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教育技术，管理与人文科学国际会议（ETMHS 2015）
水泥稳定碎石基模量变化对重载下沥青路面力学性能的影响孙朝晖1,a陈刚2,b王铁彬3,c侯展强4,d
1沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168
2沈阳铁路局科学技术研究院，沈阳
3辽宁省交通工程质量安全监督局，沈阳
4大连公路工程集团有限公司，大连116100a电子邮件： happyforevernicety@126.com, b电子邮件：gangch@126.com， c电子邮件Tiebinw@126.com,dHouzhq@126.com
关键词: 重负荷;水泥稳定碎石;模量;沥青路面;性能
摘要：应用弹性塑性理论和有限元软件分析了不同车轮荷载下公路半刚性沥青路面结构的受力情况。给出了水泥稳定碎石基模量变化对不同轮压下层底拉伸应力，表层剪切应力和路面结构表面挠度的影响。
介绍
随着交通量，负荷，道路坡度的提高和人们生活水平的提高，对路面的平整度和舒适性提出了越来越高的要求。路面挠度减小，水泥稳定碎石基层具有强度高，稳定性好等特点，可适应交通繁忙和轴重较大的情况，在我国高等级公路半刚性基层材料的沥青路面结构中普遍采用。但是，国家公路调查发现，即使完全按照沥青路面设计规范的要求来设计路面材料，仍存在一些早期破坏，基材强度不是越高越好。研究了不同轮压下水泥稳定碎石基模量变化对底层拉伸应力，表层剪切应力和路面结构表面挠度的影响，为合理的水泥模量值范围提供参考。
模型过载解析
近年来，不仅中国汽车运输量的增长迅速，而且轴向载荷迅速增加，重型车辆，特别是大振幅超限运输车辆的增长更加明显，例如上海地区的15条主要高速公路的车辆称重调查发现， 超载车辆的最大轴荷可达到170kN（单轴车轮压力为1.2MPa），双轴可达320kN（车轮压力为1.1MPa），中型以上卡车约为25％-45 ％超载。
为了确定合适的重载工况，研究半刚性路面结构在重载工况下的力学特性，本文通过建模分析了在0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.3MPa、1.5MPa轮压下的力学响应。
路面结构方案和设计参数见表1
copy;2015。作者-亚特兰蒂斯出版社出版 1
建筑模型
半刚性路面结构见表1。
建立了3.75mtimes;3.75mtimes;3.75m的路面结构模型，通过计算分析，模拟了路面结构的荷载响应。X轴方向为行进方向，Z轴方向为人行横断面方向，Y轴方向垂直于路面。边界约束如图1所示。X轴方向的位移和绕Y轴，Z轴的旋转是约束在X轴平面上，Z轴方向的位移和绕X轴，Y轴的旋 转是约束。在Z轴平面（即左右表面）上，所有约束都布置在模型的底部。由于路面结构模 型的路面应力比较复杂，为了提高网格模型的准确性，我们使用C3D4自由单元划分表面走向， 并使用C3D8R结构单元划分其余部分。根据“公路沥青路面设计规范”（JTG D50-2006）[2] 中的推荐值进行选择，如表1所示。
图1模式的边界条件
表1路面结构方案及设计参数
|
路面结构1 |
压缩（拉伸）模量/ MPa |
路面结构2 |
压缩（拉伸）模量/ MPa |
|
面层 4厘米 SMA13 |
1800 |
面层 4厘米 SMA13 |
2000 |
|
中间层 5厘米 LAC-20 |
1800 |
中间层 6厘米 AC-20 |
1800 |
|
底层 7厘米 LAC-25 |
1200 |
底层 8厘米 AC-25 |
1200 |
|
基层20厘米水泥稳定碎石 |
1500（3600） |
基层20厘米水泥稳定碎石 |
1500（3500） |
|
基层20cm水泥稳定碎石 |
1500（3600） |
基层20cm水泥稳定碎石 |
1500（3500） |
|
垫层16厘米砾石 |
175 |
垫层12cm中砂 |
100 |
|
路基 |
35 |
路基 |
50 |
计算结果分析
利用弹性塑性理论和有限元方法，可以分别在轮压分别为0.7MPa，0.9MPa，1.1MPa， 1.3MPa，1.5MPa的作用下，计算出路面结构层底部的拉应力，表面走向的剪切应力和挠度。路面结构1中水泥稳定碎石基层模量分别为1500 MPa和3600 MPa（设计值）的有限元软件， 计算结果如表2和表3所示。路面结构层底部的拉应力，剪力当路面结构2中水泥稳定碎石基模量分别为1500 MPa和3500 MPa（设计值）时，可以计算出表面走向和挠度应力，计算结果如表4和表5所示。
2
表2结构1（水泥稳定碎石模量为1500MPa）的计算结果
|
加载 |
0.7兆帕 |
0.9兆 帕 |
1.1兆 帕 |
1.3兆帕 |
1.5兆 帕 |
|
挠度（0.01mm） |
24.88 |
31.85 |
38.67 |
45.57 |
52.68 |
|
表层最大拉应力（Mpa） |
0.0308 |
0.0403 |
0.0486 |
0.0589 |
0.0675 |
|
中间层的最大拉应力（Mpa） |
0.0253 |
0.0309 |
0.0372 |
0.0428 |
0.0487 |
|
底层的最大拉应力 航向（MPa） |
0.0134 |
0.0169 |
0.0198 |
0.0218 |
0.0247 |
|
水泥的最大拉应力 稳定碎石路线（MPa） |
0.1182 |
0.1461 |
0.1764 |
0.2044 |
0.2463 |
|
面层最大剪切应力（MPa） |
0.2175 |
0.2791 |
0.3407 |
0.4026 |
0.4622 |
表3结构1（水泥稳定碎石模量为3600MPa）的计算结果
|
加载 |
0.7兆 帕 |
0.9兆 帕 |
1.1兆 帕 |
1.3兆 帕 |
1.5兆 帕 |
|
挠度（0.01mm） |
20.15 |
27.16 |
33.96 |
40.89 |
48.06 |
|
表层最大拉应力（Mpa） |
0.0218 |
0.0333 |
0.0418 |
0.0524 |
0.0612 |
|
中间层最大拉应力(Mpa) |
0.0133 |
0.0192 |
0.0264 |
0.0319 |
0.0375 |
|
底层的最大拉应力 航向（MPa） |
0.0083 |
0.0120 |
0.0149 |
0.0169 |
0.0200 |
|
水泥的最大拉应力 稳定碎石路线（MPa） |
0.1418 |
0.1732 |
0.2123 |
0.2455 |
0.2968 |
|
面层最大剪切应力（MPa） |
0.2096 |
0.2641 |
0.3331 |
0.3951 |
0.4548 |
从表2和表3可以看出，随着路面结构1荷载的增加，路面挠度值，路面最大剪切应力和结构层最大拉伸应力均增大。碎石基数从1500MPa增加到3600MPa，在相同载荷下，路面挠度值，最大路线剪切应力和最大表层拉伸应力相应减小，随着载荷的增加，强度逐渐减小。水泥稳定碎石基层的最大拉应力随载荷和模量的增加而增加，当轮胎地面压力分别为0.7MPa， 0.9MPa，1.1MPa，1.3MPa，1.5MPa时，水泥底部的最大拉应力模量值为3600MPa时稳定的碎石基为1500MPa的1.2倍。受载荷变化影响的倍数较小，受其模量变化影响的倍数较大。分析结果表明，提高半刚性基模量可以有效降低沥青表层的最大拉应力，减小路面的垂直变形，提高沥青路面的整体强度，但水泥稳定碎石基层应具有足够的抗张强度，以避免破裂和变形。
如表4和表5所示，路面挠度值，表层的最大剪切应力和各层的最大拉伸应力随着载荷的增加而增加。当水泥稳定碎石基模量从1500 MPa增加到3500 MPa时，路面挠度值，表层最大剪切应力和表层最大拉伸应力均降低，对表层最大剪切应力的影响较小通过水泥稳定碎石基模量的变化，当水泥稳定碎石基模量为3500MPa时，其最大拉应力为1500MPa的0.99倍。水泥稳定碎石基模量变化引起的剪应力变化很小，随着荷载的增大，表层最大剪应力的增大幅度逐渐减小。当水泥稳定碎石基模量
3
较大时，荷载的增加对表层的最大抗拉强度和路面挠度值影响较大。路面结构的张应力和强度对载荷和重载的变化敏感，而表层的剪应力和半刚性基层的张应力则对应力敏感。
表4结构2（水泥稳定碎石模量为1500MPa）的计算结果
|
加载 |
0.7兆 帕 |
0.9兆 帕 |
1.1兆 帕 |
1.3兆 帕 |
1.5兆 帕 |
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挠度（0.01mm） |
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