泰安市農(nóng)村公路瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元分析

劉鋒銳 王 勇

(1.濟南高新控股集團有限公司，山東濟南 250101;2.膠南市建筑工程質(zhì)量監(jiān)督站，山東青島 266400)

1 概述

瀝青路面結(jié)構(gòu)的組成部分包括面層、基層和墊層三部分。路面作為一類土木工程結(jié)構(gòu)物，設(shè)計時必然要考慮在荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變大小，這是結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。由于路基支承、受力狀況、路面材料性質(zhì)、自然因素等因素的不確定性，從這些要素入手對路面結(jié)構(gòu)進行完善的力學(xué)分析是十分困難的，因此一般的研究思路是對路基結(jié)構(gòu)進行分類，根據(jù)各類路面結(jié)構(gòu)變形和破壞特征，采取相應(yīng)的理論和方法進行分析。本文則采用有限元法來對瀝青路面結(jié)構(gòu)進行分析。

2 有限元計算軟件ADINA簡介

2.1 一般問題的ADINA分析步驟

1)創(chuàng)建有限元模型或讀入幾何模型、定義材料屬性、劃分單元(節(jié)點及單元)、施加約束、施加荷載。2)對施加荷載進行求解并進行求解控制(時間步、分析假設(shè)、時間函數(shù)等)。3)查看結(jié)果，檢驗結(jié)果(分析是否正確)。

2.2 應(yīng)用ADINA建立路面結(jié)構(gòu)分析模型

1)理論體系:采用層狀彈性體系理論分析瀝青路面;采用層狀彈性地基單層板和層狀彈性地基雙層板理論分析水泥混凝土路面。它的基本假定有:路面結(jié)構(gòu)由多個性能不同的層次組成，在圓形均布荷載的作用下，呈現(xiàn)軸對稱的特性;每個層次都是由均質(zhì)的、各向同性的線彈性材料組成，材料性能可采用彈性參數(shù)E，μ表征;結(jié)構(gòu)的最下層為水平向無限延伸的半無限體，其上各層為水平向無限延伸、豎向有一定厚度的層次。2)荷載:路面設(shè)計以單軸雙輪組100 kN為標準軸載。模型加載方式采用在路表相應(yīng)加載位置處施加雙圓垂直均布荷載或單圓垂直均布荷載，雙圓垂直均布荷載當量圓直徑d=21.3cm，圓心間距為1.5d=31.95 cm，輪胎接地壓強p=0.7 MPa;單圓垂直均布荷載當量圓直徑d=30.2 cm。3)結(jié)構(gòu)模型:路面結(jié)構(gòu)在水平方向和深度方向取其有限尺寸。按照層狀彈性理論進行分析。4)劃分網(wǎng)格:應(yīng)用三維實體單元(3-D Solid單元)對模型體進行網(wǎng)格劃分。5)邊界條件:對路面結(jié)構(gòu)模型的側(cè)面即左右面Y方向進行約束，模型的前后面X方向進行約束，底部完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。

2.3 基于ADINA的路面結(jié)構(gòu)有限元分析的實例及驗證

新建瀝青路面結(jié)構(gòu)計算示例JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范。

新建高速公路地處Ⅱ2區(qū)，為雙向四車道，擬采用瀝青路面結(jié)構(gòu)進行施工圖設(shè)計，沿線土質(zhì)為中液限黏性土，填方路基高1.8 m，地下水位距路床2.4 m，屬中濕狀態(tài);年降雨量為620 mm，最高氣溫35℃，最低氣溫-31℃，多年最大道路凍深為175 cm，平均凍結(jié)指數(shù)為882℃，最大凍結(jié)指數(shù)為1 225℃。

設(shè)計路段路基處于中濕狀態(tài)，路基土為中液限黏性土，根據(jù)室內(nèi)試驗法確定土基回彈模量設(shè)計值為40 MPa。

根據(jù)地區(qū)的路用材料，結(jié)合已有工程經(jīng)驗與典型結(jié)構(gòu)，擬定了三個結(jié)構(gòu)組合方案:

方案1:

4 cm細粒式瀝青混凝土+6 cm中粒式瀝青混凝土+8 cm粗粒式瀝青混凝土+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+17 cm水泥石灰砂礫土層。

方案2:

4 cm細粒式瀝青混凝土+8 cm中粒式瀝青混凝土+15 cm密級配瀝青碎石+20 cm水泥穩(wěn)定砂礫+18 cm級配砂礫墊層。

方案3:

4 cm細粒式瀝青混凝土+8 cm中粒式瀝青混凝土+2×15 cm密級配瀝青碎石+35 cm級配碎石。

根據(jù)設(shè)計配合比，選取工程用各種原材料制件，按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中規(guī)定的頂面法測定半剛性材料的抗壓回彈模量;按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定的方法測定瀝青混合料的抗壓回彈模量，測定20℃和15℃的抗壓回彈模量。

根據(jù)上述基本資料，建立路面結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)ADINA分析模型

圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層豎向位移示意圖

采用層狀彈性體系理論分析，單軸雙輪組100 kN標準軸載作用在路表，雙圓垂直均布荷載當量圓直徑d=21.3cm，圓心間距為31.95 cm，輪胎接地壓強p=0.7 MPa。應(yīng)用三維實體單元。

通過ADINA有限元分析計算，得到瀝青路面各結(jié)構(gòu)層豎向位移和路標彎沉如圖2，圖3所示。

圖3 標準軸載作用下路表彎沉分布圖

對路面結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果進行匯總，并與現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTG D50-2006的計算結(jié)果進行對照，如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)方案計算結(jié)果 0.01 mm

由表1可以得出:二者關(guān)于路表計算彎沉和各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力計算結(jié)果是十分接近的。按照上述ADINA有限元法分析瀝青路面結(jié)構(gòu)，符合現(xiàn)行公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范的要求。ADINA有限元法可以應(yīng)用于實際瀝青路面工程的設(shè)計分析。

3 泰安市農(nóng)村公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)

1)農(nóng)村公路路面的特點及標準。泰安市農(nóng)村公路采用的瀝青路面，路面結(jié)構(gòu)一般由面層、基層、底基層與墊層組成。

2)農(nóng)村公路的基本要求。交通部頒布的《農(nóng)村公路建設(shè)暫行技術(shù)要求》中的條文規(guī)定:農(nóng)村公路的瀝青路面類型要根據(jù)工程建設(shè)地的自然條件、建材資源和工程投資等情況進行合理的選定。具體的厚度要求如表2所示。

表2 農(nóng)村公路瀝青路面結(jié)構(gòu)層最小厚度

農(nóng)村公路采用瀝青路面的，其路基壓實度應(yīng)符合表3的要求，路基壓實度達不到表3要求的路段，宜采用砂石等其他路面結(jié)構(gòu)類型。

表3 壓實度最小值

3)農(nóng)村公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)。在泰安市農(nóng)村公路水泥路面結(jié)構(gòu)的各項設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，借鑒泰安市農(nóng)村公路的修筑經(jīng)驗和使用性能良好的路面結(jié)構(gòu)，通過理論分析，提出泰安市農(nóng)村公路的瀝青路面典型結(jié)構(gòu)，如表4，表5所示。

表4 通縣公路的瀝青路典型路面結(jié)構(gòu)

表5 通鄉(xiāng)公路的瀝青路典型路面結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文采用有限元法來分析路面結(jié)構(gòu)的受力性狀。先介紹了有限元軟件ADINA的適用范圍及建模過程，然后根據(jù)地區(qū)的路用材料，結(jié)合已有工程經(jīng)驗與典型結(jié)構(gòu)，擬定了三個結(jié)構(gòu)組合方案。分別對這三個方案進行分析，把各方案有限元計算結(jié)果與通過規(guī)范計算結(jié)果相對比，論證了ADINA有限元分析軟件的適用性及所提方案的可行性，得出適合泰安市的通縣、通鄉(xiāng)的典型路面結(jié)構(gòu)。

［1］ 周 謙.基于氣候交通特點的瀝青路面結(jié)構(gòu)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

［2］ 喬 偉.湖北省干線公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2008.

［3］ 楊永紅.甘肅黃土地區(qū)高等級公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2002.

［4］ 邵勝子.甘肅省農(nóng)村公路典型病害防治與管養(yǎng)對策［D］.西安:長安大學(xué)，2009.

［5］ 陳福豐.開普封層在重慶市縣鄉(xiāng)公路中的應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2009.