徐廣富
摘? ?要:本文研究路面結(jié)構(gòu)在荷載下的影響。路面結(jié)構(gòu)的分析道路設(shè)計(jì)的一個(gè)傳統(tǒng)的課題,彈性層狀體系是目前應(yīng)用較為廣泛的理論,但是該理論也存在較為明顯的缺點(diǎn),例如土基是彈塑性模型等,瀝青砼也可以考慮采用蠕變模型,傳統(tǒng)的力學(xué)分析在應(yīng)對(duì)這些變化的時(shí)候的靈活性較差。本文采用較為數(shù)值分析軟件進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析。FLAC3D軟件可以采用多種模型組合,受力分析合理,也是一種較為可靠的力學(xué)分析方法。FLAC軟件采用有限差分法計(jì)算,本次分析為簡(jiǎn)化模型,采用彈性模型模擬各路面結(jié)構(gòu)層。本次模擬了單軸雙輪、單軸四輪載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響,并研究彈性范圍內(nèi)路基深度的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。模擬的結(jié)果較好的反應(yīng)了各種反應(yīng)狀況,取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。FLAC3D軟件是一種有效分析路面結(jié)構(gòu)的軟件。路面結(jié)構(gòu)是一種隨荷載數(shù)量、路基深度變化較為明顯的結(jié)構(gòu)體系。
關(guān)鍵詞:路面結(jié)構(gòu)分析? FLAC3D軟件? 數(shù)值分析
中圖分類號(hào):U416? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào):1674-098X(2019)12(a)-0051-03
瀝青混凝土路面指的是采用連續(xù)式或分批式拌合成的瀝青混凝土作面層的路面。經(jīng)人工選配具有一定級(jí)配組成的礦料(碎石或軋碎礫石、石屑或砂、礦粉等)與一定比例的路用瀝青材料,在嚴(yán)格控制條件下拌制而成的混合料。
路面結(jié)構(gòu)分析道路設(shè)計(jì)中較為重要的部分,目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析一般采用的彈性層狀體系理論,受該理論假設(shè)的影響,目前的力學(xué)分析一般局限于傳統(tǒng)的彈性力學(xué)范疇。
本次采用FLAC3D軟件模擬路面、路基在車輛車載受水平、豎向荷載時(shí)的受力狀態(tài)。為簡(jiǎn)化計(jì)算,本次數(shù)值分析采用彈性模型。
1? 模型分析
本次分析路面結(jié)構(gòu)在車輛水平和豎向荷載條件下的受力情況。如圖1所示。
2? 程序分析過(guò)程
本次分析分別對(duì)單周雙輪組、單軸單輪組荷載進(jìn)行了分析和模擬,模擬車輛在靜止?fàn)顟B(tài)及路口急剎車的狀態(tài)。
3? 瀝青砼路面計(jì)算理論研究分析
3.1 瀝青砼計(jì)算原理
瀝青砼目前的計(jì)算均以彈性層狀體系理論為依據(jù),將車輛荷載簡(jiǎn)化為雙圓垂直均布荷載,對(duì)瀝青砼面層和整體材料的基層、底基層進(jìn)行層底拉應(yīng)力驗(yàn)算,必要時(shí)進(jìn)行瀝青面層剪應(yīng)力驗(yàn)算。
單輪承壓面當(dāng)量圓直徑d=21.3cm,兩輪中心距1.5d,標(biāo)準(zhǔn)軸載100kPa,接地壓強(qiáng)0.7MPa。如圖2所示。
3.2 瀝青砼計(jì)算模型假設(shè)
半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)進(jìn)行了如下的簡(jiǎn)化:
(1)各層連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈性體,位移及形變微小;(2)水平及垂直向下方向無(wú)限大;(3)無(wú)限遠(yuǎn)處,形變、位移、應(yīng)力變化值均為0;(4)不計(jì)自重。但本次數(shù)值分析考慮材料自重。
3.3 其他影響因素
合理選擇相鄰結(jié)構(gòu)層之間的模量比,以各層模量比控制在3左右為最好。考慮瀝青砼的工作性,盡量按照強(qiáng)度和剛度自上而下逐層遞減原則設(shè)計(jì)。
4? 數(shù)值分析原理
FLAC3D作為一款優(yōu)秀的巖土專用分析軟件,具有12種巖土本構(gòu)模型、八種蠕變模型、三種流體、兩種熱力學(xué)模型。該軟件可以同時(shí)融合靜力、動(dòng)力、溫度、滲流的耦合計(jì)算,同時(shí)也可以模擬較為復(fù)雜的工程力學(xué)行為。同時(shí)FLAC3D的大變形的計(jì)算能力也較為突出,故選用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析是較為合適的。
數(shù)值分析可以有效的揭示各層材料的受力狀態(tài),同時(shí)可以在不增加較多費(fèi)用的情況下多狀態(tài)、反復(fù)的數(shù)值分析,深刻揭示路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),變形規(guī)律等。
5? 數(shù)值分析
5.1 數(shù)值分析
(1)模型分析。
分析標(biāo)準(zhǔn)軸載狀態(tài)下的路面結(jié)構(gòu)的受力云圖。
(2)數(shù)值分析取值。
為簡(jiǎn)化分析,本次模擬中僅考慮路面、路基在彈性范圍內(nèi)的變形特點(diǎn),對(duì)模型中各層材料均采用彈性模型。下表中數(shù)據(jù)為本次模擬采用的數(shù)據(jù)。
對(duì)模型的邊界均進(jìn)行了約束,對(duì)材料按照密度進(jìn)行賦值。
模擬的荷載采用車輪荷載,模擬輪胎的接地面積0.2m2×0.2m2,豎向荷載采用-0.707e6MPa;根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果,水平荷載與輪胎形狀、路面特性、路基干濕狀態(tài)、車速等有關(guān),甚至可以達(dá)到豎向荷載的95%,本次分析根據(jù)該成果進(jìn)行荷載取值。
(3)網(wǎng)格劃分。
考慮網(wǎng)格劃分尺寸對(duì)受力分析的影響,第二個(gè)影響因素是考慮劃分的網(wǎng)格對(duì)加載面的影響。目前的彈性層狀理論將車輛荷載考慮為圓形荷載,但是車輛輪胎是矩形,受力呈現(xiàn)中間高,兩側(cè)低的特點(diǎn),采用矩形模擬該受力分布更加合理,但是考慮到本次研究的特點(diǎn),采用了均布矩形荷載的方式。故對(duì)應(yīng)荷載的特點(diǎn),網(wǎng)格劃分采用了矩形劃分的方式。如圖3所示。
長(zhǎng)寬各采用4m,各劃分為40個(gè)網(wǎng)格。深度根據(jù)分析深度適當(dāng)簡(jiǎn)化網(wǎng)格,總厚度1.76m和3.76m兩種。
對(duì)于側(cè)面和底面均進(jìn)行了模型約束。
(4)豎向受力狀態(tài)分析,如圖4、5所示。
通過(guò)模擬雙輪和四輪狀態(tài)的受力分析模型,可以看出在靜止?fàn)顟B(tài)下的SZZ受力云圖(見(jiàn)圖4和圖5),四輪受力是互相影響的,并且四輪對(duì)沉降變形的影響比雙輪狀態(tài)高,應(yīng)考慮四輪疊加影響的作用。
圖6通過(guò)對(duì)比土基深度1米和3米狀態(tài),可以看出同樣是四輪狀態(tài),處于彈性狀態(tài)的路基的沉降受土層深度影響較大,沉降量明顯增大。
(5)水平荷載影響
考慮到停車和啟動(dòng)時(shí)候的荷載影響,特別是考慮緊急剎車狀態(tài)下,車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載,剎車時(shí)產(chǎn)生的水平荷載可以達(dá)到車輛豎向荷載的95%,根據(jù)該研究成果,豎向荷載采用-0.707e6 MPa,水平向荷載采用0.672e6 MPa。本次分析豎向和水平向荷載同時(shí)作用下的道路路面變形特點(diǎn)。
根據(jù)豎向位移(變形)云圖(圖7、8)顯示,路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的變形,車輪前后較大范圍均產(chǎn)生了較大變形。
6? 結(jié)論與展望
6.1 結(jié)論
①FLAC3D軟件可以較好的分析路面結(jié)構(gòu)在車輛車載作用下的變形特點(diǎn)。
②數(shù)值分析過(guò)程中同樣分析了X、Y、Z方向的單向位移影響,最大、最小應(yīng)力等多種受力狀態(tài)等,都表現(xiàn)出了同樣的趨勢(shì),本次的模擬是較為成功的。
③采用數(shù)值分析可以較為可靠的多工況、多方案比選,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù),對(duì)比應(yīng)力云圖得出合理的方案。
6.2 展望
①由于篇幅限制,對(duì)于本次模擬、計(jì)算過(guò)程中的多處環(huán)節(jié)進(jìn)行了省略。
本次模擬限于條件限制,對(duì)車輛車載產(chǎn)生的動(dòng)荷載沒(méi)有進(jìn)行模擬分析,可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的動(dòng)荷載或相關(guān)資料的研究成果展開(kāi)動(dòng)荷載分析研究。
②由于工地、試驗(yàn)等條件限制,本次數(shù)值模擬采用了最簡(jiǎn)單的彈性模型,實(shí)際上土體本身可以可以考慮多種模型組合,例如摩爾-庫(kù)倫模型、粘塑性模型、修正劍橋模型等其他的優(yōu)秀彈、塑性模型等,更加合理的模擬工程變化的規(guī)律。
參考文獻(xiàn)
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