复合式路面界面层剪应力的简化分析

复合式路面界面层剪应力的简化分析

王火明1，肖友高2，唐强2

王火明1，肖友高2，唐强2

（1.江苏省交通科学研究院江苏南京211112；2.重庆渝通公路工程总公司重庆400072）

【摘要】针对刚柔复合式路面界面层所受剪应力，运用功能原理建立界面层剪应力简化计算模型。分析车辆在不同行驶速度和刹车距离情况下，刚柔性路面界面层所受到的剪应力大小。计算结果显示：在行驶速度为120Km/h，刹车距离为50m时，界面层所受到的最大剪应力不会超过0.778MPa。

【关键词】刚柔性路面；界面层；剪应力；功能原理；防水粘结层

【Abstract】RigidCompositePavementinterfacelayersufferedshearstresses,usingfunctionalprinciplesoftheestablishmentofboundarylayershearstress,simplifythecalculationmodel.Analysisofvehiclespeedandbrakingdistanceofdifferentcircumstances,therigidflexiblepavementlayerinterface,beingthesizeoftheshearstress.Theresultsshowed:Intherunningspeedof120Km/h,brakingdistanceof50m,theinterfacelayeraresubjecttothemaximumshearstressdoesnotexceed0.778MPa.

【Keywords】Rigidflexiblepavements;Interfacelayer;Shearingstress;Functionaltheory;Waterproofbondinglayer

1.引言

刚柔性路面主要包括两种结构形式，一种是就水泥混凝土路面上加铺沥青层，俗称“白改黑”路面，另一种是水泥混凝土桥沥青混合料铺装结构，二者在受力上有许多的相似之处。刚柔复合式路面面层材料模量相差大，其损坏形式大体相似，如：推移、开裂、剥离。究其原因，都是因为界面层的剪切破坏和粘结破坏，而界面层的破坏十有八九是由于界面层抗剪强度不足所致,因此,刚柔性路面界面层所受剪应力大小及抗剪强度指标非常关键。有很多文献资料都对刚柔性路面界面层剪应力进行过理论分析和计算，通常都采用数值模拟软件，建立有限元模型进行计算。目前有许多通用的有限元分析软件可以用于各种路面结构的分析与计算，如ANSYS，ADNIA，SAP系列等。相对于平面的二维有限元分析，三维有限元分析能更好地模拟实际的路面结构，其分析结果也更接近路面实际的受力特点。运用三维有限元分析计算刚柔性路面界面层的受力，可以考虑车辆轴载、车辆行驶状态、沥青层厚度、沥青层模量、界面层粘结状态等因素对界面层受力的影响。采用有限元分析法虽然能够对界面层所受剪应力进行全面细致的计算分析，如忽略模型本身的误差，其分析计算结果也相对精确。但是，有限元建模过程复杂，需要一定的有限元建模知识，很多人在短时间内无法完成，给有限元分析结果的实际应用造成了一定的阻碍。

2.刚柔性路面界面层剪应力的简化模型

相关研究表明，界面层在刹车时受到的剪应力较车辆正常行驶时产生的剪应力大很多，由于工程结构物类型复杂，交通条件和自然环境条件也时常变化，有限元分析往往无法将所有的因素都考虑进去，因此，本文出于偏安全的考虑，采用简化的力学分析方法，考查在最不利状况下（超载刹车）铺装层所承受的最大剪应力。假定刹车时的惯性力完全传递到界面层，完全由相应面积下的界面层的抗剪能力承担刹车时产生的水平荷载（在实际刹车过程中，车辆制动距离、轮胎类型、路表面构造、铺装层厚度等都会影响水平荷载的大小）。

本次计算了标准轴载BZZ-100和标准轴载超载30%两种轴载情况下，在不同行驶速度，刹车产生的剪应力。标准轴载超载30%后，轴重增加，轮胎接地压力会有显著增大，轮胎压力增加，接地面积也会随之发生改变。参考相关文献后，取标准轴载超载30%的轮胎接地压力为1.092MPa，轮胎接地面积可通过轴重和轮胎接地压力计算得到。此处提到的简化计算方法实际上就是运用功能原理，将车辆刹车时产生的动能与摩擦力所做的功结合起来，通过公式：〖SX(〗1〖〗2〖SX)〗mν2=fl（m为车辆质量，可通过轴重计算得到，l为刹车距离）计算得到水平摩擦力f，而水平摩擦力f=τs，s为界面层受力面积，认为等于轮胎接地面积。运用功能关系，可以得到界面层剪应力的简化计算公式：τ=〖SX(〗pν2〖〗20l〖SX)〗；其中，τ为所求界面层剪应力，p为轮胎接地压力，v为车辆行驶速度，l为刹车距离。

3.刚柔性路面界面层剪应力的简化计算结果

运用界面层剪应力的简化计算公式对界面层剪应力进行计算

*参考相关文献，车辆行驶速度达到120Km/h时，很难在50m距离内刹车至完全静止状态。

从界面层剪应力简化计算方法及计算结果可以看出，当车辆轴重大，刹车距离短，行驶速度快时，界面层受到的剪应力为最大。从简化计算方法中的计算公式可以看出，剪应力与轮胎压力成正比，与刹车距离成反比，与行驶速度的平方成正比。此次计算的剪应力界面层所可能受到的最大剪应力，将车辆轮胎接地面积大小的铺装取为隔离体，则其受到的主要作用力

在最不利条件下，即当铺装层内的推力为0时，刹车产生的水平剪应力完全由界面层承担，当轴载为BZZ-100，行驶速度为120Km/h，刹车距离为50m时，界面层可能承受的最大剪应力为0.778MPa。而实际上界面层受到的剪应力一定是比0.778MPa要小的，若以此为标准要求界面层抗剪强度肯定是足够安全的。

说明：

第一类工程：特大型桥桥梁、各种特殊路段桥梁（如立交桥闸道，坡桥，弯桥等）；长大纵坡路段、急弯路段、实际交通量大的高等级公路、存在较频繁超载、超限车辆运输的路段；气候条件恶劣、年最高气温与最低气温相差超过45℃或年最高气温超过35℃的路段；

第二类工程：各种形式的中型桥梁，无特殊路段的大型桥梁；无特殊路段的各高等级公路，实际交通量不超过初试设计量，不存在频繁的超载、超限车辆运输路段；气候条件一般，年最高温度不超过35℃，年最高气温与最低气候相差不超过45℃的路段；

第三类工程：各种形式的小桥，无特殊路段的中桥；无特殊路段的各等级公路（除高速公路，城市主干道和各干线公路之外）；交通量较小，不存在超载、超限车辆运输路段；气候条件较好，年最高温度不超过30℃，年最高气温与最低气温相差不超过40℃的路段。

4.刚柔性路面界面层抗剪强度标准

通过对刚柔性路面界面层剪应力的简化分析与计算，得到了正常情况下界面层所受到剪应力最大值为0.778MPa。那么，对于实际工程而言，如何制定合理的界面层抗剪强度标准是一个关键问题。标准定得过高，势必造成不必要的浪费，而且给设计和施工带来许多困难。标准定得过低，将起不到控制作用，路面容易发生破坏。笔者认为，刚柔性路面界面层抗剪强度标准应该在界面层力学分析基础上，考虑到路面使用品质与经济性的平衡，照顾到绝大多数的工程实际情况。考虑工程所在地气候条件，交通条件，工程重要程度等等因素。综合考虑各种因素后，制定合理的抗剪强度标准。笔者的思路是，首先根据工程所在地气候环境、交通条件、工程重要性，对工程进行分类。分类之前，首先确定分类指标，如：气候条件、交通条件、工程重要程度等。工程所在地属夏酷热冬严寒气候恶劣区，年最高气温与最低气温相差较大，且交通条件较为恶劣，指交通量大、超载超限运输频繁、由于道路线形设计的原因，使得车辆在行驶时频繁出现刹车、加速或紧急制动等情况，并且工程本身比较重要，如特大型的桥梁，高速公路，或是重要的干线公路，城市主干道等。对于满足以上三个条件的，界面抗剪强度标准应该适当提高；而对于一般性工程，如：气候条件较平稳；交通条件较好，满足预先的各项设计要求；车辆行驶正常，道路本身无长大纵坡、急弯等不良行事路段，其界面层抗剪强度标准可适当放宽。

综合各种因素，结合目前的实际情况，提出如下界面层抗剪强度标准，

以上抗剪强度指标的确定，主要是基于路段的实际交通条件和气候条件，根本则是考虑到路段界面层可能受到的最大剪应力。同时，并没有取界面层可能出现的最大剪应力，因为，这些最大值往往是在所有不利因素都同时出现之后取得的，这在实际中是极少可能出现的。考虑到标准的广泛适用性，考虑到指标的可控制性和可能造成的经济效应，最后的取值通常是考虑到最有可能出现的一些控制性较强的且又不会造成巨大浪费的数值。

5.结论

本文运用功能原理建立刚柔性界面层剪应力的简化计算模型，通过计算得到正常情况下，界面层所受剪应力不超过0.778MPa。基于计算结果，考虑到工程实际情况，提出了刚柔复合式路面界面层抗剪强度标准。对于一类工程，建议抗剪强度不低于0.5MPa，二类工程不低于0.4MPa，三类工程不低于0.3MPa。

［文章编号］1006-7619（2009）09-03-788

［作者简介］王火明(1982.10-)，男，湖北黄冈人，2008年3月毕业于重庆交通大学道路与铁道工程专业，获工学硕士学位，现就职于江苏省交通科学研究院道路工程研究所，职称：助理工程师。