摘要：据调查，汽车超载在发展中国家是一个普遍存在的问题，特别是在我国公路上这种现象更加普遍，这将对路面结构产生很不利的影响。本文采用三维有限元分析方法,分析了半刚性基层沥青路面结构在不同的超载量情形下最大剪应力。
关键字：最大剪应力；超载；有限元；沥青路面
沥青路面结构实际上是三维的工程构造物，承受移动的汽车荷载,结合当时路面实际交通轴载大小以及计算手段，工程中取标准轴载并编制诺谟图进行计算，随着计算水平的提高和计算工具的多样化，东南大学等单位编制了程序进行设计，极大地方便了设计。但是随着交通轴载地增加，路面出现车辙、推移等剪切破坏越来越严重，以至于越来越多的科研单位开始关注沥青层内最大剪应力，传统地计算方法已经不能很方便地得到不同轴载作用下沥青路面的最大剪应力，三维有限元方法恰恰能够很便利地解决目前的困境。
1、最大剪应力与车辙的关系
在我国，车辙是半刚性基层沥青路面的常见病害之一。车辙的出现直接影响驾驶员行车安全，降低路面的抗滑能力，在雨后会使辙槽内积水而致使车辆行使时发生飘滑，冬季更会由于积水而导致路面结冰。车辙产生直接导致影响路面的平整度下降，导致路面受力不均匀，产生应力集中，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而引发其他病害。因此，车辙严重影响了半刚性基层沥青路面的服务质量和使用寿命。
沥青路面的车辙主要分为三类，即磨耗型车辙、压密型车辙、失稳型车辙。根据调查发现，目前我国高速公路半刚性基层沥青路面出现的车辙基本上都属于失稳型车辙。失稳性车辙是指在高温季节，半刚性基层沥青路面在车轮荷载的作用下，当沥青面层内部的剪应力大于沥青混凝土的抗剪强度时，轮迹带范围内的沥青混凝土产生侧向剪切流动变形，轮迹处产生下凹，同时两侧沥青混凝土鼓起的现象。对于失稳型车辙，最重要的影响因素是在高温条件下，由荷载引起的沥青面层内部的剪应力。当发生失稳型车辙时，在半刚性基层沥青路面面层内部高温剪应力峰值分布区域(即沿路面竖向面层内部高温剪应力值最大的深度位置区域)，必然首先发生剪切流动变形，因为面层这一区域内的高温剪应力最容易大于沥青混凝土的抗剪强度。
2、路面结构三维有限元模型的建立
2.1计算参数
目前国内高速公路的路面主要形式是半刚性基层沥青混凝土路面，故本文选用某一半刚性基层沥青混凝土路面结构，路面结构各层的厚度、回弹模量和泊松比见表1。
表1半刚性基层沥青路面结构参数
2.2荷载分布
垂直荷载为双圆垂直均布荷载,当量圆半径δ为10.65cm，两轮的圆心间距3δ为31.95cm，如下图所示。当该垂直荷载作用压强为0.7MPa时，该荷载为我国沥青路面设计时采用的标准荷载。当垂直荷载的压强增至1MPa、1.3Mpa时，即分别代表超载超载43％、超载86％时的情形。
图1垂直荷载
2.3有限元模型
路面结构模型采用线弹性计算模型8结点单元进行沥青面层内最大剪应力分析,沥青层和半刚性基层层间接触状态为完全连续。边界条件假设为:底面固定,左右两面没有x方向位移,前后两侧没有y方向位移,选用表1的路面结构,有限元建立的路面结构图见图2。该模型x为道路横断面方向，y为行车方向，z道路深度方向。x－y平面上，荷载作用处单元尺寸为5.325cm，远离荷载作用区域单元尺寸从20－50cm逐渐过渡。网格划分图如图3所示。
图2路面结构图 图3网格划分图
3、最大剪应力计算
计算得到的标准轴载和超载作用下沥青面层内部最大剪应力的分布见表2和图4所示：
表2路面剪应力随深度分布
图4超载和标准轴载下最大剪应力计算对比图
4、结果分析
（1）无论是在超载还是在标准荷载作用下，沥青面层内2-7cm范围内为剪应力相对较大，为最大剪应力分布区。
（2）随着垂直荷载的增加，沥青面层最大剪应力呈线性增大，荷载是1.0MPa和1.3MPa时的最大剪应力分别是标准荷载的1.43倍和1.86倍，呈线性变化。
（3）随着垂直荷载的增加，沥青路面最大剪应力的出现的深度基本不变，但是影响范围更大。因此，在超载作用下沥青面层将相当多的位置处于高应力状态，使薄弱处的应力集中更严重。根据疲劳破坏的原理，超载会显著减少路面结构的疲劳次数，使沥青路面过早出现车辙和推移破坏。
5、结论
在以往的沥青路面力学计算和结构设计中，采用路表弯沉和层底弯拉应力作为设计指标。路表弯沉是一个综合性指标，反映的是路面结构的整体强度和刚度，不能准确地反映沥青路面结构的实际受力情况和抵抗破坏的强弱程度。层底弯拉应力的主要作用是防止相应结构层出现疲劳开裂。因此，这两项指标都不能较好地评价和防止车辙破坏的产生。随着超载的增加，沥青路面结构出现车辙推移破坏越来越严重，规范中应该考虑采取剪应力指标进行设计或验算，并开展剪切疲劳破坏试验，以减少车辙对沥青路面的危害，以达到提高路面服务性能和使用寿命的目的。
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