1.一种沥青路面路基工作区深度计算模型,其特征在于所述计算模型为:
式中:Z为沥青路面工作区深度,m;Fmax为车轮最大荷载,kN;β为荷载与x轴夹角,°;ψ为冲击常数;γ0为路基土容重,kN/cm3;k为容重比值和,k=α1+α2+α3,α1,α2,α3分别为沥青面层,垫层和基层与路基土的容重比值,x为车辆荷载P在X轴方向的影响距离,m;y为车辆荷载P在Y轴方向的影响距离,m。
2.根据权利要求1所述的沥青路面路基工作区深度计算模型,其特征在于所述计算模型的推导步骤如下:步骤1:路基应力求解;
步骤2:沥青路面路基工作区深度计算模型推导。
3.根据权利要求1所述的沥青路面路基工作区深度计算模型,其特征在于步骤1包括以下步骤:步骤1-1:假设应力函数:假设,车辆荷载P在t时刻作用在a点,荷载对路基的最大影响范围是半径为R的圆,荷载沿随机的运动曲线从a移动到d;
a点受车辆荷载和自重作用,其组合的主应力最大,d点仅受自重作用,其组合的主应力最小,中间的组合应力间与两者之间,因此不作分析求解;
由于不同车辆车型、前后和左右轮距不同,前后车轮的接触面积也不同,车辆受到路面不平整度和货物分布不均匀的影响,导致了轮载分布不均匀;现假设在上述情况下,车辆荷载影响的有限区域内路基土和沥青层都保持不变,车辆的某个车轮最大值垂直作用在沥青路面上,其瞬时的作用简化为某个荷载垂直作用于半平面体路基边界上;
对于半平面体在边界上受集中力作用,采用弹性力学的半逆解法求解,根据量纲分析法,假设应力函数Φ式中:Φ为应力函数;ρ为极径,m; 为ρ与X轴夹角,°; 为极坐标函数;
步骤1-2:将应力函数代入相容方程求解常微分方程:将应力函数Φ代入极坐标相容方程(2)式中:Φ为应力函数;为ρ与X轴夹角,°;ρ为极径,m;
求解常微分方程
式中:ρ为极径,m;为ρ与X轴夹角,°; 为极坐标函数;
式中:A,B,C,D为常数;为ρ与X轴夹角,°; 为极坐标函数;
式中:σρ为径向应力,MPa; 为环向应力,MPa; 为切应力,MPa;Φ为应力函数;ρ为极径,m; 为ρ与X轴夹角,°;C,D为常数;
步骤1-3:选取隔离体建立平衡方程:考虑边界条件和原点周围小边界的应力边界条件,以o为圆心,ρ为半径,取隔离体oabc,考虑隔离体的平衡方程(6),求得各应力分量的一般形式(7)式中:Fx为X轴方向的力,kN;Fy为Y轴方向的力,kN;MO为o点力矩,kN×m;σρ为径向应力,MPa; 为环向应力,MPa; 为切应力,MPa;ρ为极径,m; 为ρ与X轴夹角,°;β为荷载与X轴夹角,°;P车辆荷载,kN,o为P车辆荷载作用点;
式中:σρ为径向应力,MPa; 为环向应力,MPa; 为切应力,MPa;为ρ与X轴夹角,°;β为荷载与X轴夹角,°;ρ为极径,m;P荷载,kN;
步骤1-4:求解应力分量:当车辆荷载与地面不垂直时,其应力分量采用(7)式的一般形式,当车辆荷载与地面垂直,此时取β为0,其应力分量采用(8)式,然后用坐标变换(9)式将极坐标下的应力分量向直角坐标变换,求得各应力分量(10);
式中:σρ为径向应力,MPa; 为环向应力,MPa; 为切应力,MPa; 为ρ与X轴夹角,°;ρ为极径,m;P荷载,kN。
式中:σx为水平应力,MPa;σy为竖向应力,MPa;τxy为剪应力,MPa; 为ρ与X轴夹角,°;σρ为径向应力,MPa; 为环向应力,MPa; 为切应力,MPa;
式中:σx为水平应力,MPa;σy为竖向应力,MPa;τxy为剪应力,MPa; 为ρ与X轴夹角,°;P荷载,kN;x为车辆荷载P在X轴方向的影响距离,m;y为车辆荷载P在Y轴方向的影响距离,m。
4.根据权利要求1所述的沥青路面路基工作区深度计算模型,其特征在于步骤2包括以下步骤:步骤2-1:求解最大最小主应力一般形式:以普通四轮汽车为例进行沥青路面路基工作区公式的推导,依据半平面体在边界上受集中力作用的解答,其最大最小主应力如(11)式所示式中:σ1,2为最大和最小主应力,MPa;σx为水平应力,MPa;σy为竖向应力,MPa;τxy为剪应力,MPa;
步骤2-2:求解最大最小主应力方向向量:两个主应力的方向表达式如(12)和(13)式所示;在车辆行进过程中,轮下荷载产生的最大最小主应力方向分别为此时,最大的主应力σ1方向垂直路面,而最小主应力为水平方向,从车轮正下方到荷载影响范围边缘,最大最小主应力的方向相互垂直并逆时针旋转,直至荷载影响范围边缘车辆荷载产生的主应力消失式中: 为最大主应力方向向量;σx为水平应力,MPa;σy为竖向应力,MPa;τxy为剪应力,MPa。
式中: 为最小主应力方向向量;σx为水平应力,MPa;σy为竖向应力,MPa;τxy为剪应力,MPa;
步骤2-3:求解四轮汽车的最大主应力:假设四轮汽车车辆动荷载均匀分布到四个车轮中,将(14)和(15)式代入(10)式,求得最大主应力(16)式式中:P为荷载,kN;m为车辆质量,kg;g为重力加速度,9.8N/kg;ψ为冲击常数ψ=1+i (15)式中:ψ为冲击常数;i为冲击附加系数,取0-0.45
式中:σ1为最大主应力,MPa;m为质量,kg;g为重力加速度,9.8N/kg;ψ为冲击常数;x荷载P在X轴方向的影响距离,m;y荷载P在Y轴方向的影响距离,m;
步骤2-4:求解四轮汽车的路基工作区深度:取(16)式最大主应力σ1达到路基自重应力σB(17)式的0.1-0.2时的路基深度Z为路基工作区深度,如(18)式所示。
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式中:σB为路基自重应力;MPa;γ0为路基土容重,kN/cm ;γ1为沥青面层容重,kN/cm ;
γ2为沥青路面垫层容重,kN/cm3;γ3为沥青路面基层容重,kN/cm3;z0为沥青路面面层深度,m;z1为沥青路面垫层深度,m;z3为沥青路面基层深度;α1,α2,α3分别为沥青面层,垫层和基层与路基土的容重比值;Z为沥青路面工作区深度,m式中:Z为沥青路面工作区深度,m;m为车辆质量,kg;g为重力加速度,9.8N/kgβ为荷载与X轴夹角,°;ψ为冲击常数;γ0为路基土容重,kN/cm3;k为容重比值和,k=α1+α2+α3;α1,α2,α3分别为沥青面层,垫层和基层与路基土的容重比值,x为车辆荷载P在X轴方向的影响距离,m;y为车辆荷载P在Y轴方向的影响距离,m;
步骤2-5:推导出沥青路面路基工作区深度计算模型:由于不同车型具有不同的自重和车轮数量,在路面不平整度的影响下,其产生动荷载不能以车轮均分;因此,其产生的最大路基工作区深度,以某个车轮最大荷载Fmax为准,沥青路面路基工作区深度计算模型如(19)式所示式中:Z为沥青路面工作区深度,m;Fmax为车轮最大荷载,kN;β为荷载与x轴夹角,°;ψ为冲击常数;γ0为路基土容重,kN/cm3;k为容重比值和,k=α1+α2+α3,α1,α2,α3分别为沥青面层,垫层和基层与路基土的容重比值,x为车辆荷载P在X轴方向的影响距离,m;y为车辆荷载P在Y轴方向的影响距离,m。