車載作用下飽水瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)

曹 兵，梁 楠，黃 俊，潘 昕

1.安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，蕪湖，241000； 2．武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢，430070

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車載作用下飽水瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)

曹 兵1，梁 楠1，黃 俊2，潘 昕2

1.安徽工程大學(xué)建筑工程學(xué)院，蕪湖，241000； 2．武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢，430070

為了研究水-荷載耦合作用下路面的力學(xué)行為，首先建立飽和瀝青路面的有限元模型，并給出邊界條件、荷載形式以及材料參數(shù)；然后分析在行車荷載作用下，飽水狀態(tài)瀝青路面的最大孔隙水壓力、豎向位移以及剪應(yīng)力的分布情況。分析表明，路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)均有較大變化，正負(fù)交替的孔隙水壓力會(huì)造成瀝青集料的嚴(yán)重剝落，各面層結(jié)構(gòu)中的豎向位移變化基本一致，剪應(yīng)力分布較為集中，有可能使路面出現(xiàn)嚴(yán)重的車轍破壞。

瀝青路面；動(dòng)力響應(yīng)；水-荷載耦合;有限元分析

瀝青路面是我國(guó)公路路網(wǎng)的主要路面結(jié)構(gòu)型式，雖然它作為一種無(wú)接縫的連續(xù)路面具有行車振動(dòng)小、噪聲低、養(yǎng)護(hù)方便、行車舒適等眾多優(yōu)點(diǎn)，但路面的破壞情況同樣非常突出，尤其是早期的破壞，通常使得路面路面普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)的使用壽命[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了研究，但對(duì)飽和水瀝青路面的研究還較少，已有研究結(jié)果表明，水是造成瀝青路面破壞的關(guān)鍵因素[3-10]。水損害是指剛修筑完成的路面結(jié)構(gòu)，由于水分滲入后不能及時(shí)排出，行車荷載和溫度的反復(fù)作用，使瀝青與集料相剝離，造成路面強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致一系列松散、坑槽、車轍等破壞。水損害會(huì)對(duì)行車過(guò)程帶來(lái)極大的安全隱患，而且會(huì)消耗巨大的維修成本。因此，研究飽水狀態(tài)的瀝青路面在孔隙水-行車荷載耦合作用下應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)了解路面的破壞機(jī)制是十分必要的，同時(shí)對(duì)改善技術(shù)措施、完善路面性能、消除早期破壞、延長(zhǎng)使用壽命，具有十分重要的意義。本文采用ANSYS有限元軟件模擬飽水狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)，并通過(guò)施加行車荷載，對(duì)路面結(jié)構(gòu)在水-應(yīng)力耦合作用下的孔隙水壓力、剪應(yīng)力、豎向位移等指標(biāo)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1 有限元模型的建立

1.1 模型與邊界條件

為保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，避免過(guò)多的計(jì)算量，分析模型采用3 m×3 m的二維平面模型，結(jié)構(gòu)層厚度自上而下分別為上面層0.04 m、中面層0.06 m、下面層0.08 m、基層0.36 m、底基層0.20 m、土基2.26 m，計(jì)算模型中面層和基層均采用彈性模型，土基采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型[4]，最終建立有限元模型(圖1)。

圖1 有限元模型

模型邊界條件設(shè)為：模型的下邊界水平向和豎向均固定且不透水；模型的左右邊界水平向固定，但豎向可以自由移動(dòng)且不透水；模型的上邊界水平向固定，但豎向自由，除加載區(qū)間不透水外，其余區(qū)間段均透水。

1.2 行車荷載

荷載的形式多種多樣，車輪尺寸、輪胎的紋理等都會(huì)影響荷載的類型與大小。由于圓形均布荷載與普通車輛車輪的實(shí)際情況比較吻合，故我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中車輛荷載簡(jiǎn)化為雙圓均布垂直荷載[6]，如圖2。

圖2 車輪荷載模型

在模擬行車荷載時(shí)，采用正弦荷載的形式，圓均布垂直荷載最大值為Pmax=0.7 MPa，單次行車的作用時(shí)間為T，在分析時(shí)段的任意時(shí)刻，均布荷載值函數(shù)為如(1)式[7]。以90 km/h的時(shí)速作為標(biāo)準(zhǔn)，荷載作用時(shí)間為0.05 s，分析時(shí)段取T=0.25 s。

(1)

1.3 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

將面層為三層的高等級(jí)瀝青混凝土路面取為分析對(duì)象，面層瀝青混凝土自上而下分別為上面層、中面層、下面層，基層和底基層分別采用水泥穩(wěn)定碎石和級(jí)配碎石，最下面為土基。路面結(jié)構(gòu)模型各層的密度、泊松比、彈性模量及飽和滲透系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)各層參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 孔隙水壓力的豎向分布

圖3、圖4分別為孔隙水壓力達(dá)到最大時(shí)的等值分布云圖以及各面層中部和底部最大孔隙水壓力的歷程曲線。由圖3可知，當(dāng)車輛駛過(guò)時(shí)，飽和路面結(jié)構(gòu)中的孔隙水壓力主要分布在面層結(jié)構(gòu)中。由圖4可看出，瀝青路面結(jié)構(gòu)各層中的孔隙水壓力隨行車荷載的變化大致呈正弦變化趨勢(shì)，當(dāng)時(shí)間t=0.0075s時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到正向最大值，隨后孔隙水壓力開(kāi)始回落；當(dāng)時(shí)間t=0.025s，此時(shí)行車荷載達(dá)到最大，孔隙水壓力降至零；當(dāng)時(shí)間區(qū)間為0.025s至0.05s時(shí)，此階段為逐漸卸荷的過(guò)程，孔隙水壓力為負(fù)向，且逐漸增加；當(dāng)t=0.05s時(shí)，孔隙水壓力達(dá)到負(fù)向最大，在卸荷的瞬間，孔隙水壓力大幅度回落，最終降至零。不同面層結(jié)構(gòu)中最大孔隙水壓力至上而下逐漸增加，其中正向和負(fù)向最大孔隙水壓力峰值均出現(xiàn)在下面層底部，分別為81.532KPa和-83.911KPa，而最小孔隙水壓力峰值出現(xiàn)在上面層中部，分別為4.7766KPa和-4.3544KPa。

圖3 最大孔隙水壓力分布

圖4 孔隙水壓力歷程曲線

2.2 豎向位移的分布

瀝青路面結(jié)構(gòu)的豎向變形是路面結(jié)構(gòu)破壞的重要判別準(zhǔn)則。圖5、圖6分別為豎向位移達(dá)到最大時(shí)的等值分布云圖以及荷載作用下面層各部位最大豎向位移隨時(shí)間變化的歷程曲線。從圖5、圖6可以看出，隨著荷載的逐漸增加各結(jié)構(gòu)層的豎向位移也逐漸增加，但結(jié)構(gòu)層位移的峰值并不出現(xiàn)在荷載最大的時(shí)刻(t=0.025s)，而出現(xiàn)在此時(shí)刻之后t=0.0275s時(shí)，這說(shuō)明路面的豎向位移隨時(shí)間的作用略微有些“遲鈍”，類似于慣性的作用。當(dāng)路面結(jié)構(gòu)達(dá)到豎向位移最大值之后會(huì)隨著荷載的減小而逐漸下降，當(dāng)荷載達(dá)到零即時(shí)間t=0.05s時(shí)，豎向位移逐漸趨于零。面層結(jié)構(gòu)各部位的豎向位移最大值自上而下逐漸減小，上面層中部位移最大值為56.567/0.01mm，而下面層底部位移最大值為54.06/0.01mm，由此可看出差距不大。

圖5 最大豎向位移分布

圖6 豎向位移歷程曲線

2.3 最大剪應(yīng)力的分布

圖7、圖8分別為路面內(nèi)剪應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)的等值分布云圖以及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力在行車荷載作用下隨時(shí)間變化的歷程曲線。從圖7、圖8可以看出，剪應(yīng)力主要集中在行車荷載作用面以下面層與基層交匯附近的區(qū)域，但其值則向荷載作用范圍以外以及底基層明顯擴(kuò)散。剪應(yīng)力是路面形成裂縫和不平整波浪的主要原因，面層中的剪應(yīng)力隨行車荷載的增加而增加，并在t=0.25s時(shí)達(dá)到剪應(yīng)力峰值，之后隨荷載的減小而逐漸衰減至零。下面層底部剪應(yīng)力最大值可達(dá)到229.99KPa，而上面層中最大值約為67.978KPa。剪應(yīng)力主要集中在行車荷載作用面以下面層與基層交匯附近的區(qū)域，但其值則向荷載作用范圍以外以及底基層明顯擴(kuò)散，由此可見(jiàn)，相對(duì)于基層以下部位而言，面層結(jié)構(gòu)中的剪應(yīng)力分布相對(duì)較為集中，當(dāng)車流量較大時(shí)，行車荷載反復(fù)作用很容易導(dǎo)致作用部位的車轍、剪裂等破壞，因此，提高面層結(jié)構(gòu)的抗剪能力，對(duì)防止路面發(fā)生破壞十分有效。

圖7 最大剪應(yīng)力分布圖

圖8 最大剪應(yīng)力歷程曲線

3 結(jié) 論

本文通過(guò)建立車載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)在飽水狀態(tài)下的有限元模型，模擬分析出了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙水壓力、剪應(yīng)力、豎向位移等的時(shí)程變化以及分布情況，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析，得出如下結(jié)論：

(1)飽和瀝青路面的面層結(jié)構(gòu)中，孔隙水壓力正負(fù)交錯(cuò)變化較大，其數(shù)值大致呈正弦變化趨勢(shì)，這種正負(fù)向變化的孔隙水壓力會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成往復(fù)的沖刷和擠漲，很容易使瀝青混合料失去粘接作用，繼而導(dǎo)致路面破壞。

(2)路面結(jié)構(gòu)的豎向位移大致與行車荷載的加載規(guī)律相同，但位移的變化又相對(duì)“滯后”于車輛荷載的施加，類似于慣性作用。位移峰值出現(xiàn)在行車荷載峰值之后，而當(dāng)行車荷載卸荷時(shí)，路面變形也會(huì)“緩慢”消失。

(3)路面結(jié)構(gòu)中剪應(yīng)力的分布主要集中在行車荷載以下面層底部與基層交接的部位，且向四周逐漸擴(kuò)散，剪應(yīng)力的變化基本同荷載值的變化相一致。

剪應(yīng)力的出現(xiàn)會(huì)使路面出現(xiàn)車轍，因此，在對(duì)路面進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工時(shí)都應(yīng)該采取措施對(duì)路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度予以保證。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.02.026

2016-11-21

安徽自然科學(xué)基金項(xiàng)目“焊接新組合式異形鋼管混凝土力學(xué)性能研究”(1708085QE121);安徽高等教育提升計(jì)劃項(xiàng)目“組合式異形鋼管約束混凝土等效本構(gòu)關(guān)系研究”(TSKJ2016B25);安徽工程大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目“組合式異形鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能研究”(2015YQQ013);安徽省省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“組合式異形鋼管約束混凝土等效本構(gòu)關(guān)系研究”(201610363116)。

曹兵(1988-)，安徽安慶人，博士，講師，研究方向：鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)。

TU111

A

1673-2006(2017)02-0106-04