【摘要】：路基路面結構是一個多層結構體系,路基是在天然地表面按照道路的設計線形(位置)和設計橫斷面(幾何尺寸)的要求,開挖或堆填而成的土石結構物。本文通過粘彈塑性理論分析,與傳統(tǒng)的層狀彈性計算方法相比較,粘彈塑性既能反映路基路面結構對行車荷載大小的應力及變形響應,又能獲得不同行車作用時間下路基路面的塑性變形。對路基路面結構的受力機理作出更充分的解釋。
　　【關鍵詞】：路基,路面,粘彈塑性,流變模型
　　一、概述
　　路面是在路基頂面,承受車輛的荷載,用各種混合料鋪筑而成的層狀結構物"路基是路面結構的基礎,為路面結構長期承受汽車荷載提供了重要的保證。路面結構層又保護了路基,避免直接經(jīng)受車輛、大氣和水分的破壞作用,從而長期處于穩(wěn)定狀態(tài)。20世紀70年代起,我國道路科技工作者就已對剛性、柔性路面設計進行較系統(tǒng)而具有相當規(guī)模的研究。在力學基礎理論方面,運用解析法及有限單元法建立了彈性力學層狀結構、彈性地基板體結構模型,形成了整套分析計算方法。這雖然從數(shù)學上簡單近似地模擬了所要解決的實際工程問題,但卻不能完全真實反映材料在工作狀態(tài)下表現(xiàn)的特性。路基路面結構由彈性過渡到彈塑性理論來設計計算,無疑是一個巨大的飛躍。就路基路面結構的穩(wěn)定性及強度而言,如果變形只局限在彈性范圍,將無法從力學機制上有說服力地解釋諸如路基路面結構早期發(fā)生破壞的實質。只有從材料彈塑性變形的觀點來分析,才能比較清楚地說明這一問題。路基路面結構的變形都是蠕變型的,對路基和地基以及瀝青路面結構,其蠕變性就更為顯著。而彈塑性變形學說是對結構發(fā)生的變形看作瞬時完成來處理的,無法反映其時間效應,這點和線彈性情況完全相同。因而無法解釋諸如:在許多情況下路基路面結構并不是在重復車輛荷載作用之初就瞬間失穩(wěn)或立即發(fā)生強度破壞，也不能很好地說明汽車荷載對路基路面結構的形變壓力并不是一開始就達到其最大值,而是隨時間增大逐漸加大,經(jīng)常需要延續(xù)一個很長時期才漸趨穩(wěn)定;即使在變形基本穩(wěn)定以后,路基路面結構內還會產(chǎn)生應力松弛現(xiàn)象。因此,只有考慮路基路面結構材料時效的流變效應,改用粘彈塑性理論對路基路面結構中存在的一些問題進行更細致的分析研究,才能對路基路面結構從受力機理上作出充分的闡述,給出合理的解釋,最后得到較為正確的結論。
　　二、理論分析
　　彈性、塑性和粘性是物質材料的三種基本的理想力學性質,它們分別在一定的條件下獨自反映各自的力學特性。因此代表這三種力學性質的理想模型,在固體力學中稱為簡單模型。而在自然界和工程界是實際材料,則可用這些模型的某種組合來構成,稱其為復雜模型。對于簡單模型,它可以通過反映這三種力學性質的基本元件來表示,即反映彈性的彈性固體(又稱體)、反映粘性的粘滯液體(又稱2流體)和反映塑性的塑性固體(又稱.塑性體)。復雜模型便是用這些基本的元件,如彈簧、粘壺、摩阻件等來反映材料的性質,通過這些基本元件的相互并聯(lián)或串聯(lián)形成復雜的模型。復雜的粘彈塑性力學性質也可以通過線性粘彈塑性模型理論來體現(xiàn),對于模型理論,它是采用一些基本元件來代表材料的某些性質,具體幾種典型的流變模型有如2體、體、標準線性體和廣義的體。
　　1、粘彈塑性力學模型
　　大量室內試驗和現(xiàn)場測試都表明,路基路面結構在恒定應力狀態(tài)下,其應變E(t)依時間的發(fā)展過程分為四個階段,即瞬時彈性應變階段,初始蠕變階段,定常蠕變階段和加速蠕變階段。相應的應變可表示成E1,E2,E3,E4,見圖1。即有在理論分析中,用虎克體(體)來模擬瞬時彈性應變時的路基路面結構材料,用凱爾文體(體)來模擬初始蠕變階段的路基路面結構材料,用賓漢姆體(體)來模擬定常蠕變階段時的路基路面結構材料。至于加速蠕變階段的路基路面結構材料的變形可通過分析塑性應變軟化的變形特征得到。因此路基路面結構應變全過程可用虎克體、凱爾文體和賓漢姆體相串聯(lián)的/彈-粘彈-粘塑性流變模型來模擬。采用有限元法對路基路面結構進行應力分析時,每個單元的土體應力將分別屬于以下三種情況之一。
　　                                      
　　(1)該單元土體應力變化始終未達到屈服強度,其應變?yōu)?2)式。{E}={E}+{E}(2)
　　(2)該單元土體應力變化已超過屈服強度,其應變?yōu)?3)式。{E}={E}+{E}(3)
　　(3)該單元土體應力先是處于彈性階段,而后逐漸發(fā)展進入塑性階段,其應變?yōu)?4)式。{E}={E}+{E}+{E}(4)在平面應變狀態(tài)下,瞬時彈性應變{E}可由式(5)求得。{E}=1E1[A]#{R}(5)在平面應變狀態(tài)下,粘彈性應變{E}因為是時間的函數(shù),計算時要對時間進行離散,并假定土體應變在選取的盡可能小的時步$t內保持不變,這樣在(t+$t)時刻的粘彈性應變?yōu)?6)式。
　　{E}+$=e-b#$t#{E}+ab[A]{R}(1-e-b#$t)(6)在平面應變狀態(tài)下,粘塑性應變也是時間t的函數(shù),計算時也要對時間進行離散,同樣假定土體應變在選取的盡可能小的時步$t內保持不變,這樣在(t+$t)時刻的粘塑性應變?yōu)?7)式。{E}+$=FG2#5Q5{R}#$t+{E}(7)
　　三、結束語
　　理論和實踐都已證明,粘彈塑性理論是與路基路面結構的真實受力性態(tài)相吻合的。路基路面結構的粘彈塑性分析,較之按彈性理論和彈塑性理論計算又向前邁進了一步。它不僅具有學術上和理論上的意義,而且在解決工程實際問題方面也有重要價值。
　　【參考資料】
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