【摘要】：路基路面結(jié)構(gòu)是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)體系,路基是在天然地表面按照道路的設(shè)計(jì)線形(位置)和設(shè)計(jì)橫斷面(幾何尺寸)的要求,開挖或堆填而成的土石結(jié)構(gòu)物。本文通過粘彈塑性理論分析,與傳統(tǒng)的層狀彈性計(jì)算方法相比較,粘彈塑性既能反映路基路面結(jié)構(gòu)對(duì)行車荷載大小的應(yīng)力及變形響應(yīng),又能獲得不同行車作用時(shí)間下路基路面的塑性變形。對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理作出更充分的解釋。
　　【關(guān)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(jié)構(gòu)物"路基是路面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),為路面結(jié)構(gòu)長期承受汽車荷載提供了重要的保證。路面結(jié)構(gòu)層又保護(hù)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(jì)70年代起,我國道路科技工作者就已對(duì)剛性、柔性路面設(shè)計(jì)進(jìn)行較系統(tǒng)而具有相當(dāng)規(guī)模的研究。在力學(xué)基礎(chǔ)理論方面,運(yùn)用解析法及有限單元法建立了彈性力學(xué)層狀結(jié)構(gòu)、彈性地基板體結(jié)構(gòu)模型,形成了整套分析計(jì)算方法。這雖然從數(shù)學(xué)上簡單近似地模擬了所要解決的實(shí)際工程問題,但卻不能完全真實(shí)反映材料在工作狀態(tài)下表現(xiàn)的特性。路基路面結(jié)構(gòu)由彈性過渡到彈塑性理論來設(shè)計(jì)計(jì)算,無疑是一個(gè)巨大的飛躍。就路基路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及強(qiáng)度而言,如果變形只局限在彈性范圍,將無法從力學(xué)機(jī)制上有說服力地解釋諸如路基路面結(jié)構(gòu)早期發(fā)生破壞的實(shí)質(zhì)。只有從材料彈塑性變形的觀點(diǎn)來分析,才能比較清楚地說明這一問題。路基路面結(jié)構(gòu)的變形都是蠕變型的,對(duì)路基和地基以及瀝青路面結(jié)構(gòu),其蠕變性就更為顯著。而彈塑性變形學(xué)說是對(duì)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變形看作瞬時(shí)完成來處理的,無法反映其時(shí)間效應(yīng),這點(diǎn)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(jié)構(gòu)并不是在重復(fù)車輛荷載作用之初就瞬間失穩(wěn)或立即發(fā)生強(qiáng)度破壞，也不能很好地說明汽車荷載對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)的形變壓力并不是一開始就達(dá)到其最大值,而是隨時(shí)間增大逐漸加大,經(jīng)常需要延續(xù)一個(gè)很長時(shí)期才漸趨穩(wěn)定;即使在變形基本穩(wěn)定以后,路基路面結(jié)構(gòu)內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象。因此,只有考慮路基路面結(jié)構(gòu)材料時(shí)效的流變效應(yīng),改用粘彈塑性理論對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)中存在的一些問題進(jìn)行更細(xì)致的分析研究,才能對(duì)路基路面結(jié)構(gòu)從受力機(jī)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(jié)論。
　　二、理論分析
　　彈性、塑性和粘性是物質(zhì)材料的三種基本的理想力學(xué)性質(zhì),它們分別在一定的條件下獨(dú)自反映各自的力學(xué)特性。因此代表這三種力學(xué)性質(zhì)的理想模型,在固體力學(xué)中稱為簡單模型。而在自然界和工程界是實(shí)際材料,則可用這些模型的某種組合來構(gòu)成,稱其為復(fù)雜模型。對(duì)于簡單模型,它可以通過反映這三種力學(xué)性質(zhì)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(fù)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(zhì),通過這些基本元件的相互并聯(lián)或串聯(lián)形成復(fù)雜的模型。復(fù)雜的粘彈塑性力學(xué)性質(zhì)也可以通過線性粘彈塑性模型理論來體現(xiàn),對(duì)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(zhì),具體幾種典型的流變模型有如2體、體、標(biāo)準(zhǔn)線性體和廣義的體。
　　1、粘彈塑性力學(xué)模型
　　大量室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試都表明,路基路面結(jié)構(gòu)在恒定應(yīng)力狀態(tài)下,其應(yīng)變E(t)依時(shí)間的發(fā)展過程分為四個(gè)階段,即瞬時(shí)彈性應(yīng)變階段,初始蠕變階段,定常蠕變階段和加速蠕變階段。相應(yīng)的應(yīng)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(shí)彈性應(yīng)變時(shí)的路基路面結(jié)構(gòu)材料,用凱爾文體(體)來模擬初始蠕變階段的路基路面結(jié)構(gòu)材料,用賓漢姆體(體)來模擬定常蠕變階段時(shí)的路基路面結(jié)構(gòu)材料。至于加速蠕變階段的路基路面結(jié)構(gòu)材料的變形可通過分析塑性應(yīng)變軟化的變形特征得到。因此路基路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變?nèi)�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(duì)路基路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí),每個(gè)單元的土體應(yīng)力將分別屬于以下三種情況之一。
　　                                      
　　(1)該單元土體應(yīng)力變化始終未達(dá)到屈服強(qiáng)度,其應(yīng)變?yōu)?2)式。{E}={E}+{E}(2)
　　(2)該單元土體應(yīng)力變化已超過屈服強(qiáng)度,其應(yīng)變?yōu)?3)式。{E}={E}+{E}(3)
　　(3)該單元土體應(yīng)力先是處于彈性階段,而后逐漸發(fā)展進(jìn)入塑性階段,其應(yīng)變?yōu)?4)式。{E}={E}+{E}+{E}(4)在平面應(yīng)變狀態(tài)下,瞬時(shí)彈性應(yīng)變{E}可由式(5)求得。{E}=1E1[A]#{R}(5)在平面應(yīng)變狀態(tài)下,粘彈性應(yīng)變{E}因?yàn)槭菚r(shí)間的函數(shù),計(jì)算時(shí)要對(duì)時(shí)間進(jìn)行離散,并假定土體應(yīng)變?cè)谶x取的盡可能小的時(shí)步$t內(nèi)保持不變,這樣在(t+$t)時(shí)刻的粘彈性應(yīng)變?yōu)?6)式。
　　{E}+$=e-b#$t#{E}+ab[A]{R}(1-e-b#$t)(6)在平面應(yīng)變狀態(tài)下,粘塑性應(yīng)變也是時(shí)間t的函數(shù),計(jì)算時(shí)也要對(duì)時(shí)間進(jìn)行離散,同樣假定土體應(yīng)變?cè)谶x取的盡可能小的時(shí)步$t內(nèi)保持不變,這樣在(t+$t)時(shí)刻的粘塑性應(yīng)變?yōu)?7)式。{E}+$=FG2#5Q5{R}#$t+{E}(7)
　　三、結(jié)束語
　　理論和實(shí)踐都已證明,粘彈塑性理論是與路基路面結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力性態(tài)相吻合的。路基路面結(jié)構(gòu)的粘彈塑性分析,較之按彈性理論和彈塑性理論計(jì)算又向前邁進(jìn)了一步。它不僅具有學(xué)術(shù)上和理論上的意義,而且在解決工程實(shí)際問題方面也有重要價(jià)值。
　　【參考資料】
　　[1]彭妙娟,許志鴻.瀝青路面永久變形的非線性本構(gòu)模型研究[J].中國科學(xué)G輯:物理學(xué)、力學(xué)、天文學(xué),2006,(04).
　　[2]張久鵬,黃曉明,王曉磊.基于粘彈塑性理論的瀝青路面車轍分析[J].公路交通科技,2007,(10).
　　[3]李棟偉,汪仁和,林斌.粘彈塑本構(gòu)模型及用于凍土數(shù)值計(jì)算的柔度矩陣[J].冰川凍土,2007,(02).