半刚性沥青路面车辙三维有限元分析

1、.半刚性沥青路面车辙三维有限元分析毕林昌，张英超（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京，100025）摘要：基于半刚性基层沥青路面车辙严重现状，利用ANSYS有限元软件建立三维有限元模型，通过研究不同轴载以及不同结构参数下沥青层剪应力的变化规律，为防止半刚性沥青路面车辙破坏提供理论依据。关键词：道路工程；半刚性沥青路面；有限元分析；车辙Three-dimensional Finite Element Analysis of Semi-rigid Asphalt Pavement RuttingAbstract: In this paper, based on the serious situa

2、tion of rutting in semi-rigid base asphalt pavement and semi rigid pavement asphalt layer are studied. Axial load and structure parameters on the shear stress of asphalt layer are studied, which is in order to provide the theory basis for semi-rigid asphalt pavement, and give some suggestions. This

3、paper builds three-dimensional model of semi-rigid asphalt pavement by using ANSYS finite element software, which is given with the bi-directional loads. The calculation results show that: for asphalt layer shear stress indicators, 18cm of asphalt surface is a economic point, and the thickness of as

4、phalt layer is suggested take 18cm; and when asphalt layer thickness and basement modulus and basement thickness increases, the asphalt layer shear stress increases too; and when asphalt layer modulus increases, the asphalt layer shear stress decreases.Key words: Road Engineering; Semi-rigid Base As

5、phalt Pavement; The Finite Element Analysis; Pavement Rut0前言随着我国经济实力的迅速崛起，公路等基础建设亦迅速发展。目前，我国高速公路绝大多数为沥青路面，其中，90%以上采用半刚性基层沥青路面结构。近几年发现，随着交通量以及轴载的增加，半刚性沥青路面多出现车辙等病害，且难以根治。然而，就目前而言，我国公路沥青路面设计规范中对于车辙还未有相关的设计指标和建议。因此本文对半刚性沥青路面车辙问题进行分析，利用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元模型，研究不同参量的变化对沥青路面车辙的影响，从而为半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。1典型半刚

6、性沥青路面结构及其参数我国高速公路上半刚性沥青路面结构较多，但均具有相同的特性。半刚性基层沥青路面结构是根据“强基薄面”理论进行设计的，即以半刚性基层作为承重层，沥青层主要作为功能层。我国高速公路上常用半刚性沥青路面结构的沥青面层均为三层，厚度在16cm22cm之间；半刚性基层大多采用水泥稳定碎石材料，厚度在20cm40cm之间；底基层一般采用水泥稳定砂砾材料，厚度在15cm30cm之间；垫层一般采用砂砾材料，厚度在10cm15cm之间。因此，本文根据以上信息，选用的典型半刚性沥青路面结构及其参数如下表所示。表1 典型半刚性基层沥青路面结构及参数结构层厚度（cm）模量(MPa)泊松比沥青混凝土

7、上面层518000.35沥青混凝土中面层718000.35沥青混凝土下面层818000.35水泥稳定碎石3036000.25水泥稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基500.42沥青路面三维有限元模型的建立ANSYS是基于有限元原理开发形成的大型有限元软件，常被用于各种结构的力学分析或者其他方面分析，且是公认的结构仿真度高的大型软件之一。因此本文采用ANSYS有限元分析软件对半刚性沥青路面结构进行三维有限元分析。在对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型时，采用SOLID45单元，此单元能模拟结构在承受荷载时的各种力学响应；本文建立的三维有限元模型的尺寸为6m×6m&#

8、215;6m；其中，X轴为路面横向，Y轴为行车方向，Z轴为竖直方向。由于在行车中汽车轮胎对沥青路面有行车方向的摩擦力，因此本文采用双圆均布荷载的同时，对路面结构施加水平方向的摩擦力，为竖直荷载的0.2倍。此外，沥青路面结构层之间为为完全连续，X轴和Y轴的界面分别对其X方向和Y方向的位移进行约束，路基底面进行固定约束。建成的沥青路面三维有限元模型如下所示。 a 沥青路面有限元图 b 双圆荷载示意图图1 半刚性沥青路面三维有限元效果图3不同轴载作用下沥青路面剪应力随着物流的增加，我国高速公路的交通量增加，因此超载现象也逐渐增加。相关研究指出，轴载的增加会直接导致半刚性沥青路面车辙的出现，因此本文对

9、不同轴载下的沥青路面进行研究。我国规范没有给定超载情况下压力及半径尺寸，按比利时方法计算，具体参数见下表。表2不同轴载下轮胎压力与作用圆半径轴载（kN）100120140160180200压力（MPa）0.70.7550.8090.8450.8800.904半径（cm）10.6511.1511.7612.2512.7613.24半刚性沥青路面结构车辙的出现主要是由于沥青层所受剪应力过大，超过其抗剪强度或者容许抗剪强度。因此本文对车辙的研究，主要是研究不同参量下沥青层剪应力指标的变化。本文根据以上给定的路面结构参数以及轴载，利用ANSYS有限元软件对路面结构的剪应力进行分析，得到结果如下图所示。

10、图2 沥青层剪应力随着轴载变化图如上图所示，随着轴载的增加，沥青层剪应力逐渐增加。当轴载为100kN时，沥青层最大剪应力为170.256kPa；当轴载由100kN增加到200kN时，沥青层最大剪应力为221.174kPa，增加了30.24%。当轴载在100kN200kN之间变化时，轴载每增加10%，沥青层最大剪应力增加5.1kPa。此外，一般而言，成型的沥青混合料在考虑疲劳效应时，容许剪应力控制在190kPa280kPa之间。由于此处计算分析时，假定层间为完全连续状态，然而在实际施工时很难做到完全连续，因此在此沥青层容许剪应力取下限值。由此可知，在轴载为120kN以下时，半刚性沥青路面结构中沥

11、青层剪应力满足要求；但当轴载达到140kN以上时，沥青层剪应力偏大，在重复荷载作用下，沥青层极容易产生车辙。在不同轴载作用下，沥青层剪应力的分布规律基本相同。为了更深入的研究沥青层剪应力的平面分布，本文利用MATLAB软件做出轴载为100kN时沥青层剪应力的分布图，具体如下所示。图3 沥青层剪应力平面分布图由图3容易看出，荷载作用下的半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力出现两个最大峰值，分别出现在轮迹外侧边缘。此外，除却两个最大波峰外，还存在若干较大波峰，均出现在最大波峰的周围。由此可知，沥青层剪应力呈不均与分布，且沿轮隙线呈反对称。4不同结构参数下沥青路面剪应力半刚性沥青路面结构主要功能层是半刚

12、性基层和沥青面层。一般而言，半刚性基层沥青路面的结构形式不同，主要在于沥青面层和半刚性基层材料不同以及厚度不同。其中，沥青面层和半刚性基层材料不同在力学模型计算中主要表现为弹性模量不同。因此本文从沥青面层和半刚性基层厚度及模量出发，研究在这两种参数变化下，沥青层剪应力的变化规律。首先研究沥青面层厚度的变化情况对沥青层剪应力的影响，其中，沥青层厚度参数如下表所示，计算结果如下图所示。表3 不同面层厚度下路面结构及参数结构层厚度（cm）模量(MPa)泊松比沥青面层142218000.35水泥稳定碎石3036000.25水泥稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基500.4图4 不同沥

13、青面层厚度下沥青层剪应力如上图所示，随着沥青面层厚度的增加，沥青层剪应力呈逐渐减小的变化趋势。当沥青层厚度达到18cm时，厚度每增加2cm，沥青层剪应力减小3.5%；当沥青层厚度由14cm增加到18cm时，沥青层剪应力减小12.61%，即当沥青层厚度在14cm18cm之间时，沥青层厚度每减小2cm，沥青层剪应力增加7.71%。由此易知，对于沥青层剪应力指标而言，沥青面层厚度为18cm为一经济点；即此时通过增加沥青层厚度来减小沥青层剪应力是不经济的措施。表4 不同面层模量下路面结构及参数结构层厚度（cm）模量(MPa)泊松比沥青面层20140022000.35水泥稳定碎石3036000.25水泥

14、稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基500.4表4列出了在不同面层模量下路面结构及其参数，本文按照上述参数建立有限元模型，对沥青层剪应力进行研究，得到结果如下图所示。图5 不同沥青面层模量下沥青层剪应力由图5易知，随着沥青面层模量的逐渐增加，沥青层剪应力逐渐增大。这主要是由于沥青层模量的增加，造成沥青层模量与半刚性基层模量之比逐渐减小，在相同荷载作用下，承担剪应力的就逐渐增加。当沥青面层模量由1400MPa增加到2200MPa时，沥青层剪应力增加了16.99%，即沥青模量每增加400MPa，沥青层剪应力增加8.5%。表5 不同基层厚度下路面结构及参数结构层厚度（cm）模量(M

15、Pa)泊松比沥青面层2018000.35水泥稳定碎石204036000.25水泥稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基500.4表5列出了在不同基层厚度下路面结构及其参数，本文利用ANSYS有限元软件，依据上述参数建立有限元模型，对沥青层剪应力进行研究，得到结果如下图所示。图6 不同基层厚度下沥青层剪应力从图6可以看出，随着基层厚度的逐渐增加，沥青层剪应力呈线性逐渐减小。其中，当基层厚度由40cm减小到20cm时，沥青层剪应力增加26.67%；即当基层厚度在20cm40cm之间时，厚度每减小5cm，沥青层剪应力增加6.67%。表6 不同基层模量下路面结构及参数结构层厚度（cm）

16、模量(MPa)泊松比沥青面层2018000.35水泥稳定碎石30200040000.25水泥稳定砂砾2034000.25砂砾151800.35路基500.4表6列出了在不同基层模量下路面结构及其参数，依据上述参数建立三维有限元模型，通过计算得到沥青层剪应力值如下图所示。图6 不同基层模量下沥青层剪应力如上图所示，沥青层剪应力随着基层模量的增加逐渐减小。当基层模量为4000MPa时，沥青层剪应力为164.196kPa；当基层模量减小到2800MPa之后，沥青层剪应力达到190kPa以上。当基层模量由4000MPa减小到2000MPa时，沥青层剪应力增加34.28%；即当基层模量在2000MPa4

17、000MPa之间时，模量每增加400MPa，沥青层剪应力减小6.86%。5结论及建议（1）沥青层厚度在14cm18cm之间变化时，沥青层厚度每减小2cm，沥青层剪应力增加7.71%。对于沥青层剪应力指标而言，沥青面层厚度为18cm为一经济点，建议沥青层厚度取18cm；沥青面层模量在1400MPa2200MPa变化时，沥青模量每增加400MPa，沥青层剪应力增加8.5%。（2）基层厚度在20cm40cm之间时，厚度每减小5cm，沥青层剪应力增加6.67%。基层模量在2000MPa4000MPa之间时，模量每增加400MPa，沥青层剪应力减小6.86%。（3）荷载作用下的半刚性沥青路面结构中沥青层

18、剪应力出现两个最大峰值，分别出现在轮迹外侧边缘。参考文献:1 毕玉峰.沥青混合料抗剪试验方法J同济大学学报：自然科学版，2005.2 AI-Qadi I L, Elseifi M, Yoo PJ. Pavement damage due to different tires and vehicle configurations R.Blacksburg: Virginia Tech Transportation Institute, 2004:23-35.3 崔鹏，邵敏华，孙立军.长寿命沥青路面设计指标研究J.交通运输工程学报，2008.4 胡小弟，孙立军.实测重型货车轮载作用下沥青路面力学响应