某高速公路瀝青路面維修處治方案有限元分析

王必賢 趙 婷

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410076;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430100)

1 概述

我國(guó)已經(jīng)基本完成高速公路網(wǎng)的建設(shè)，瀝青路面以其行車舒適，維修方便和通車快等特點(diǎn)成了中后期高速公路的主要形式，由于我國(guó)超載超限問(wèn)題十分嚴(yán)重且普遍，新建公路很快便產(chǎn)生了早期破壞，最具代表性的就是車轍，路面產(chǎn)生車轍后使得車輛行駛時(shí)難以操控，威脅行車安全，而且會(huì)導(dǎo)致路面積水，滲入基層造成路面結(jié)構(gòu)破壞，縮短瀝青路面使用壽命?，F(xiàn)在車轍已經(jīng)成為路面養(yǎng)護(hù)工程中最重要環(huán)節(jié)之一。車轍深度達(dá)到一定程度時(shí)，就只能銑刨后重新罩面，但對(duì)罩面的日后的效果和維持時(shí)間沒(méi)有進(jìn)行定量的分析與預(yù)測(cè)，因此采用有限元方法研究分析對(duì)瀝青路面車轍采取處治措施之后的效果，為日后的養(yǎng)護(hù)工作提供參考和借鑒，具有十分重要的意義。

2 加鋪層路面結(jié)構(gòu)類型選擇

對(duì)高等級(jí)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，一般常用的方法是以公路等級(jí)、交通量、公路技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果(路面破損PCI、路面平整度RQI、路面車轍RDI、抗滑性能SRI和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度PSSI)等為依據(jù)，同時(shí)以路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI為控制指標(biāo)，再結(jié)合具體情況(如抗滑性能，車轍深度等)制定養(yǎng)護(hù)維修方案。本文采用某高速公路的8種典型路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，其結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

表1 8個(gè)路面車轍處治方案

3 路面材料參數(shù)選擇

本文采用ABAQUS有限元軟件的蠕變分析方法，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的車轍的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行模擬。加鋪瀝青混合料的蠕變參數(shù)和彈性模量均通過(guò)試驗(yàn)得到，如表2所示，而對(duì)于不加鋪部分，則認(rèn)為該層不參與路面結(jié)構(gòu)的車轍變形，故只用彈性模量進(jìn)行模擬。

4 荷載作用時(shí)間

建立有限元模型時(shí)，按照荷載應(yīng)力等效原則，將雙圓均布荷載換算成矩形荷載:輪跡長(zhǎng)×寬=19.2 cm×18.6 cm，間隙12.8 cm，荷載的累積作用時(shí)間按下式計(jì)算:

式中:t——荷載累積作用時(shí)間，s;

N——輪載作用次數(shù)，次;

P——車輛軸重，kN;

nw——軸的輪數(shù)，個(gè);

p——輪胎接地壓力，MPa;

B——輪胎接地寬度，cm;

v——行車速度，km/h。

根據(jù)上述公式計(jì)算，可得一次軸載作用時(shí)間為0.008 64 s。

表2 瀝青混合料的蠕變參數(shù)和彈性參數(shù)

5 車轍深度數(shù)值模擬結(jié)果分析與比較

5.1 有限元分析結(jié)果

本文采用等參數(shù)四節(jié)點(diǎn)四邊形來(lái)構(gòu)建二維路面結(jié)構(gòu)模型，同時(shí)設(shè)置合理的邊界條件即左右無(wú)橫向位移，土基底面無(wú)豎向位移。同時(shí)采用楊氏彈性模量和蠕變特性來(lái)綜合模擬路面結(jié)構(gòu)的車轍變形，計(jì)算車轍深度。

圖1～圖4給出了加鋪AC-20和AC-25不同厚度中面層經(jīng)歷不同作用次數(shù)后的車轍深度，并建立關(guān)系式，如表3所示。

表3 瀝青重鋪厚度與車轍深度關(guān)系式

圖1，圖2關(guān)系曲線關(guān)于加鋪層厚度(cm)與車轍深度(mm)的關(guān)系曲線和相關(guān)系數(shù)如下。

圖1 瀝青銑刨層加鋪厚度與車轍深度關(guān)系曲線圖（AC-20中面層）

圖2 瀝青銑刨層加鋪厚度與車轍深度關(guān)系曲線圖（AC-25中面層）

同時(shí)比較不同工況下的曲線系數(shù)A和系數(shù)B如圖3，圖4所示。

圖3 系數(shù)和軸次關(guān)系曲線圖（AC-20）

圖4 系數(shù)和軸次關(guān)系曲線圖（AC-25）

由此可見(jiàn)，車轍深度為加鋪厚度、作用次數(shù)兩個(gè)參數(shù)共同作用的結(jié)果，對(duì)三者進(jìn)行回歸分析，得到它們之間的數(shù)學(xué)模型為:

式中:H——車轍深度，mm;

h——加鋪中面層的厚度，cm;

N——標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

5.2 維修后車轍深度最小的最優(yōu)方案

對(duì)于8個(gè)不同的方案，作用1 500萬(wàn)次后，其對(duì)應(yīng)的車轍深度如圖5所示。

圖5 1 500萬(wàn)軸次作用于不同路面方案的車轍深度圖

可以看出，所加鋪瀝青層越薄，車轍深度越小，車轍深度隨著加鋪厚度的增加而增加。同時(shí)加鋪AC-20方案的效果優(yōu)于AC-25方案和AC-20+AC-25的組合方案。

6 結(jié)語(yǔ)

1)本文通過(guò)有限元分析方法對(duì)8個(gè)不同加鋪方案的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行車轍模擬，分析車轍深度，作用次數(shù)和加鋪中面層厚度三者之間的關(guān)系，得到數(shù)學(xué)模型為:

其中，H為車轍深度，mm;h為加鋪中面層厚度，cm;A=a ln N+b;B=c ln N+d，N為標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

2)對(duì)經(jīng)歷過(guò)1 500萬(wàn)次作用的8個(gè)加鋪方案進(jìn)行計(jì)算，得到不同的車轍深度。結(jié)果表明，銑刨后加鋪瀝青層越薄，車轍病害越輕，隨著瀝青層厚度的增加，車轍反而越嚴(yán)重。而且加鋪AC-20中面層方案的抗車轍效果優(yōu)于AC-25和AC-20+AC-25的組合。

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