瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應模型驗證及分析

李美杰 ，李志超，楊紅鎖

(1.山東交通學院土木工程學院，山東濟南 250357； 2.山東公路技師學院，山東濟南 261053；3.山西路杰公路工程技術(shù)咨詢有限公司，山西太原 030012)

瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應模型驗證及分析

李美杰1，李志超2，楊紅鎖3

(1.山東交通學院土木工程學院，山東濟南 250357； 2.山東公路技師學院，山東濟南 261053；3.山西路杰公路工程技術(shù)咨詢有限公司，山西太原 030012)

在移動荷載作用下研究瀝青路面的動力響應是掌握路面結(jié)構(gòu)行為的前提條件，由室內(nèi)試驗所得數(shù)據(jù)確定材料參數(shù)，選取合理的瀝青路面結(jié)構(gòu)，借助有限元軟件Abaqus建立瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，將汽車荷載簡化為移動的均布荷載，用8節(jié)點等參元模擬路面結(jié)構(gòu)，分析在標準動態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的應變響應,并且在試驗路段埋設(shè)傳感器，實測路面結(jié)構(gòu)應變，驗證模型的可靠性。

瀝青路面；有限元；動態(tài)響應；移動荷載；驗證模型

近年來我國高速公路發(fā)展較快，瀝青路面早期破壞現(xiàn)象日益突出，現(xiàn)有的路面檢測手段只能檢測瀝青路面表面的損壞程度，得不到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞信息，無法正確推斷路面結(jié)構(gòu)損壞的原因和具體掌握路面結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律。很多學者建立相應的路面結(jié)構(gòu)模型，研究路面結(jié)構(gòu)的力學響應。文獻[1]通過數(shù)值分析方法，建立路面結(jié)構(gòu)有限元模型，研究路面動力響應；文獻[2-5]利用彈性力學原理建立移動荷載下層狀體系的動力學模型，但該模型未經(jīng)過試驗路的檢測和驗證。文獻[6]分析了車輛軸重和胎壓對路面結(jié)構(gòu)動力響應的影響，建立移動荷載下粘彈性層狀體系動力學模型，但未研究土基模量對豎向位移的影響。上述研究大多是建立在理論分析的基礎(chǔ)上，由于理論分析存在諸多簡化并缺少試驗驗證，使部分結(jié)論存在一定的缺陷，為了真實模擬車輛的實際運行情況，深入分析實際車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學響應規(guī)律，本文通過加速加載試驗模擬實際的車輛運行情況，將試驗路段的參數(shù)帶入模型中進行計算分析，分析各結(jié)構(gòu)層在動荷載作用下的應變變化情況，與實際測得的數(shù)據(jù)進行比較，驗證模型的合理性，為改進路面結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化路面材料設(shè)計和施工工藝、預測瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提供參考。

1 足尺加速加載試驗

1.1試驗路段設(shè)計

該瀝青路面結(jié)構(gòu)試驗路段修建于山東交通學院實驗室內(nèi)，鋪筑在水泥混凝土砌筑的試槽內(nèi)。試槽長度約30 m，寬度約5 m，試槽具有足夠的寬度，可消除因槽壁較窄對路面應力分布的影響。按照路基、基層和面層施工技術(shù)規(guī)范進行試驗路質(zhì)量的控制、施工。為了保證試驗路面和實際路面的結(jié)構(gòu)接近，試驗路段選用當?shù)馗咚俟方ㄔO(shè)所用的材料。瀝青混凝土為AC-13瀝青混合料，瀝青試驗路面結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 試驗路面結(jié)構(gòu)

1.2路面?zhèn)鞲衅髀裨O(shè)方案

在面層層底埋設(shè)瀝青應變儀，測量行車荷載和環(huán)境因素作用下瀝青面層底部的縱向應變。面層底部及路表埋設(shè)溫度傳感器，實時檢測路面溫度和空氣溫度，路面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D1所示。

圖1 路面?zhèn)鞲衅鞯牟贾?/p>

1.3荷載的選擇

行車荷載采用半軸雙輪組80 kN，胎壓為0.7 MPa，實現(xiàn)單向循環(huán)加載，運行速度為28 km/h。圖2為結(jié)構(gòu)面層水平縱向應變時間歷程曲線。

圖2 瀝青面層底部縱向應變時程變化

由圖2知，在車輛移動荷載作用下，瀝青面層底部一點的動力應變響應為拉應變和壓應變交替變化，車輪駛近此點時面層底部呈現(xiàn)壓應變狀態(tài)，至此點時呈現(xiàn)較大的拉應變狀態(tài)，車輪駛離時呈現(xiàn)壓應變狀態(tài)，并且車輪接近此點的壓應變明顯大于離開此點時的壓應變。由圖2可知，最大拉應變?yōu)?0×10-6，最大壓應變?yōu)?8×10-6，最大拉應變?yōu)樽畲髩簯兊?.9倍。常規(guī)的疲勞試驗中，在車輛荷載作用下瀝青面層底部只有拉應變。本試驗結(jié)果顯示，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)水平拉應變與壓應變交替變化，雖然壓應變變化幅度較小，但這種交替變化更容易破壞瀝青路面結(jié)構(gòu)。因此，僅僅以瀝青面層底部拉應變?yōu)榭刂浦笜诉M行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是不合理的，應以最大拉應變與最大壓應變(與最大波峰相鄰的最低波谷點)絕對值之和作為控制指標。

表2 模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1路面材料參數(shù)的確定

采用有限元方法分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)的動力響應及結(jié)構(gòu)參數(shù)。路面的邊界條件、結(jié)構(gòu)的尺寸及各層的材料性質(zhì)如下：模型沿行車方向兩斷面(沿y軸方向)及垂直于行車方向兩斷面(沿x軸方向)的位移為0，底面(z=0)為完全固定。半剛性瀝青路面模型尺寸為8.0 m(縱向)×2.0 m(橫向)×1.2 m(豎向)，為實際路面結(jié)構(gòu)的1/2。各層根據(jù)實際設(shè)計采用不同的材料屬性，路面模型的參數(shù)見表2。

2.2移動荷載的模擬

圖3 加載方式示意圖

隨著高速公路的發(fā)展，車輛的速度也逐漸加快，采用靜載模擬難以正確顯示車輛在路面上的行駛狀態(tài)，分析結(jié)果將出現(xiàn)較大的誤差。動態(tài)荷載的模擬一般有3種方法：采用Fourier級數(shù)、功率譜密度函數(shù)PSD、半正弦波模擬[7-8]。本文采用比較簡單的半正弦波動荷載模擬實際車輛荷載，移動帶上的每一個小矩形(小矩形的長度約為輪胎長度的1/3)受到的行車荷載可看成半正弦波變化(圖3)，移動荷載有大小和方向，荷載位置通過設(shè)置在不同的時間下荷載位于移動帶上不同的單元來確定，初始狀態(tài)荷載占據(jù)第1個小矩形的面積(即圖4中①)。荷載在移動過程中沿移動帶逐漸向前移動，在建模過程中通過設(shè)置若干步，荷載經(jīng)過每步的時間為正弦波的1.5個周期，當每步結(jié)束時荷載在移動帶上向前移動1個小矩形面積。如第1步結(jié)束時,荷載離開矩形①，占據(jù)面積為矩形②；行車速度通過設(shè)置半正弦函數(shù)在②單元上的持續(xù)時間來實現(xiàn)。移動荷載在任一單元的時程變化如圖4所示。

2.3模型的驗證

圖4 移動帶細分圖

圖5 瀝青層底縱向應變隨時間變化曲線

取有限元的部分模型進行分析，圖5給出了在移動荷載作用下瀝青面層底部應變隨時間的變化情況。由圖5可以看出，此位置的應變交替變化，比現(xiàn)場測得的應變變化頻率小，這可能與建模時阻尼的設(shè)置有關(guān)。車輪在經(jīng)過此點時出現(xiàn)先壓后拉的情況，最大拉應變?yōu)?4×10-6，最大壓應變?yōu)?5×10-6，與實際測得的結(jié)果幾乎一致。由此可知，模型可以用來分析移動荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應。

2.4計算結(jié)果分析

根據(jù)建立的模型得出最大豎向壓力隨著深度的變化規(guī)律如圖6所示，路面結(jié)構(gòu)的豎向應力隨時間的變化曲線見圖7所示。

圖6 最大豎向壓應力空間分布

由圖6、7知，隨著路面深度的增加，壓應力逐漸變小，在路面結(jié)構(gòu) 0～4 cm范圍內(nèi)，應力的變化幅度較小，而典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)實際應力的變化幅度較大，這可能因為鋪筑的面層較薄使得應力的變化幅度較小。由圖7可知，當荷載勻速經(jīng)過時，最大垂直應力位于瀝青面層，隨深度增加而減小，但減小的速度較緩慢，這與典型瀝青路面結(jié)構(gòu)最大垂直應力變化有所不同，具體原因與瀝青混合料本身復雜的力學性質(zhì)有關(guān)。總之，在進行路面鋪筑時，為防止出現(xiàn)進一步壓實造成的車轍，一定要注意瀝青上面層的壓實質(zhì)量。

圖7 豎向壓應力時程圖

豎向位移(彎沉)是我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中一個重要的力學指標，能夠反映路面整體承載能力和使用狀況。根據(jù)模型得出路面結(jié)構(gòu)不同深度處最大豎向位移的變化曲線如圖8所示，路面結(jié)構(gòu)每層的最大豎向位移隨時間變化曲線如圖9所示。由圖8、9知，隨著路面深度的增加，豎向位移逐漸變小，特別是在土基層斜率大、變化快。在移動荷載作用下，土基層以上各層的豎向位移時程變化曲線規(guī)律一致，瀝青表面層位移最大，為 0.62 mm，因此在面層鋪筑時注意控制施工溫度，提高面層的壓實度。隨著深度的加大，位移越來越小，土基頂面處為0.4 mm。在路表彎沉中由土基引起的彎沉約占整體的65%，所以，為了有效的降低路表彎沉，在施工中必須提高路基土的壓實度。

圖8 最大豎向位移空間分布圖

圖9 彎沉時程圖

圖10 土基模量對路表彎沉峰值的影響

根據(jù)現(xiàn)場的加速加載試驗路段采集的動態(tài)彎沉數(shù)據(jù)，繪制成彎沉盆反算模量，將土基模量帶入模型計算中，繪制的曲線如圖10所示。由圖10可知,土基模量對路表彎沉峰值的影響很大，土基模量從80 MPa變?yōu)?00 MPa，彎沉峰值下降了27%，面層彎沉峰值明顯下降。且伴隨著土基模量的增大，路表彎沉減小的幅度越來越小，土基模量增加到一定程度后，對降低彎沉作用有所減緩。

3 結(jié)論

基于瀝青路面加速加載試驗路面結(jié)構(gòu)，建立了移動荷載作用下瀝青路面三維動態(tài)有限元模型，通過實測數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性。由模型的計算結(jié)果得出豎向應力、豎向位移的空間分布情況，得出以下結(jié)論：1)路面結(jié)構(gòu)的應變響應在車輛移動荷載作用下具有明顯的波動性，在進行瀝青混凝土路面疲勞壽命分析時，要考慮面層拉壓應變的交替作用。因此在進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，建議以最大拉應變與最大壓應變之差作為控制指標。2)在車輛移動荷載作用下，面層的豎向位移最大，但路表彎沉中由土基引起的彎沉約占整體的65%，所以，為了有效降低路表彎沉，在施工中必須提高路基土的壓實度。3)隨著土基模量的提高，面層彎沉峰值明顯下降，但土基模量增加到一定程度后，對降低彎沉作用有所減緩，在施工時可以通過加固地基(換填土、輾壓夯實、排水固結(jié))來提高土基的模量。

[1]張宏超,孫立軍.瀝青路面早期損壞的現(xiàn)象與試驗分析[J].同濟大學學報：自然科學版,2006,34(3):331-334.

[2]SIDDHARTHAN R V, YAO Jian, SEBAALY P E .Pavement Strain From Moving Dynamic 3D Load Distribution[J].Journal of Transportation Engineering,1998,120(6):557-566.

[3]SIDDHARTHAN R V, SEBAALY P E, EL-DESOUKY M, et al. Heavy Off-Road Vehicle Tire-Pavement Interactions and Response[J]. Journal of Transportation Engineering, 2005,131 (3) :239-247.

[4]SIDDHARTHAN R V, EL-MOUSLY M, SEBAALY P E ,et al. Investigation of Tire Contact Stress Distributions on Pavement Response[J]. Journal of Transportation Engineering, 2002,128 (2) :135-144.

[5]EL-DESOUDY M. Further Developments of 3D Move and its Engineering Applications[D].Reno:University of Nevada,2003.

[6]董忠紅，呂彭民.交通荷載下瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應理論研究[J].鄭州大學學報：工學版,2007,28(4)：88-91,95.

[7]鄧學鈞,孫璐.車輛地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學[M].北京:人民交通出版社, 2000.

[8]蘭輝萍,李德建.高速公路路基的動力響應分析[J].西部探礦工程, 2003 (8): 160-162.

(責任編輯：郎偉鋒)

VerificationandAnalysisofDynamicResponseModelofAsphaltPavementStructure

LIMei-jie，LIZhi-chao2,YANGHong-suo3

(1.CollegeofCivilEngineering，ShandongJiaotongUniversity，Jinan250357,China; 2.ShandongHighwayTechnicianCollege,Jinan261053,China;3.ShanxiLujieHighwayEngineeringConsultingCo.Ltd.,Taiyuan030012,China)

The study of the asphalt pavement dynamic response under the moving load is the prerequisite of pavement structural behavior. Based on the material parameters determined by laboratory tests, the asphalt pavement structure selected correctly, the establishment of asphalt pavement structure model by means of the finite element software Abaqus, the uniformly distributed moving load simplified from the vehicle load, and the

simulation pavement structure by using the eight node isoparametric elements, this article analyzes the dynamic responses of the pavement structure under the standard strain loads and tests the reliability of the verification model of the pavement structure strain through the sensors buried in the experimental section.

asphalt pavement; finite element; dynamic response; moving load; verification model

2013-12-26

交通運輸部應用基礎(chǔ)研究項目(2011319817408)

李美杰( 1986—)， 女，山東煙臺人，山東交通學院碩士研究生，主要研究方向為港航路橋與隧道工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.011

U416.217

A

1672-0032(2014)01-0049-04