大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層層間有限元模擬分析

孟勇軍，蔣允田，陸宏新，邵明明

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西路建工程集團公司，廣西 南寧 530001)

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大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層層間有限元模擬分析

孟勇軍1，蔣允田1，陸宏新2，邵明明1

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.廣西路建工程集團公司，廣西 南寧 530001)

大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層分層施工使得基層由設(shè)計中的整體受力變?yōu)閮杀邮芰?，層間接觸的存在降低了基層的路用性能，從而降低了整個路面結(jié)構(gòu)的使用性能。文章采用有限元軟件ABAQUS，分別對兩種不同工況下(分層施工和全厚式施工)的大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層路面進行路表彎沉、面層底面和基層底面的最大主應(yīng)力、土基頂部最小主應(yīng)變及面層底面最大剪應(yīng)力等指標的有限元模擬，分析不同工況的大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層路面的荷載響應(yīng)。

大厚度；水泥穩(wěn)定碎石；層間接觸；彎沉值；最大主應(yīng)力；最小主應(yīng)變；最大剪應(yīng)力；有限元模擬

0 引言

水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面廣泛應(yīng)用于我國高等級公路建設(shè)中，隨著交通

軸載的增加，基層的厚度會達到30 cm以上。受鋪筑機械的限制，實際工程一般分層鋪筑，而分層鋪筑技術(shù)違背了路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中基層整體受力的設(shè)計理念，基層由整體受力變?yōu)閮杀邮芰?，在層間產(chǎn)生了嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了路面的使用性能和使用壽命[1][2]。隨著超寬幅攤鋪機和大噸位振動壓路機的出現(xiàn)，水泥穩(wěn)定碎石基層全厚式施工技術(shù)成為可能[3][4]。和大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層分層施工工藝相比，全厚式水泥穩(wěn)定碎石基層整體施工工藝具有優(yōu)于分層施工工藝的路用性能，本文以路表彎沉、面層底面和基層底面的最大主應(yīng)力、土基頂部最小主應(yīng)變及面層底面最大剪應(yīng)力等為指標，對分層施工工藝和全厚式工藝兩種工藝進行力學(xué)響應(yīng)分析。

1 力學(xué)分析模型

研究表明[5][6]，矩形荷載形式比目前瀝青路面設(shè)計規(guī)范所采用的圓形均勻分布荷載形式更能準確模擬輪胎與路面之間的相互作用，本文采用矩形作為輪胎與路面的接觸形狀。確定加載面為16.667×21.3 cm,兩加載面間距為31.95 cm[7]。車輪荷載采用標準軸載(100 kN單軸雙輪組荷載)，其上的面力為P=0.7MPa，車輛正常行駛時的水平荷載取F=λP，λ根據(jù)經(jīng)驗取為0.015，故而水平荷載F為0.010 5MPa。

本文對兩種工況的大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面進行分析模擬：工況一為35cm大厚度基層，分下18cm和上17cm分層施工工藝，考慮層間接觸，μ取0.5；工況二為大厚度基層全厚式施工工藝，并分別采用了35cm、33cm、31cm、29cm、27cm及25cm六個厚度進行對比。采用的模型的平面尺寸為3.81m×3.81m，厚度采用實際尺寸，幾何模型示意圖和網(wǎng)格劃分示意圖分別如圖1和圖2所示，邊界條件為：Z方向的位移U3=0，X方向的位移U1=0，Y方向的位移U2=0。

圖1 幾何模型示意圖

圖2 網(wǎng)格示意圖

路面結(jié)構(gòu)層各層材料參數(shù)及厚度如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)層各層厚度及參數(shù)表

2 兩種不同工況的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 路表彎沉

路表彎沉是路面整體結(jié)構(gòu)在荷載作用下的豎向位移量，它反映了路面整體結(jié)構(gòu)的抗變形能力，即路面結(jié)構(gòu)的總剛度，路表的彎沉越小說明路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力越強。圖3和圖4分別為工況一的路表彎沉云圖和工況二(35cm)路表彎沉云圖，圖5為兩種工況的路表彎沉沿道路橫向(圖3云圖中橫線所示)的變化曲線圖。

圖3 工況一路面路表彎沉云圖

圖4 工況二(35 cm)路面路表彎沉云圖

圖5 不同工況的路面路表彎沉值變化曲線圖

由圖5可以看到，無論是基層分層施工工藝還是全厚式整體施工工藝，路表彎沉值曲線均為倒w形狀。在水泥穩(wěn)定碎石基層全厚式施工工藝下，路表最大彎沉值隨著全厚式基層的厚度的增加而逐漸減小，當(dāng)厚度增加到一定程度時，厚度的再增加對路表最大彎沉的減小幅度變小。從ABAQUS導(dǎo)出曲線中提取最大彎沉值，工況一路表最大彎沉值為4.026×10-4m，工況二(35cm)路表最大彎沉值為3.242×10-4m，在基層相同厚度即35cm下，分層施工工藝的最大彎沉值是全厚式施工工藝的1.24倍。此外，從曲線中可以看到，工況二(27cm)路表最大彎沉值為3.941×10-4m，也要小于工況一的路表最大彎沉值。

2.2 瀝青面層底面和水泥穩(wěn)定碎石基層底面的最大主應(yīng)力

在我國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，以瀝青面層底面和基層底面的拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)作為疲勞開裂的設(shè)計標準，當(dāng)荷載作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)超過材料的極限拉應(yīng)力(拉應(yīng)變)時，就會發(fā)生疲勞開裂現(xiàn)象。本文采用由6個法向應(yīng)力和剪應(yīng)力確定的最大主應(yīng)力作為指標，對兩種施工工況的路面結(jié)構(gòu)進行分析，因為最大主應(yīng)力大于水平主應(yīng)力，因此采用最大主應(yīng)力作為分析指標偏于安全。圖6為工況一路面結(jié)構(gòu)橫斷面的最大主應(yīng)力云圖，圖7為工況二(35cm)路面結(jié)構(gòu)橫斷面的最大主應(yīng)力云圖。

圖6 工況一路面結(jié)構(gòu)橫斷面最大主應(yīng)力云圖

圖7 工況二(35 cm)路面結(jié)構(gòu)橫斷面最大主應(yīng)力云圖

由圖6和圖7可以看到，在車輪荷載作用下的區(qū)域，面層承受最大的壓應(yīng)力，隨著深度的增加，壓應(yīng)力逐漸減小變?yōu)槔瓚?yīng)力，在有層間接觸和路面結(jié)構(gòu)材料變化的位置會有應(yīng)力的突變。對于工況一的路面結(jié)構(gòu)而言，上中面層受到壓應(yīng)力，下面層開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，且在上下基層間出現(xiàn)最大的拉應(yīng)力值；而對于工況二(35cm)全厚式基層路面而言，上、中和下瀝青面層均處于受壓狀態(tài)，從基層處才開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，且在基層下表面出現(xiàn)最大的主應(yīng)力值，而工況二基層層底的最大主應(yīng)力僅為工況一基層間最大主應(yīng)力的52.5%，由此可見，層間接觸的存在對基層底面的最大主應(yīng)力的影響較大。

學(xué)情分析：上一次課程完成之后，教師通過超星泛雅教學(xué)平臺和超星學(xué)習(xí)通軟件對學(xué)生在線提交的作業(yè)進行自動批改和成績分析，精確獲得學(xué)生的基本知識點及重難點掌握情況，從中總結(jié)學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律、分析教學(xué)得失，確定本節(jié)課的教學(xué)方法和目標。

圖8為兩種不同工況的瀝青面層底面的最大主應(yīng)力沿路面橫向的變化曲線圖，圖9為兩種不同工況的基層底面最大主應(yīng)力沿路面橫向的變化曲線圖。

圖8 不同工況的瀝青面層底面最大主應(yīng)力變化曲線圖

圖9 不同工況的基層底面最大主應(yīng)力變化曲線圖

由圖8可以看到，對于工況二的全厚式基層而言，隨著基層厚度的增大，瀝青面層底面的最大主應(yīng)力逐漸減小，且沿路面橫向分布較為均勻，這是因為基層厚度越大，則剛度越大，能夠更好地分布應(yīng)力區(qū)域，而若厚度較小，則剛度較小，就會在荷載直接作用區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)較大的應(yīng)力值。此外，工況一的瀝青面層底面的最大應(yīng)力值遠大于工況二(35cm)的瀝青面層底面最大應(yīng)力，工況一的面層底面最大應(yīng)力為4.81×104Pa，而工況二(35cm)的面層底面最大主應(yīng)力為1.61×104Pa，僅為工況一的33.5%。且發(fā)現(xiàn)，工況二(25cm)的面層底面最大主應(yīng)力為4.36×104Pa，都要小于工況一的面層底面最大主應(yīng)力。

由圖9可以看到，對于工況二全厚式基層而言，隨著基層厚度的增大，基層底面的最大應(yīng)力也呈現(xiàn)降低趨勢，且降低幅度越來越小，說明基層厚度的再增加對最大應(yīng)力減小的貢獻變小。此外，工況一上基層底面的最大應(yīng)力值遠大于工況二(35cm)基層底面的最大應(yīng)力值，而工況一下基層底面的最大應(yīng)力值卻很小。從曲線中得到，工況一基層底面的最大應(yīng)力值為1.659×105Pa，工況二(35cm)基層底面的最大應(yīng)力值為8.707×104Pa，僅為工況一的52.5%，這是因為由于層間接觸的存在使得在上下基層間出現(xiàn)了較為嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，故而上基層底面的最大應(yīng)力值較大。

2.3 土基頂部的最小主應(yīng)變

土基頂部的應(yīng)變是反映土基安全穩(wěn)定的一個重要指標，土基應(yīng)變過大就會出現(xiàn)沉陷及車轍等破壞現(xiàn)象，本節(jié)采用最大壓應(yīng)變(最小主應(yīng)變)作為評價指標對兩種工況的路面結(jié)構(gòu)進行對比分析，圖10為工況一的土基頂部最小主應(yīng)變云圖，圖11為工況二(35cm)的土基頂部的最小主應(yīng)變云圖，圖12為兩種不同工況的土基頂部最小主應(yīng)變沿路面橫向(圖10云圖中橫線所示)的變化曲線圖。

由圖12可以看到，對于工況二全厚式基層路面結(jié)構(gòu)而言，隨著基層厚度的增加，土基頂部最小主應(yīng)變逐漸減小，且減小幅度變小，說明厚度的再增加對土基頂部最小主應(yīng)變減小的貢獻變小。此外，工況一的土基頂部最小主應(yīng)變?yōu)?2.699×10-4，而工況二(35cm)的土基頂部最小主應(yīng)變?yōu)?1.875×10-4，僅為工況一的69%，說明層間接觸的存在對于土基頂部的最小主應(yīng)變也有一定的影響。同時發(fā)現(xiàn)工況二(29cm)的土基頂部最小主應(yīng)變?yōu)?2.615×10-4，也要小于工況一的土基頂部最小主應(yīng)變。

圖10 工況一路面結(jié)構(gòu)土基頂部最小主應(yīng)變云圖

圖11 工況二(35 cm)路面結(jié)構(gòu)土基頂部最小主應(yīng)變云圖

圖12 不同工況路面結(jié)構(gòu)土基頂部最小主應(yīng)變變化曲線圖

2.4 瀝青面層底面最大剪應(yīng)力

圖13 工況一路面結(jié)構(gòu)瀝青面層底面最大剪應(yīng)力云圖

圖14 工況二(35 cm)路面結(jié)構(gòu)瀝青 面層底面最大剪應(yīng)力云圖

圖15 不同工況路面結(jié)構(gòu)的瀝青面層 底面最大剪應(yīng)力變化曲線圖

由圖5～17可以看到，工況一的瀝青面層底面的最大剪應(yīng)力為3.61×105Pa，而工況二(35cm)瀝青面層底面的最大剪應(yīng)力為2.77×105Pa，僅為工況一的77%，說明層間接觸不良的存在使得瀝青面層底面的剪應(yīng)力增大，降低了路面的使用性能。而對于工況二全厚式基層路面結(jié)構(gòu)而言，隨著基層厚度的增加，瀝青面層底面的最大剪應(yīng)力有較為微弱的增加，但增加幅度較小，因此，在一定范圍內(nèi)減小基層的厚度有助于降低瀝青面層底面的最大剪應(yīng)力峰值。

3 結(jié)語

本文通過有限元軟件ABAQUS對兩種工況的水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面分別進行了路表彎沉值、面層底面和基層底面最大主應(yīng)力、土基頂部最小主應(yīng)變及面層底面最大剪應(yīng)力等指標的力學(xué)響應(yīng)對比分析，主要得到以下結(jié)論：

(1)以路表彎沉值為指標對兩種工況進行比較得到，工況二(35cm)的路表彎沉值是工況一的80%左右，且工況二(27cm)的路表彎沉值要好于工況一。

(2)以面層底面最大主應(yīng)力為指標對兩種工況進行比較得到，工況二(35cm)的面層底面最大主應(yīng)力僅為工況一的33.5%，且工況二(25cm)的面層底面最大主應(yīng)力也要小于工況一。

(3)以基層底面最大主應(yīng)力為指標對兩種工況進行比較得到，工況二(35cm)的基層底面最大主應(yīng)力僅為工況一的52.5%，且工況二(25cm)的基層底面最大主應(yīng)力也要小于工況一。

(4)以土基頂部最小主應(yīng)變?yōu)橹笜藢煞N工況進行比較得到，工況二(35cm)的土基頂部最小主應(yīng)變僅為工況一的69%，且工況二(29cm)的土基頂部最小主應(yīng)變要小于工況一。

(5)以面層底面最大剪應(yīng)力為指標對兩種工況進行比較得到，工況二(35cm)的面層底面最大剪應(yīng)力僅為工況一的77%，且工況二(25cm)的面層底面最大剪應(yīng)力要小于工況一。

(6)由各指標隨基層厚度的結(jié)果分析而得，除瀝青面層底面最大剪應(yīng)力隨基層厚度的增加有較為微弱的增加外，基層厚度的增加對這些指標均呈現(xiàn)有利趨勢。因此由以上比較得到，全厚式水泥穩(wěn)定碎石基層路面的力學(xué)指標要遠遠高于基層分層施工工藝的路面，且29cm全厚式水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)指標都要優(yōu)于35cm分層水泥穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)指標。

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[2]劉燕燕，陳 潔，黃中文.水泥穩(wěn)定碎石基層不同層間接觸情況下力學(xué)性能分析[J].桂林理工大學(xué)學(xué)報，2011(3)：372-375.

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[6]劉 麗.瀝青路面層間處治技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2008.

[7]廖公云，黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M].南京：東南大學(xué)出版，2008.

Discussions on Interlayer Finite Element Simulation of Large-thickness Ce-ment Stabilized Gravel Base

MENG Yong-jun1，JIANG Yun-tian1，LU Hong-xin2，SHAO Ming-ming1

(1.College of Civil Engineering & Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004；2.Guangxi Road Construction Engineering Group Co.，Ltd，Nanning，Guangxi，530001)

The layered construction of large-thickness cement stabilized gravel base makes the base in-to two thin-layers force from the designed overall force，and the presence of interlayer contact reduces the road performance of base layer，thereby reducing the use performance of entire pavement structure.This article used the finite element software ABAQUS，conducted respectively the finite element simu-lation of pavement surface deflection，maximum principal stress of surface layer bottom and base layer bottom，minimum principal strain of top part of soil foundation，maximum shear stress of surface layer bottom，and other indicators of large-thickness cement stabilized gravel base under two different work conditions(layered construction and full-thickness construction)，and analyzed the load response of large-thickness cement stabilized gravel base pavement under different work conditions.

Large thickness；Cement stabilized gravel；Interlayer contact；Deflection value；Maximum principal stress；Minimum principal strain；Maximum shear stress；Finite element simulation

孟勇軍(1981—)，博士后，高級工程師，研究方向：道路結(jié)構(gòu)與材料。

廣西壯族自治區(qū)交通運輸廳項目“全厚式高性能水泥穩(wěn)定碎石基層施工成套”(編號為20131258)

U415.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.002

1673-4874(2015)11-0011-06

2015-09-30