水平荷载对沥青路面表面破坏的影响
摘要：随着公路和城市道路建设的发展。沥青路面已成为我国道路路面的一种重要形式。但由于忽视了结构设计，在已建成的沥青路面中，沥青路面不同程度地出现早期破坏现象。通过计算水平荷载，以及垂直荷载及其合作用下路面力学的响应，分析沥青路面表面损坏的机理。结果表明，沥青路面的损坏是水平荷载和垂直荷载，以及环境等因素导致的剪切或拉伸破坏，水平荷载是破坏的主要因素。
关键词：沥青路面，结构设计，水平荷载。
0引言：
如果行车荷载中只考虑垂直荷载，不去考虑水平荷载的话，那是很不全面的。相当于车辆仅仅是停放在路面上，而不是在行驶中，这样的话路面使用寿命会很长，而现实并不是这样，这就说明沥青路面的破坏，水平荷载起了很重要的作用。我国交通量增长很快，而且超载情况严重，路面的破坏现象比较频繁，使用寿命也不是很乐观。其中，高速公路上常见的破坏现象有裂缝、车辙、松散、剥落和表面磨光等。而水平荷载的作用成了这些破坏现象主要因素之一，所以为了防止和减少沥青路面的破坏，对水平荷载的研究分析，是非常必要的。
1.沥青路面水平力的分析
1.1论文分析方法
车轮荷载是使路面产生应力、应变和位移的外力,是促使路面破坏的原因之一。大量的实测结果表明轮胎与路面间的接触压力是非均匀分布的,而且接触面的形状也不是圆形,而是接近椭圆形或矩形。汽车在路面上有停驻、行驶、刹车、转向等状态,随着汽车在路面上运动状态的变化,车轮荷载的作用方向和作用力的大小也将有所改变。当汽车停驻在路面上时,一般只考虑轮重对路面的作用力,且在设计中,只考虑汽车后轴的轮重。当汽车行驶时,后轮对路面除有垂直力以外,还有车轮转动时对路面产生的水平切向力,水平切向力是由于轮胎与路面间的摩阻造成的。当汽车行驶在横向超高较大(如小半径圆曲线)路段将产生较大的水平力。在山区高速公路的上坡路段上,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。
本文利用Bisar3.0对垂直荷载和水平荷载作用下的沥青路面进行应力分析和计算，以及通过查取资料，取得数据来证明水平荷载是产生路面破坏的重要因素。
1.2建立数学模型及设计参数
1.2.1建立沥青路面结构的力学分析模型
在分析沥青路面结构时，通常假定路面各层为平面无限大的弹性层，路基为弹性半空间体。本文确定路面三维结构模型长宽均为5m，路基厚度为7m。其它各结构层的厚度和材料参数见表1。现行路面设计规范中，设计荷载为标准双圆均布荷载，荷载大小为0．7MPa。实际调查显示随着车辆轴载的增大，轮胎与路面接触面积越接近于中间为矩形、两端为圆形，因此本文把标准双圆等面积换算为双正方形，两圆心距离和两正方形中心距离相等，两中心的距离仍为319．5mm，则正方形边长为188．8mm。
表1路面结构和材料参数
路面结构 弹性模量/MPa 泊松比 厚度/M
沥青混凝土面层 1400 0.35 0.18
水泥稳定碎石基层 1600 0.25 0.36
二灰土底基层 700 0.30 0.20
土基 40 0.35 7.00
1.2.2荷载的大小的参数设置
车辆在行驶中受到道路阻力、横向力、空气阻力、惯性力等，道路阻力包括滚动阻力和纵坡阻力，车辆在行驶中对路面产生的水平荷载为滚动阻力和纵坡阻力的反作用力。沥青路面滚动阻力系数为1％～2％，现行路线设计规范规定一级公路最大纵坡为8％。在平曲线路段还会产生与滚动阻力垂直的横向力。在极限最小半径路段，一级公路横向力系数为0．15，而一般最小半径路段的横向力系数为0．06。但是车辆并不是按计算行车速度行驶的，在路线组合不好的情况路段，车辆会以比计算行车速度大20km／h的速度行驶，横向力系数就会大于0．15。以一级公路60km／h的计算行车速度为例，极限半径125m(超高为8％)，横向力系数为0．15；如果运行速度为80km／h时，横向力系数。在一般最小半径路段，也存在这种情况，仍以一级公路60km／h的计算行车速度为例，一般最小半径为200m，横向力系数0．06，超高8％，横向力系数。因此本文取0．30为横向力系数的最大值，0．15为一般值。在交叉口、加油站等路段以及急刹车时，车辆加速、减速产生的水平荷载较大，荷载大小与路面构造深度和轮胎的结构以及质量有关，极限值一般取决于路面的摩擦系数。确定沥青路面的摩擦系数为0．6。综上所述，均布垂直荷载取定值取0.7Mpa。
2水平荷载的作用
垂直荷载0．7MPa作用下面层内最大剪应力。由图1显示，最大剪应力随深度的增加，先增大后减小，峰值出现在60mm深度处，大小为0．11673MPa，并且在垂直荷载作用下，面层内没有出现拉应力。因此，在垂直荷载作用下，沥青路面只可能出现剪切破坏，不可能发生拉应力破坏。
图一：
2.1垂直荷载作用结果分析
只受水平荷载作用下的情况，由图1可以看出：(1)最大应力随着水平荷载系数(即水平荷载)的增大而增大；(2)水平荷载对面层0～120mm范围内的应力影响大，最大应力随着深度的增加降低较快；(3)最大剪应力和最大拉应力峰值均出现在路面表层。水平荷载和垂直荷载是联系在一起的，没有单纯的水平荷载。车辆在行驶中，既施加路面垂直荷载又施加水平荷载。在垂直荷载0．7MPa作用不变的情况下：
(1)急刹车(水平荷载系数0．6)时，沥青路面表面产生的最大剪应力和拉应力峰值分别高达6．4097MPa和6．84MPa；
(2)车辆在极限最小半径路段(水平荷载系数0．3)行驶，沥青路表面产生的最大剪应力峰值为3．2048MPa，最大拉应力峰值为3．2902MPa；
(3)在一般最小半径路段(水平荷载系数0．15)，最大剪应力和拉应力峰值分别为1．6254MPa和1．548MPa；
2.2水平荷载作用结果分析
