计算结果更具一般性，分别取横向轮胎接地压力为最大垂直轮胎接地压力的０、１５％、３０％和５０％进行计算分析. 纵向轮胎接地压力一般为最大垂直轮胎接地压力的１２％. 采用表２中的路面结构参数进行计算，其中模量为实测模量.表2 路面结构计算参数Table 2 Pavement structure calculations３．１ 不同层间接触状态下横向力大小对车辙贡献率的影响不同层间接触状态下横向力大小对车辙贡献率的影响计算结果如表３、表４所示，从表中可以看出：ａ．在层间完全连续状态下，随着横向力大小的变化，中面层剪应变车辙贡献率变化较小，且表现为中面层占优，无论横向力如何变化，中面层剪应变车辙贡献率维持在４０％～４３％之间；在层间有摩擦条件下，各面层剪应变车辙贡献率变化均较小，且中面层占优趋势不再明显. ｂ．无论层间接触状态如何，随着横向力大小的变化，各面层压应变车辙贡献率变化均较小，且各面层压应变车辙贡献率相当. ｃ．在层间完全连续状态下，横向力大小的选取不能简单的取最大垂直轮胎接地压力的随意比例，例如３０％，而是要根据所研究的具体情况具体分析.表3 层间完全连续状态下不同横向力下沥青层各层剪应变和压应变车辙贡献率Table 3 Rutting contribution of shear strain and compressive strain in each layer at the different transverse forces under the completely continuous state of layers表4 层间有摩擦条件下不同横向力下沥青层各层剪应变和压应变车辙贡献率Table 4 Rutting contribution of shear strain and compressive strain in each layer at the different transverse forces under conditions of interlayer having friction３．２ 不同横向力大小下层间接触状态对车辙贡献率的影响不同横向力大小下层间接触状态对车辙贡献率的影响计算结果如表５所示，从表中可以看出：ａ．层间接触状态由完全连续到考虑摩擦，无论横向力大小如何，中面层剪／压应变车辙贡献率均减小，但减小幅度不大. ｂ．层间接触状态由完全连续到考虑摩擦，无论横向力大小如何，各面层的剪／压应变车辙贡献率变化幅度均比较小. 由此可以看出，在各种水平的横向力大小情况下，层间接触状态对沥青路面车辙贡献率的影响较小. ４ 结 语通过以上研究得出如下结论：ａ．在层间完全连续状态下，横向力大小的选取不能简单的取最大垂直轮胎接地压力的一定比例，例如３０％，而是要根据所研究的具体情况具体分析. ｂ．在各种水平的横向力大小情况下，层间接触状态对沥青路面车辙贡献率的影响较小. 在以后的研究中，为了减小计算量同时又不影响研究的准确性. 在适当的情况下，可以忽略层间接触状态，即假定层间完全连续.表5 不同横向力下层间接触状态下沥青层各层剪应变和压应变车辙贡献率Table 5 Rutting contribution of shear strain and compressive strain in each layer at the different transverse forces under the contact between layers致 谢感谢云南建工集团直属总承包二部为本研究提供的支持和帮助！