（机械工程专业论文）车辆超载对沥青路面使用性能的影响分析研究.pdf

哈尔滨i 程大学硕十学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展和公路等级的逐步提高，也带动了公路运输业 的发展，在公路上行驶的重型汽车越来越多，汽车超载现象也越来越严重， 这对于现有公路路面的使用寿命将会产生不利影响。尤其是车辆的超载，不 但不利于车辆自身的行驶安全，而且会对承受车辆荷载的路面产生意想不到 的破坏。致使公路路面过早出现严重车辙、拥包、坑槽、翻浆和龟裂等，大 大降低道路桥梁使用寿命。另外，近年来高等级公路大量修建的前期路面设 计工作中，由于轴载换算时车辆设计参数选用不合理，或与实际情况存在一 定差距，常使得路面使用寿命达不到设计要求。 本项目研究通过实际测定轴载谱，分析了汽车超载后沥青路面力学计算 的结果，以此为据，计算了超限超载对沥青路面结构使用性能的影响，对路 面使用寿命的影响，证明超限超载是当前沥青路面损坏的主要原因，应严格 依法控制。以此为前提，在保持现行路面设计方法基础上，提出考虑超载后 对现行设计方法的建议。 关键词：车辆超载；沥青路面：使用性能；影响 哈尔滨下程人学硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ef a c tt h a tt h en a t i o n a le c o n o m yf l e e t n e s sd e v e l o p st h es t e p b y s t e p r i s ew i t hh i g h w a yg r a d e ，h a sa b od r i v ed e v e l o p m e n to fh i g h w a yc a r r y i n gt r a d e ， t h eh e a v yt y p ea u t o m o b i l er u n n i n go nt h eh i g h w a yi sm o r ea n dm o r em a n y ，t h e a u t o m o b i l eo v e r l o a d st h a tt h ep h e n o m e n o ni sa l s om o r ea n dm o r eg r a v e ，t h i sw i l l t ot h el i f et i m en o wh a v i n gt h eh i g h w a yr o a ds u r f a c em a yp r o d u c ea l la d v e r s e e f f e c t e s p e c i a l l yt h ev e h i c l eo v e r l o a d , i sh a r m f u lf o rv e h i c l es e w st h es a f e t y , m o r e o v e rr o a ds u r f a c et h a tc a nb e a rv e h i c l el o a df a c et of a c er u n n i n gt op r o d u c e u n e x p e c t e dd e s t r o y i n gn o to n l y c a u s et h eh i g h w a yr o a d s u r f a c et oa p p e a r u n t i m e l yt ol a t h eat r a c kg r a v e l y ，p o s s e s st h eb a g ，p i ts l o t ，t u r n i n gt h i c kf l u i d o v e ra n db e i n gf u l lo fc r a c k sa n ds oo n ，r e d u c er o a db r i d g el i f et i m eg r e a t l y t h e e a r l i e rs t a g er o a ds u r f a c et h a tt h eb e s i d e s ，i nr e c e n ty e a r sa d v a n c e dl e v e lh i g h w a y b u i l d si nl a r g ea m o u n td e s i g n sj o bm i d d l e t h ep m j e c th a ss t u d i e dt h ea x i si sl o a d e dw i t haf a i ra m o u n to fc o n f i d e n c eb y a c t u a la d m e a s u r e m e u t h a sa n a l y s e dt h er e s u l tt h a tb i t u m i n o u sp a v e m e n t m e c h a n i c sc a l c u l a t e sa f t e rt h ea u t o m o b i l eo v e r l o a d s ，h a st a k e nt h i sa se v i d e n c e ， h a v ec a l c u l a t e da ni m p a c to ft r a n s f i n i t eo v e r - l o a do v e rb i t u m i n o u sp a v e m e n t s t r u c t u r eu s a g ef u n c t i o n ，c o r r e c tr o a ds u r f a c el i f et i m ee f f e c t ，t e s t i f y i n gt r a n s f i n i t e o v e r - l o a di st h a tt h em a i nc a u s et h a tt h ec u r r e n tb i t u m i n o u sp a v e m e n td a m a g e s ， s h o u l dc o n t r o la c c o r d i n gt ol a ws t r i c t l y t a k et h i sa sp r e m i s e ，o nk e e p i n gt h er o a d s u r f a c ed e s i g np r o c e d u r e sc u r r e n t l yi ne f f e c tb a s i s ，r e v i s i n gs u g g e s t i n gt h a tt o d e s i g np r o c e d u r e sc u r r e n t l yi ne f f e c ta f t e rc o n s i d e r i n go v e r - l o a d e ds u g g e s t s k e y w o r d s ：t h e v e h i c l e o v e r l o a d ； b i t u m i n o u sh i g h w a y ；p e r f o r m a n c e ； i n f l u e n c e 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) 翟出 e t期：如) 年；月t - e t 哈尔滨。t = 程人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 我国改革开放2 0 多年来，随着市场经济体制的不断建立和完善，各行 各业迅猛发展，给交通运输业提供了前所未有的发展机遇。我国公路建设 取得了飞速的发展，截至2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里， 路网结构迸一步完善。全国公路总里程中，国道1 3 2 6 7 4 公里、省道2 3 3 7 8 3 公里、县道4 9 4 2 7 6 公里、乡道9 8 1 4 3 0 公里、专用公路8 8 3 8 0 公里，分别 占公路总里程的6 9 、1 2 1 、2 5 6 、5 0 8 和4 6 。 随着运输市场开放，国民经济和交通运输事业的发展，运输车辆大中 型货运车辆的比重不断增加，特别是主要经济干线超限超载车辆越来越突 出。 近年来，虽然我国道路交通迅速发展，但路与车、人的供需矛盾依然 突出。我国公路上汽车超载情况相当普遍，各地都作过专项调查，提出了 大量的报告。多数得出超载率达4 0 7 0 ，甚至8 0 ，个别车辆超载一倍， 甚至两倍、三倍，情况十分严重。因此，以1 5 年使用期设计的沥青路面， 3 - 5 年就要大修，浪费了大量的资金。有人称汽车超载现象已成为公路损 坏的主要杀手。 国内一些主要高速公路及国( 省) 道主干线调查的资料显示，超车道 的破坏要比行车道严重；车流量大的方向比车流量小的方向损坏严重：流 量多、行车速度快的路段要比车速慢的路段损坏严重。这些都说明了行车 荷载对路面的破坏作用，其中超载车辆对路面的早期破坏作用又是非常突 出的。 根掘路政部门的调查资料，一辆额定载重2 t 的车辆可超载到l o t ，一 辆额定载重为5 t 的车辆可超载到3 0 t ，而一辆额定载重为3 0 t 的车辆超载到 i o o t 以上，超载达到了额定载蕈的3 6 倍，可见我国车辆超载之严重，如 哈尔滨工挥人学硕十学位论文 ti f r i i i i i i j ；i ；j 目i i i i j i ；i i i i i i j i ；i i ；i ；j i i i i ；i t 自i i i i | ；目i i i ；i i ；i j 常 图1 1 。 严重的超载造成了沥青路面结构未达使用年限，甚至在通车后很短的 时间内，就出现了严重的车辙、疲劳开裂、坑槽等病害。这些病害的出现 严重影响了道路的服务能力，增加了养护工作量和困难程度，并造成了巨 大的经济损失。 超载是造成路面损坏的重要原因，我国高速公路的早期损坏与超载的大 量存在具有直接的关系。公路超载以及由此造成的路面早期损坏，一直是 困扰公路管理部门和工程技术人员的棘手问题。为此，国家多部委联合开 展了治超行动，并取得了显著的阶段性成果。但是要彻底杜绝超载，或者 图1 1 超载车辆 在最大限度上减少超载，还需要对超载和路面早期损坏有一个准确、系统 和全面的认识，只有这样，才能从技术上、从管理上、从法规上提出并实 施有效的对策、措施。 超载也是一个世界普遍存在的问题，国外一些研究机构也曾对此进行 过一些有益的研究，如美国的a a s h t o 通过环路试验研究了超载对路面结 构的破坏作用，认为车辆对路面的破坏性与轴载的次方成正比，即对路 面的破坏具有很大的影响。 因此，就超限超载对沥青路面结构的影响进行深入研究是非常必要的。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 1 2 超限问题的研究 所谓超限运输，是指超过公路、公路桥梁、公路隧道或汽车渡船的限 载( 包括超轴载质量限值或总质量限值) 、限高、限宽、限长标准的车辆在 公路上行驶的行为。 在公路上行驶的汽车，其轴载质量对于公路路面是一种重复性的疲劳 作用，当轴载质量增大后，路面在有效使用期内能够承受弹性变形的次数 ( 汽车行驶次数) 大为减少。因此，汽车轴载质量的大小，直接影响路面 使用期的长短。 1 国外的研究 世界各国对汽车轴载质量与路面强度及使用寿命的关系，做了许多研 究和试验，力求确定它们之间的定量关系。1 9 5 8 年美国各州公路工作者协 会( 简称a a s h t o ) 在研究了不同汽车轴载质量对各种结构及材料修筑的 路面的破坏情况后，提出了反映汽车轴载质量与公路路面之间破坏关系的 “四次方法则”，即汽车对路面的破坏作用与汽车质量的n 次方成正比【”， 用公式表示为： e f - - ( 詈o ) 4 ( 1 - 1 ) 式中：p 任一轴载质量，t ；p o 一标准轴载质量，t ；e f - 破坏系 数。 据调查，德国、日本车辆超限现象都较严重，德国超限车辆占5 0 。 日本超限车辆占2 0 ，其中夜间比例较大。为了避免或减轻大型、重型货 物运输对桥梁和其它公路设施造成损害，世界上许多国家一方面按照经济 合理、技术可行的原则，分别制定了汽车的总质量、轴载和汽车外形的限 制标准；另一方面也在进行重载对路面影响的研究。各国根据本国的公路 运输实际情况制定了相应的标准。在英国规定单位单轴载重量不超过1 0 吨、 双联轴为1 6 吨、汽车总重量为3 8 吨。在同本规定单轴载重量不超过1 0 吨。 在欧洲其它国家也规定单位轴载重量不超过l o 吨、双联轴为1 6 吨、汽车 哈尔滨下程大学硕十学位论文 总重量自行决定。亚洲太平洋经社委员会1 9 8 3 年提出车辆单轴载重量不应 超过1 1 吨、双联轴为1 8 吨、汽车总重量为4 3 吨闭。 国外针对重载路面影响的研究主要分为结构设计和材料设计两个部 分。结构设计的研究集中于轴载换算问题。美国a a s h t o 的轴载换算公式 p 】是当今世界大多数路面结构设计方法的基石，但a a s h t o 试验采用的荷 载条件以及路面结构与现有条件路面结构有一定的差别。为此，人们对现 有条件下等轴载换算进行了有益的探索和研究。 s i n a i l 、w i n s t o n 和e v a n s 在对a a s h l 0 试验数据的重新分析后认为实 际的轴载换算指数更接近于3 次方。运输研究所( t r i ) 1 9 8 9 年研究表明， 路面结构类型、厚度和分析中使用的损伤类型，都会导致数据离散性的增 加，轴载换算指数在大多数情况下低于4 次方。m o l e n a r 等人发现，轮胎压 力1 0 m p a 的双轮轴产生车辙的1 0 倍f 4 】。北欧国家在试验室对粘性土路基作 过试验，并发现，就永久变形而言，汽车对路面破坏的轴荷指数达1 0 2 0 次方：澳大利亚认为的试验结果为：沥青混合料、土基、半刚性基层沥青 路面结构采用轴载比公式时n 的取值，奥地利认为取7 ，法国认为取1 0 ， 澳大利亚认为取1 2 。结论：轴载换算指数的取值指数的取值应根据路面结 构层的不同组合和材料性质决定【4 】。 材料设计研究有代表性的单位有美国沥青技术研究中心( n c a t ) 。8 0 年代末，n c a = r 通过现场调查和室内分析，针对车辙这一主要病害，推荐了 大粒径碎石含量高、碎石规格破碎面多、细集料为机制砂、稍低饱和度的 沥青混合料。同时还开发了一套设计方法和试验设备【5 1 。 美国a a s h t o 、德国、南非和加拿大等道路研究机构都对车辆超限的 损坏做过研究，认为除了轴荷载还应考虑轮压对路面的损耗作用，但他们 的研究大都基于经验法基础，很少以理论法为基础进行研究。 w e i h s i n gh u a n g 等人【6 i 指出随重载车辆轴重的增加，路面结构内会 产生很大的疲劳应力，并使得当量轴载换算系数增大，此时路面的破坏主 要是疲劳破坏；若轴重继续增加，则路面破坏主要表现为车辙，在这种情 4 哈尔滨下稃大学硕十学位论文 况下，疲劳应力增加对路面的破坏作用效果可以忽略不计。 2 国内的研究 鉴于车辆超限现象在我国越来越普遍，各地针对重载开展了一些研究， 并提出了应对措施。关于标准轴载和轴载换算的研究，我国1 9 7 8 年以前的 沥青路面设计方法沿用当时苏联道路科学研究院制定的1 9 5 4 年版的柔性 路面设计须知的方法，以相对变形值九为设计指标，以设计轴载6 0 k n ， 轮胎压力0 ，5 m p a 为标准轴载。“六五”期间，交通部曾立题就路面设计合 理轴载问题进行了研究，并建议路面结构设计采用标准轴载为6 0 k n 和 1 0 0 k n 。高速公路、一级和二级公路应采用b z z 一1 0 0 重型标准，三级和四 级公路可采用b z z - - - 6 0 轻型标准。1 9 8 6 年颁布的我国柔性路面设计规范中， 确定了以标准轴载作用于双轮轮隙中心的容许弯沉值f ，为设计指标，建立了 以弯沉等效为基础的车辆轴载换算方法，换算指数取4 次方。“八五”期间， 结合规范的修订，交通部公路规划设计院和同济大学对轴载换算方法进行 了研究。后考虑到重车增多，特别是货车超限现象越来越严重，以及半刚 性基层承载力提高等因素，1 9 9 7 年颁布的沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 - 呻7 ) 统一采用1 0 0 k n 为标准轴载【5 1 1 6 i m 。 1 9 9 1 年，交通部公路科学研究所和河北省交通厅合作，通过加速加载 试验，初步探讨了二、三级公路稳定细粒料半刚性基层沥青路面结构的轴 载换算关系，对比了不同轴载路面的作用效果。分别以弯沉，裂缝率和路 表车辙为控制指标，得出轴载换算指数与换算轴载选用的等级、路面结构 的剩余强度等有关，其范围在5 1 5 之间1 8 1 。1 9 9 1 年，同济大学的陈忠明等 【9 l 与北京公路处基于目测法观测北京效区公路上的车辆轴载和车辆组成，按 照路面基层类型的不同，用不同的轴载换算公式，分别整理出运营超重车 辆的平均轴载换算系数。进步的研究表明，半刚性基层与碎砾石基层路 面的轴载换算系数具有明显的不同。1 9 9 2 年同济大学的孙立军等【”i 继续与 北京市公路局合作研究了基于路面基本性能的柔性路面轴载换算式。文献 按疲劳等效原理并考虑超载效应，推出了以基层底面拉应力为指标的适应 哈尔滨1 ：程人学硕十学位论文 重交通条件和半刚性基层沥青路面特点的车辆轴载等效系数换算公式。河 北工业大学李巧茹等人利用理论弯沉等效和实际弯沉等效双重约束条件推 导出了计算轴载等效换算系数公式，探讨了超限条件下的轴载换算方法。 在此基础上超限对路面的使用寿命影响进行分析，通过实测重车作用下的 路面弯沉，建立了重轴载和弯沉的经验公式【1 2 1 。同济大学的彭波【1 3 l 根据重 载作用特点，通过应力分析，建立了以基层底拉应力为指标的轴载换算关 系。同时从经济角度出发，探讨了重载车辆对路面厚度的影响和补偿费用。 王选仓等人f 1 4 1 通过现场调查和轴重测试车辆实际超载波情况，采用线性和 非线性分析方法对重载下沥青路面弯沉、弯拉关系进行分析，得出此种情 况下弯沉、弯拉等效的轴载换算公式。他还通过车辙等效轴载换算得出： 随着轴重的增加，沥青混合料动稳定度风下降，这样在高应力下，沥青混 合料抵抗剪切、变形、侧向流动能力降低，塑性变形加快，于是在重车较 多的道路上，路面车辙出现较快。董占文等人【1 5 1 指出超载运输使货车重心 大大前移，前轴轴重对路面的作用加大；后轴轴重超出沥青混凝土路面 设计规范( j t j 0 1 4 呻7 ) 轴载换算公式的适用范围。他还重点就轴载换算 关系进行分析与讨论，得出随轴载逐级增加，轴载换算系数迅速增大等结 论。 交通部公路科研所的黄文元【1 6 1 就重载车辆对路面的荷载状况，针对一 般和两种特殊情况，经理论计算获得重载车弯沉与轴重关系，并推得超重 轴载下的沥青路面理论轴载换算公式中a , b c 的具体推荐值为： a = 2 2 6 ，b = 1 1 3 ，c = o 2 6 。这些值都比现行沥青路面设计规范所取值有所提高。 文献【1 7 1 采用弹性层状体系理论和疲劳损伤等效的方法计算了双轴车辆换算 时的双轴系数，发现双轴系数与轴距、材料性能、结构层厚度关系密切， 而对双轴重的变化不敏感。由此得出了适用于一般载重车和超限车作用下 半刚性基层沥青路面典型结构进行基层拉应力验算的建议式。倪富健和邓 学钧( 1 9 9 7 ) t 1 。】综合了国内外有关轴重换算的研究资料，分别以路表弯沉 等效、基层底部拉应力等效、土基顶面压应变等效及车辙等效为原则，对 哈尔滨- 1 ：程人学硕十学位论文 轴载换算公式中的轴荷指数进行了计算比较，在此基础上提出了合理的轴 荷指数。并借助于已建立的轴重分布模型，分析了不同的轴荷指数对路面 使用年限的影响。 由交通部公路科研所、东南大学和长沙交通学院完成的沥青路面轴 载换算标准研究报告项目中，应用非线性有限元方法，提出了以弯沉和 基层底弯拉应力为指标大于1 3 吨轴载的换算指数。1 9 9 9 2 0 0 0 年，受交通 部委托，部科研所开展了超重载沥青路面设计的研究，对重载交通沥青路 面结构设计和材料组成设计进行了较为全面深入的研究，内容涉及交通调 查、轴载换算、标准轴载、路面应力分析和材料等方面 5 1 。为重载交通沥青 路面设计规范标准的制定打下了基础。 国内还有许多学者从力学角度来分析了重载交通对沥青路面结构使用 性能的影响。童言白等【1 9 1 针对当前超载运输造成路面早期破坏的现象，通 过对路面设计弯沉值、层底拉应力及其他方面( 如：一次性作用、车辙作 用、剪切推移作用等) 的分析，得出车辆的超载对折算后标准轴的轴次影 响很大，并通过当量轴次的换算，得出超载车辆就其疲劳作用来讲，已远 远超出正常的设计及规范允许的超载规定。并进一步指出现行公路沥青 路面设计规范的轴载换算公式不再适用于超载率较大的车辆。刘朝晖等 人f 驯对汽车超限对路面使用寿命的影响也进行了分析，其轴载换算仍采用 现行规范公式。同时以路弯沉相等和底基层部拉应力相等，反算重载条件 下基层和底基层的厚度。魏连雨等人【2 l j l 9 9 8 年通过对津围公路8 6 k m 路段 进行调查分析，发现重载条件下，路面材料的非线性影响程度较常规荷载 明显增大，认为应进行非线性分析。高英等人分别从路表弯沉、整体性 材料层底层拉应力及疲劳寿命、车辙预估等方面分析了不同比例、不同程 度的超重交通荷载对路面结构的破坏性作用。林伍海俐通过对厦漳高速公 路厦门段的路况调查和芯样试验，指出过量超载是造成该公路沥青路面病 害的主要原因，并对路面各层弯拉应力和剪应力进行了验算。同济大学生 的孙立军等人l 圳应用自己所丌发的沥青路面非线性三维有限元程序n a a p s 哈尔滨丁霹人学硕十学位论文 分析了超重车辆实际分布荷载作用下的路面结构应力。分析结果表明，复 杂接触压力作用下的剪切疲劳是造成路面过早破坏的潜在因素之一，同时 指出，有必要重新研究不车辆之间的等效换算关系。 中华人民共和国交通部令( 2 0 0 0 ) 年第2 号超限运输车辆行驶公路 管理规定( 以下简称规定) 第三条明确规定；本规定所称超限运输车 辆是指在公路上行驶的、有下列情形之一的运输车辆： 一、车货总高度从地面算起4 米以上( 集装箱车货总高度从地面算起4 2 米以上) ； 二、车货总长1 8 米以上； 三、车货总宽度2 5 米以上； 四、单车、半挂列车、全挂列车车货总质量4 0 0 0 0 千克以上；集装箱 半挂列车车货总质量4 6 0 0 0 千克以上； 五、车辆轴载质量在下列规定值以上： 单轴( 每侧单轮胎) 载质量6 0 0 0 千克； 单轴( 每侧双轮胎) 载质量1 0 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧单轮胎) 载质量1 0 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧一单轮胎、双轮胎) 载质量1 4 0 0 0 千克； 双联轴( 每侧双轮胎) 载质量1 8 0 0 0 千克； 三联轴( 每侧单轮胎) 载质量1 2 0 0 0 千克； 三联轴( 每例双轮胎) 载质量2 2 0 0 0 千克； 除此以外，规定中还有两个条款对超限运输车辆作了限制性规定： 第五条：在公路上行驶的车辆的轴载质量应当符合公路工程技术标准 的要求。但对有限定荷载要求的公路和桥梁，超限运输车辆不得行驶。第 十八条：四绂公路、等外公路和技术状况低于三类的桥梁，不得进行超限 运输。 哈尔滨【。稃人学硕十学位论文 1 3 路面力学问题的研究 1 3 1 路面结构力学分析 路面力学计算是路面设计的理论基础，它综合应用弹性力学、材料力 学和粘弹性力学等知识解算路面多层体系内的应力、应变和位移并验算 路面的结构强度。由于路面体系在构造上比较复杂，再加上材料的非弹性 性质，在解算它的内力时会遇到许多数学和力学上的困难。往往理论和实 践有差距，必须通过实验来手段对理论结果加以修正。随着电子计算机的 应用以及现代数学和力学的发展，建立比较完善的力学模型，从而也可得 到更接近于实际的理论解答。因此，现代路面设计理论愈来愈从半经验半 理论性过渡到更具有理论性，但最终仍然免不了作必要的实验修正瞄】脚i 1 早期的路面结构力学分析方法【2 5 1 1 2 7 1 ： 早在1 9 世纪末，可以适用于路面设计的某些力学理论已经等到发展， 其中较为突出的有1 8 8 4 年赫兹( h h e r t z ) 提出的液体支承板，1 8 8 5 年布辛 尼斯克( j b o u s s i n e s q ) 提出的半空间弹性课题，它们在本世纪5 0 年代的路 面设计中都得到了广泛的应用。 古典应力分析以简单的静力平衡原理为基础。它假定汽车轮载是集中 荷载或圆形均布荷载，以某一分布角度通过路面传递到路基，强荷载的单 位压力满足路基顶面的容许承载力的要求，即达到静态平衡，也依此进行 路面设计。1 9 0 1 年，美国麻省道路委员会第八次年会上发表了世界上第一 个路面设计公式。它假定汽车是一个集中荷载p ，荷载以4 5 。角通过碎石 基层分布于边长为碎石层厚2 倍的正方形面积的土基上。1 9 3 3 年，d o w n s 对麻省公式进行修正，认为荷载在路面层内的传布与垂直方向成某一分布 角? 的圆锥上，所以传到路面的项面时，压力分布于一个圆形的面积上而不 是正方形，但他仍假定汽车荷载为集中荷载。1 9 3 4 年，g r a y 认为由于汽车 荷载轮胎接触路面为一个面积，所以不应当假定汽车荷载为集中荷载，而 应当假定汽车荷载为圆形均饰荷载。 这些古典应力公式是假定路面只起分布荷载的作用，采用简单的分布角 9 哈尔滨一：程大学硕十学位论文 的概念，这种朴素思想的路面力学理论存在以下问题：从各公式得知， 路面厚度主要取决于土基承载力的大小，也就是土基强度的问题，但是在 当时没有提出土基参数的测定问题；古典应力公式以轮载作为交通荷载， 未能反映交通量的因素，这在当时轻交通时代可能矛盾不突出，但随着交 通的发展，不考虑交通量是无法使用的。解决的办法就是在土基承载力取 值上应根据交通量的大小采取不同的安全系数。 在2 0 世纪初期出现水泥混凝士路面后，就遇到了如何估算路面板厚度 的问题。最初并没有采用赫兹理论，而是由欧尔德( c o l d e r ) 1 2 8 l 和歌德贝 克( a t g o i d b e e k ) 在1 9 2 0 年根据水泥混凝土路面板角隅断裂的观察结果， 欧尔德再根据材料力学原理，假定地基脱空，板是悬臂变截面梁，于是便 提出了早期的荷载应力计算公式一欧尔德公式。即： 盯。3 p( 1 2 ) 盯。万 1 z 式中：卜车轮荷载；盯一混凝土路面板顶产生的拉应力；h 一路面板厚度。 威斯特卡德【2 9 】( h m s w e s t e r g a a r d ) 于1 9 2 5 年最先运用温克勒 ( e w i n k l e r ) 地基上无限大板或无限大弹性地基薄板模型，推导了由于荷 载作用引起的混凝土板荷载应力公式。由板的挠曲面微分方程及温克勒地 基假定可得应力分析的理论公式。即： q o ，y ) = k w ( x ，y ) ( 1 - 3 ) 式中：k 一地基反映模量。 之后威氏公式经过多次修j 下和理论上的不断完善，直到现在仍然广泛 应用于许多国家的刚性路面设计的实践中。 在1 8 8 2 年1 8 8 8 年，塞路蒂( c e r r u t i ) 提出了在单个集中水平力作用 下的均质弹性半空俺j 体内应力和位移计算的理论解。1 9 1 6 年只本学者寺泽 一( k t e r a s a w a ) 对在轴对称荷载作用下的半空间体，采用贝塞尔( b e s s e l ) 函数法求出了应力和位移计算的完整表达式。1 9 2 9 年洛夫( a e h l o v e ) 采用势能原理得出了半空问体在均布圆形面积荷载作用下任意点应力计算 的近似解。这些研究结果在后来的路面设计研究中得到了进一步的发展， l o 哈尔滨i ：程大学硕十学位论文 并曾得到了广泛的应用。 2 沥青路面层状体系理论分析方法： 路面是由各种不同材料，按一定厚度和宽度分层铺筑在路基顶面上的 结构物。沥青路面是由具有粘性、弹塑性的沥青结合料和颗粒矿料组成的 路面，往往修筑成多层体系。它的力学特点是各结构层具有一定的塑性， 弯沉变形较大，抗弯拉强度较小，主要依靠抗压、抗剪强度来抵抗车辆荷 载的作用，它的破坏主要取决于荷载作用下的垂直位移和水平拉应变( 力) ， 土基的刚度和稳定性对路面结构整体强度和刚度有较大的影响 3 0 l 。 ( 1 ) 国外的研究 弹性层状体系对于多层弹性体系，为了获得其应力应变的理论解， 一般要作如下一些假定：( 1 ) 每一层材料特性是均质的，即加点的特性与 b i 点一样；( 2 ) 除更下的层外，每层都有一定厚度，其在水平方向上是无 限的；( 3 ) 每层都是各向同性的，即在特定的点( 例如加点) 的特性在每 个方向和方位上都是相同的；( 4 ) 在上层表面作用的荷载可以是轴对称荷 载，也可以是非轴对称荷载，荷载的分布形式能够用解析表达式来描述；( 5 ) 在荷载作用下，水平方向无限远处和竖直方向无限深处的应力和位移都等 于零；( 6 ) 层间的接触条件可以是完全连续，也可以是完全光滑，层自j 的 接触面上不传递剪力p 1 1 1 3 ”。 单层体系在分析理想物质的应力、应交和弯沉中，最早由布辛尼 斯克( j b o u s s i n e s q ) 创立了均质各向同性及弹性介质表面点荷载的布辛尼 斯克公式。纽马克( n e w a r k ) 研制出弹性土体荷载应力的影响图，在基础 工程中得到广泛的应用。巴贝( b a r b e r ) 用表的形式提供了为应力及变形计 算方便的质料。山本( s a n b o m ) 和约德( y o d e r ) 提出了在布辛尼斯克固体 中，应力和弯沉的图解法。之后，水道实验站和工程师兵团在柔性路面有 关应力和弯沉的研究方面，推导出半无限弹性体的影响值。 多层体系沥青路面通常是多层体系。因此在研究沥青路面设计方 法时，较为理想的力学模型应当是层状体系理论。它较弹性半空问理论更 哈尔滨一r 程人学硕十学位论文 能反映沥青路面的实际工作状况。现代理论分析设计法是以波米斯特 ( d m b u r m i s t e r ) 1 9 4 3 年发表的双层体系理论解析解为起始的【“。由于生 产的需要和科学技术的发展，特别是数学和计算技术的发展，推动了理论 分析的逐步完善。在波米斯特1 9 4 3 年的论著发表之后他于1 9 4 5 年又提出 了三层弹性体系理论 3 4 1 。1 9 4 8 年福克斯( l f o x ) 和汉克( h a n k ) 给出了数 值解，1 9 5 1 年阿堪姆( a e a a c u m ) 和福克斯等人，1 9 6 2 年琼斯( a 。j o n e s ) 皮蒂( k r p e a t t i e ) 发表了三层体系实用图表嗍，1 9 6 7 年v e r s t r a e t e n 研究了 多层弹性体系数值解的一般方法，并详细研究了四层体系的应力和位移的 响应。他考虑圆形均布荷载集度的形式为垂向均布、切向均布和均布向内 等几种情况i ”。这些理论研究成果为理论解析设计法奠定了坚实的基础。 弹性非线性分析对于路面材料的非线性特性，国内外均非常重视。 第二届沥青路面结构设计国际会议发表了多篇弹性层状理理论验证的文 章，在大量室内和现场应力应变的实测中，b r o w n 等( 1 9 6 7 ) 发现土基和 粒料层的模量很难确定，模量值随着应力水平的变化而变化，即它们之间 有相互依赖的关系。以后，t h r o w e r 等( 1 9 7 2 ) 对不同轮载大小，不同运行 速度和不同温度条件下真实路面的响应进行了实测，结果表明，在高温以 及路面的刚度大部分取决于无结合料层时，实测值与理论相差较大，其原 因是难以确定高温时沥青混合料的动态模量，粒料层材料明显的非线性应 力应变关系也难以用正确的本构方程进行描述【2 6 】。在s h e l l 设计法中土基 的模量是采用动力试验测定的动态模量。该法对松散材料、整体性材料的 模量值建立了与应力相关而不同的经验公式。此外，它将沥青混合料的模 量与沥青的劲度模量及材料组合之间建立了定量关系【2 ”。 以上这些方法，从本质上说都是把材料的非线性在一定的应力水平上 当作线性弹性处理，并通过实验加以修讵。这种处理方法在一定程度上反 应了材料的实际工作状态，但是其应用是有一定局限的。 一些学者探讨了应用线弹性理论分析非线性弹性问题的方法。e f i n n 等 ( 1 9 7 7 ) 改进了c h e v - 5 l 线弹性程序，使之可以考虑材料的非线性性质， 1 2 哈尔滨_ l ：程大学硕七学位论文 应用该程序计算得到的应力、应变和弯沉等力学响应作为输入，得到疲劳 开裂和永久变形的预估模型，形成了一个路面设计和使用性能预估的系统 的方法。在三轴试验的基础上，他们得出了粒料层应力依赖性方程 m ，一毛驴，以及土基的应力依赖性方程m ，一毛乃1 ，m 。黄仰贤【3 8 l 编制的 k e n l a y e r 程序也能应用迭代的方法考虑材料的非线性。对颗粒材料的非 线性弹性本构关系的研究逐渐引起人们的重视。例如，j e a n b a l a y 等( 1 9 9 7 ) p 9 利用循环三轴试验，研究了在不同围压下无粘结颗粒材料u g m ( u n b o u n d g r a n u l a r m a t e r i a l ) 和地基的本构关系，并验证和完善了b o y c e ( 1 9 7 6 、1 9 8 0 ) 提出的非线性的k - g 模型。 多层粘弹性体系l “1 1 2 7 1 ”1 1 4 0 沥青路面设计理论近二十年来迅速发展的主 要标志一是层状体系理论和计算方法的深入研究，并将其成果应用到路面 设计中去；二是对路面结构进行深入研究，进一步揭示了其物理力学性质， 为路面结构设计提供了强度标准和参数。 由于沥青混合料中所含沥青具有依赖于温度和加荷时问的粘一弹性性 状，沥青路面在荷载作用下的变形也具有随温度和荷载作用时间而变的特 性。因此，一些研究者将流变力学理论应用于路面力学性质的研究。 流变学理论将所研究的介质体看作由理想的弹性体、理想的粘性体各 理想的塑性体组成，也就是物体是由不同性质点组成的连续体，其中一部 分质点是弹性的，一部分是粘性的，一部分是塑性的。这种物体通常简称 为粘弹塑性体。仅由前两种质点组成的连续体，则为粘弹性体。常用的流 变模型有：m a x w e l l 模型、k e l v i n 模型、j e f f r e y s 模型、v a nd ep o e l 模型及 b u r g e r s 模型等。 7 0 年代又有许多研究者发表了该理论在柔性路面设计中的应用文章， 提出了路面设计体系，台f p s ，s a m o ，c p a c ，v e s t r a ，v e s y s 等。在 这些体系中，路面设计不仅包括路面结构和路面厚度，而且也包括路面使 用性能预测、维修养护计划、路面寿命预测、费用计划等各项因素。八十 年代又对这些体系作了改进，提出了v e s y s i v 、a g i p 等模型，使粘弹性 哈尔滨【。程大学硕七学位论文 体系理论的研究开始走向实际应用的轨道。k e m s 等( 1 9 9 7 ，1 9 8 2 ) 通过室 内和现场试验验证了v e s y s 结构分析系统的正确性。a g l p ( 1 9 8 2 ) 粘弹 性程序采用m a x w e l l 流变模型，可以计算三层体系，上层为粘弹性，中层 和下层为线弹性，利用h a n k e l 变换和b e s s e l 函数求解。 进入九十年代以后，许多学者继续完善和深化了对路面粘弹性体系的 研究。1 9 9 2 年和1 9 9 7 年h o p m a n e t a l 利用对应原理发展了一个多层线性粘 弹性体系的程序v e r o a d ，这个模型采用了b u r g e r s 流变模型，可以考虑圆 形的垂向和水平荷载。h u a n g ( 1 9 9 3 ) 发表的k e n l a y e r 程序可以计算单圆 或多圆垂向分布荷载，沥青混凝土层可考虑为线弹性或者线性粘弹性，粒 料层和土基的非线性通过细分各层，采用迭代法进行处理。s h i e l d se ta 1 ( 1 9 9 8 ) 在研究沥青混合料单向应力松弛试验时，发现在刚开始施加应变时，混合 科就表现出非线性粘弹性，初始应变越大，则非线性越明显。作者还研究 了直接应力松弛试验及非线性粘性对实际道路中应力的影响。 ( 2 ) 国内的研究 弹性层状体系1 9 6 2 年前后，为了建立柔性路面设计的理论基础，国 内对层状弹性体系理论积极开展研究工作。1 9 6 4 年，朱照宏教授利用轴对 称洛甫位移函数求得双层和三层弹性体系在单圆均布垂直荷载作用下的应 力与位移分量表达式；吴晋伟高级工程师根据轴对称苏斯威尔位移函数也 导出双层和三层弹性体系在单圃均布垂直荷载作用下的应力和位移分量解 析解。1 9 7 3 年左右，郭大智教授采用非轴对称洛甫位移函数得到双层和三 层弹性体系在单圆均稚单向水平荷载作用下的应力和位移分量理论解。这 些研究成果为我国进一步的研究打下了良好的基础。在采用位移函数法求 解应力和位移分量一般解时，郭大智教授和钟阳教授根据拉梅方程式，采 用积分变换方法，分别以位移分量和体积变形与位移分量的关系式作为基 本变量求解。 随着高等级路面层数的增加，以之相应的多层弹性体系理论分析方法 也得到了进一步的发展。主要有：吴晋伟高级工程师提出的“反力递推法”、 1 4 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 郭大智教授提出的“系数递推法”、王凯教授提出的“递推回代法”。这三 种解法均优于“矩阵解法”f 4 l j 。李朝阳【4 2 j 又于1 9 9 8 年采用分析综合法与分 离变量法建立了弹性三层体系应力位移显示模型，所求得的应力位移逼近 公式完全可推广应用于多层体系。孙璐 4 3 1 等( 1 9 9 8 ) 通过有限弹性层状体 系理论，并利用回归分析的方法，对柔性路面中层底面弯拉应力进行了计 算分析。 我国对弹性层状体系理论的研究成果在实践中的应用，集中体现在对 柔性路面设计方法的不断改进和完善。自建国以来，共提出过1 9 5 8 年、1 9 6 6 年、1 9 7 8 年、1 9 8 7 年、1 9 9 7 年五个版本，目前研究工作仍在继续深入开 展之中。我国柔性路面设计方法的总体系是以理论解析为基础的，1 9 5 8 年 的路面设计规范的设计方法是沿用苏联道路科学研究院制定的1 9 5 4 年版的 柔性路面设计须知的方法；1 9 6 6 年的设计方法仍以布辛尼斯克均质弹 性半空间体系位移解析解为基础，但纠正了苏联基本公式的错误，提出了 双层和多层体系连续积分法的基本公式和参数；1 9 6 6 年至1 9 7 8 年的设计方 法以双层体系、双圆荷载作用下的结构垂直位移解析解为基础；1 9 8 7 年颁 布的柔性路面设计规范是以三层体系，双圆荷载图式，水平、垂直荷载综 合效应下的应力、位移解析解为基础；现行的沥青路面设计规范( 1 9 9 7 版) 是以多层弹性理论、层白j 接触条件为完全连续体系为基础。采用哈尔滨建 筑大学的a p d s 9 7 程序进行沥青路面计算机辅助设计1 4 卅。 随着高等级路面的修建，非线性分析也越来越受到人们的重视。王选 仓等人( 1 9 9 7 ) 1 4 l 采用线性和非线性分析方法对重载下沥青路面弯沉、弯 拉应力进行了对比分析。重庆交通学院的何兆益等人( 1 9 9 7 ) 【4 5 】在考虑碎 石基层非线性特性的基础上，采用弹性多层体系迭代方法分析了具有硒 石 上基层的半刚性沥青路面路表弯沉、面层底面及半刚性基层底面弯拉应力， 建立了路面结构层厚度与路面抗疲劳寿命的关系。当然，更多学者采用有 限元法来进行非线性特性分析，这一点在下面的有限元的研究现状中作了 较为详细的阐述。 哈尔滨1 ，挥人学硕七学位论文 多层粘弹性体系在国内，从八十年代才开始把沥青路面看作多层粘 弹性体系来进行研究。严作人在1 9 8 7 年发表了可考虑四种粘弹性模型的粘 弹性半空间的力学分析1 4 6 l 的文章后，又于1 9 8 8 年发表了n 层粘弹性体系在 圆形均布垂向和水平荷载作用下的应力与位移的计算方法，可以考虑多种 粘弹性流变模型，以次为基础编制了e v 程序i 1 。许志鸿等( 1 9 9 2 ) 【明 以粘弹性层状体系理论为基础，采用l a p l a c e 变换中的初值定理和终值定理 求解的方法，结合室内试验及现场量测( a i j ) 得到了半刚性基层沥青路 面车者的简化预估公式。 。 国内还有一些学者专门从材料的角度研究了沥青混合料的粘弹性介质 模型。张肖宁等( 1 9 9 2 ) h 8 l 根据g r e e n r i v l i n 提出的f r e e c h e t 级数，提出了 一个兼具长时粘流效应及短时粘弹效应的一维非线性本构方程，并对一种 沥青混合料采用蠕变试验方式拟合了本构方程的参数向量。李国强等 ( 1 9 9 7 ) 以b u r g e r s 模型为基础，提出了一个四元件非线性流变模型 ( f n n r ) ，用以描述沥青混合料的蠕变实验的全过程，并给出了模型中各 参数与温度的关系式。高英等( 2 0 0 1 ) 依据粘弹性层状体系理论，分别从 路表弯沉、整体性材料层底拉应力及疲劳寿命、车辙预估等方面说明超重 载交通对路面结构的破坏性作用。 1 3 2 沥青路面的有限元法分析 用解析的方