路面结构力学响应的影响因素综述

路面结构力学响应的影响因素综述

张武超

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074

摘要：随着国内经济的快速发展，我国公路网络建设的进程也加快了速度。为更好地设计沥青路面结构，探究其力学响应的影响因素是非常关键的一个环节。本文从沥青道路的层间接触状态、荷载条件以及温度等方面分析了不同因素对其力学响应的影响，以便今后在沥青路面的结构设计中改善路面结构的性能、减轻沥青路面的危害、提升沥青路面的寿命，为后续研究沥青路面结构力学响应提供参考依据。

关键词：沥青路面结构；力学响应；层间接触状态；荷载；温度

在经济迅速发展与国家对基础建设方面大力投资的环境下，我国公路网络建设在过去的二三十年里得到迅猛发展。但沥青路面作为公路网络设施最主要的路面结构，由于路面结构设计理论的不完善以及道路交通量的日益增多，使得较多的公路在建成通车不久后，就会导致沥青路面发生早期损坏，与设计使用年限相差较大，让公路的使用寿命缩短[1]。对于影响路面结构的力学响应因素有较多种类，如沥青路面结构的自身组合、沥青路面的材料特性、环境的温度与湿度、荷载的分布与作用大小以及层间接触状态等[2]。目前，已有较多学者针对沥青路面结构的力学响应从单一因素进行了研究分析，但未整体分析影响沥青路面结构的力学响应因素。因此，为了更加准确地研究分析沥青路面结构的力学响应，本文从沥青路面的层间接触状态、荷载条件以及温度等方面分析不同因素对沥青路面结构的力学响应的影响，以便在沥青路面的结构设计中改善沥青路面的性能、减轻沥青路面的病害、提升沥青路面的寿命，为后续研究沥青路面结构的力学响应分析提供参考依据。

1 层间接触状态

沥青路面的结构是一种由多层基层和面层等采用分层施工的方法所叠加组成的结构，基层与基层之间、面层与面层之间以及基层与面层之间的层间接触状态是否良好，这对沥青路面结构的力学性能有着较大的影响作用。层与层之间良好的黏结状态可以确保沥青路面的路用性能，但是层与层之间的黏结较差便容易造成沥青路面的开裂、车辙层间推移及疲劳寿命衰减等病害[3]。

目前，我国对于沥青路面的设计采用的理论方法大多数都是层状弹性连续体系，但在实际过程中，沥青路面常采取分层、分时施工，两结构层之间通过相互接触来传递应力，进而导致层与层之间的层间接触状态是处于完全连续与完全滑动之间的一种状态，而非是完全连续或完全滑动的状态。为更好地研究沥青路面结构的层间病害处治措施，安兴华等利用差分的方法建立了沥青路面在不同层间接触状态下的结构模型，并结合计算模型分析了层间接触状态的变化情况对路面结构的力学响应的影响[4]。为定量分析沥青路面结构在不同层间接触状态下的力学响应，薛亮等定义一个滑移系数对不同层间接触状态进行了结构模拟，分析了沥青路面在3种不同层间接触状态下的力学响应变化情况[5]。

2 荷载条件

荷载的形式通常涵括车轮荷载的分布形式和车辆荷载的状态形式。对于车轮荷载的分布形式，在以往的力学模型中，通常以圆形、矩形或椭圆等形式来假定车轮荷载，进而分析均布荷载对沥青路面结构的力学响应。谢水友利用Analysis软件分析了沥青路面结构在不同车轮荷载作用下的力学响应。虽然均匀分布的荷载在一定范围内能够反映汽车轮胎与道路路面之间的荷载传递规律，但在实际路面结构还存在非均布荷载的作用，因此导致路面结构的真实受力情况与假定相比还存有差异。对于车辆荷载的状态形式，常被简化成静止、匀速或振动3种形式。陈俊等运用计算软件建立起沥青路面的结构模型，分别从静止、移动和振动3种车辆荷载状态研究了沥青路面结构的力学响应。

荷载大小的不同对于沥青路面结构的力学响应各有差异，相较于自身载重不是太大的车辆来说，其超载情况下对于路面本身的载重能力还是可以承受的；但就重载车辆而言，其自身重量与超载情况都会对路面的承载能力有所损害。为了更加全面地了解沥青路面结构的受力形态，刘伟竹等应用有限元计算软件改建的沥青道路在超、重载情况下的力学响应进行了研究分析，并建议增加基层的顶面压应变和面层的层底拉应变的措施来改善沥青路面结构的设计指标。

目前虽有学者在荷载形式方面的因素展开了对路面结构力学响应的研究，但在实际路面结构设计时仍采用均布、静止荷载，这就导致分析计算的力学性能与公路实际施行的力学性能有明显差异；并且作用在沥青路面上的荷载越大，路面结构的力学响应参数影响变化越大，进而导致沥青路面因力学性能的变差使得路面出现车辙、开裂等永久性损害。

3 温度

沥青混合料是一种对温度较为敏感的路面材料，当沥青路面长期曝晒时会使沥青路面的强度与刚度降低，进而导致沥青路面在横向产生剪切流动以及路面结构的抗剪性能降低。温度改变不仅会使沥青路面结构的力学性能发生变化，还会使沥青混合料的性能发生改变。特别是在高温条件下，沥青路面在荷载的反复作用下导致路面的性能变差，进而出现车辙等病害，使沥青路面的设计使用年限缩短。

目前，在设计沥青路面的结构时多数是假定温度为恒温来分析其力学响应，但是在实际路况中，温度会时刻发生变化，特别是在高温状态的改变下，会严重影响沥青路面的性能。季节等在3种高温条件下对DCLR改性沥青混合料的抗变形能力进行了研究，结果表明，混合料的变形能力与温度呈正相关性。张乃计等在6种不同温度条件下对沥青路面的层间黏结性能进行了研究，表明低温对黏结性能的影响不大，但高温会使面层的最大拉应力及最大剪应力出现显著变化。

4 结论

对于影响沥青路面结构力学响应的因素，本文主要从层间接触状态、荷载条件与温度等方面进行了系统的阐述与分析，总结出如下结论：

（1）沥青路面的层间接触状态并不是完全连续的体系，这与目前的设计理论有较大差异；层间接触状态差，会使沥青路面结构的力学性能变差，进而导致沥青路面产生车辙、推移及拥包等病害。

（2）沥青路面设计时，多采用双圆均布垂直荷载的假定理论，但在实际路况中，荷载的形式有多种；选择合适的荷载条件来设计沥青路面结构，可以从源头减轻沥青路面的病害。

（3）温度会影响沥青混合料的性能及沥青路面结构的力学响应；沥青路面结构设计时，结合实际情况从结构竖向考虑温度的变化，能有效改善温度变化对沥青路面结构力学响应的不利影响。

参考文献

[1]徐正邦.湖南省高速公路沥青路面全寿命周期设计方法研究[D].长沙:长沙理工大学,2013.

[2]程珍.实测轮载、层间接触特性及粘弹性条件下沥青路面结构的力学响应分析[D].武汉:武汉工程大学,2018.

[3]苏凯,武建民,陈忠达,戴经梁,孙立军.山区公路沥青路面基面层滑移破坏研究[J].中国公路学报,2005(03):22-26.

[4]安兴华,刘庆涛,董琳琳.层间接触条件对半刚性路面结构影响的数值分析[J].公路与汽运,2009(04):66-68.

[5]薛亮,张维刚,梁鸿颉.考虑层间不同状态的沥青路面力学响应分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2006(04):575-578.