設(shè)置級(jí)配碎石功能層的瀝青路面有限元模擬

楊大田，李 聰

(國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心， 重慶 400067)

?

設(shè)置級(jí)配碎石功能層的瀝青路面有限元模擬

楊大田，李 聰

(國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心， 重慶 400067)

級(jí)配碎石功能層指在半剛性基層與瀝青面層之間鋪筑10～15 cm厚的級(jí)配碎石，形成的倒裝結(jié)構(gòu)。級(jí)配碎石具有典型的非線性力學(xué)特性。利用有限元法，建立級(jí)配碎石功能層的瀝青路面三維有限元模型，通過數(shù)值計(jì)算，得到瀝青面層層底最大拉應(yīng)力、瀝青面層內(nèi)剪應(yīng)力以及半剛性基層底部最大拉應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果表明：級(jí)配碎石功能層厚度設(shè)計(jì)為10～15 cm，回彈模量設(shè)置超過300 MPa比較合理。

半剛性基層；級(jí)配碎石；功能層；有限元模擬

半剛性基層瀝青路面易出現(xiàn)反射裂縫、水損害等缺陷。為了解決上述問題，通常在半剛性基層上鋪設(shè)土工織物夾層，但該措施存在對(duì)環(huán)境條件要求高、抗剪切能力弱、成本高等缺點(diǎn)；或通過增加瀝青面層厚度，以減少并延緩反射裂縫擴(kuò)展到瀝青層表面。然而這些措施不能從根本上解決反射裂縫的產(chǎn)生[1]。經(jīng)過多年試驗(yàn)和觀察，在歐美等國家，目前逐漸對(duì)新建和改建瀝青路面采用了柔性基層。柔性基層瀝青路面是相對(duì)于半剛性基層瀝青路面而言的一種路面結(jié)構(gòu)[2]。常見柔性基層包括瀝青穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石等。級(jí)配碎石鋪筑在半剛性基層與瀝青面層之間，作為功能過渡層，其處于三向受壓狀態(tài)，從而彌補(bǔ)了級(jí)配碎石整體性差的缺點(diǎn)。由于級(jí)配碎石不能承受拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，因此可以消除半剛性基層出現(xiàn)裂縫時(shí)釋放出來的應(yīng)變能，抑制瀝青面層裂縫產(chǎn)生；同時(shí)，級(jí)配碎石層增強(qiáng)了路面排水能力，可防止瀝青路面水損壞。

在半剛性基層與瀝青面層之間加鋪級(jí)配碎石柔性功能過渡層，在一定程度上彌補(bǔ)了級(jí)配碎石柔性基層在整體性方面的不足[3]。本文利用有限元法，建立級(jí)配碎石功能層的瀝青路面三維有限元模型，通過數(shù)值計(jì)算得到瀝青面層層底最大拉應(yīng)力、瀝青面層內(nèi)剪應(yīng)力以及半剛性基層底部最大拉應(yīng)力，并分析級(jí)配碎石功能層厚度及模量對(duì)其的影響，為級(jí)配碎石功能層厚度設(shè)計(jì)和配合比設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 路面有限元模型

1.1 幾何模型

利用ABAQUS有限元軟件建立三維模型，模型尺寸為5 m×5 m×5 m[4]。X軸為行車方向，Y軸為垂直于行車方向，Z軸垂直于X軸和Y軸構(gòu)成的水平面。幾何模型見圖1。

圖1 幾何模型

1.2 模型定義

依次定義材料屬性、裝配件、分析步、施加荷載和邊界條件、劃分網(wǎng)格、提交工作、結(jié)果可視化。其中定義材料屬性和裝配件時(shí)，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)實(shí)體的分層特點(diǎn)，分層定義材料屬性。計(jì)算時(shí)，模型單元類型選擇為8節(jié)點(diǎn)6面體非協(xié)調(diào)模式單元類型，而非協(xié)調(diào)模式單元適合非線性問題，即適合本文對(duì)級(jí)配碎石上基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的分析。

定義邊界條件和設(shè)置荷載一般初始分析步(Initial)時(shí)，荷載可根據(jù)具體施加時(shí)間在不同的分析步(Step-1,Step-2,……)施加。X方向施加邊界條件限制沿X方向的位移為0，即XSYMM(U1=UR2=UR3=0)；Y方向施加邊界條件限制沿Y方向的位移為0，即YSYMM(U2=UR1=UR3=0)；Z方向施加邊界條件限制Z方向底面位移為0，即ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)。荷載采用雙圓均布荷載形式，標(biāo)準(zhǔn)軸載F=100 kN，輪胎接地壓強(qiáng)P=0.7 MPa，2輪中心間隙d=31.95 cm，荷載半徑δ=10.65 cm。根據(jù)應(yīng)力等效原理，把圓形荷載等效轉(zhuǎn)換為矩形荷載，矩形荷載邊長為長L=22.77 cm，寬B=15.68 cm[5]。模型網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.3 材料參數(shù)

為分析級(jí)配碎石用于瀝青路面與半剛性基層間功能過渡層時(shí)的受力特點(diǎn)，本文擬定了級(jí)配碎石功能層瀝青路面結(jié)構(gòu)，并與典型的常規(guī)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析。級(jí)配碎石功能層路面結(jié)構(gòu)與半剛性基層路面結(jié)構(gòu)基本一致，不同之處是將半剛性基層的一部分用10～15 cm級(jí)配碎石層[5-7]代替，兩者的路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1和表2[8-9]。

表1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表2 材料泊松比

1.4 方案設(shè)計(jì)

為研究級(jí)配碎石模量和厚度對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層力學(xué)性質(zhì)的影響，擬定了如下3種厚度和5種模量的級(jí)配碎石功能層方案：

1) 級(jí)配碎石模量定為400 MPa，級(jí)配碎石層厚度分別為10、13、15 cm。

2) 級(jí)配碎石層厚度定為13 cm，級(jí)配碎石模量分別為300、350、400、450、500 MPa。

2 結(jié)果及分析

2.1 級(jí)配碎石功能層厚度對(duì)瀝青面層應(yīng)力的影響

當(dāng)級(jí)配碎石模量為400 MPa時(shí)，瀝青混凝土層底部處的最大拉應(yīng)力值隨級(jí)配碎石功能層厚度的變化規(guī)律見圖3。

圖3 瀝青面層層底最大拉應(yīng)力與級(jí)配碎石功能層厚度關(guān)系

從圖3可知，級(jí)配碎石功能層的厚度從10 cm增至15 cm時(shí)，瀝青面層底部處的最大應(yīng)力值增長率為1.0%，表明級(jí)配碎石功能層的厚度對(duì)瀝青混凝土層底部最大拉應(yīng)力的影響較小。

當(dāng)級(jí)配碎石模量為400 MPa時(shí)，瀝青混凝土層不同深度處隨級(jí)配碎石過渡層厚度變化的最大剪應(yīng)力值見表3。

表3 瀝青混凝土層不同深度處最大剪應(yīng)力

從表3可以看出，隨著級(jí)配碎石功能層厚度的變化，瀝青混凝土層底部的最大剪應(yīng)力幾乎沒有變化。由此可知，級(jí)配碎石功能層厚度在10～15 cm較為合適。

2.2 級(jí)配碎石模量對(duì)瀝青面層應(yīng)力的影響

本文對(duì)相同厚度級(jí)配碎石層和半剛性基層(厚度為13 cm)瀝青混凝土路面進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果見表4。

表4 瀝青面層底部X方向的最大應(yīng)力

注：半剛性基層模量取1 500 MPa。

從表4可以看出，在半剛性基層與瀝青面層之間未加級(jí)配碎石功能層時(shí)，瀝青面層底部X方向最大應(yīng)力值為-0.222 MPa，比加了一定厚度級(jí)配碎石功能層的瀝青面層底部的應(yīng)力值要大。在設(shè)置了相同厚度的級(jí)配碎石功能層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，級(jí)配碎石模量越大，瀝青面層層底最大應(yīng)力值就越大，且為拉應(yīng)力。

由于級(jí)配碎石功能層處于半剛性基層與瀝青面層之間，因此，級(jí)配碎石層表面受到拉應(yīng)力，但由于級(jí)配碎石具有不傳遞拉應(yīng)力的良好特性，故致使面層的拉應(yīng)力不能傳遞到半剛性基層上，從而具有很好的消除拉應(yīng)力功能。瀝青面層底部最大拉應(yīng)力值增長較小，模量從300 MPa增至500 MPa時(shí)，瀝青面層層底的最大拉應(yīng)力從2.265倍降至1.982倍，表明級(jí)配碎石模量對(duì)瀝青面層層底的應(yīng)力具有較大影響。

由于瀝青面層發(fā)生剪切變形與其受到剪應(yīng)力有關(guān)，因此本文還分析了瀝青面層不同深度處的剪應(yīng)力值，見表5。

表5 瀝青面層不同深度處的剪應(yīng)力

由表5可知，瀝青面層與級(jí)配碎石結(jié)合處的剪應(yīng)力相對(duì)較大，同時(shí)瀝青面層頂部的剪應(yīng)力也較中間部位的大，具有瀝青面層頂部和底部剪應(yīng)力大的特點(diǎn)，這與一般典型半剛性基層瀝青路面剪應(yīng)力變化規(guī)律不一致[10]。且隨著級(jí)配碎石模量的增大，在面層和級(jí)配碎石與瀝青面層結(jié)合處的剪應(yīng)力明顯減小，表明級(jí)配碎石模量對(duì)瀝青面層內(nèi)的剪應(yīng)力有明顯影響。

3 結(jié)論和建議

1) 級(jí)配碎石功能過渡層的厚度對(duì)瀝青面層層底受力、面層內(nèi)部剪應(yīng)力和最大應(yīng)力有一定影響，但影響較小?；谟邢拊?jì)算比較和分析，并考慮經(jīng)濟(jì)技術(shù)等綜合因素，建議級(jí)配碎石層厚度為13 cm。

2) 級(jí)配碎石模量對(duì)瀝青路面面層層底應(yīng)力和瀝青面層內(nèi)的剪應(yīng)力有顯著影響。進(jìn)行級(jí)配碎石配合比設(shè)計(jì)時(shí)，級(jí)配碎石模量應(yīng)不小于300 MPa。

[1] 宋志峰，劉海鵬，蔣應(yīng)軍.級(jí)配碎石基層瀝青路面非線性力學(xué)響應(yīng)分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2014，42(11)：51-54．

[2] 李福普，嚴(yán)二虎.瀝青穩(wěn)定碎石與級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)應(yīng)用指南[M].北京：人民交通出版社，2009．

[3] 王 亮.級(jí)配碎石上基層路用性能研究及路面結(jié)構(gòu)分析[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2011．

[4] 謝 暉.基于FWD檢測(cè)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

[5] 從志敏，鄒曉翎，龔紅仁.重載對(duì)瀝青路面車轍及疲勞壽命的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，35(4)：54-58．

[6] 交通部中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D50—2006[S].北京：人民交通出版社，2006.

[7] 曲立杰，張德才．瀝青路面級(jí)配碎石層應(yīng)力消散的細(xì)觀研究[J].公路交通科技，2014，31(9)：13-17．

[8] 張敏江，王 亮，周 宇．級(jí)配碎石上基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，27(1)：64-69．

[9] 任成志．瀝青路面當(dāng)量回彈模量的研究[J].中外公路，2003，23(6)：23-24．

[10]夏文軍，楊大田.半剛性基層瀝青路面剪應(yīng)力正交分析[J].西部交通科技，2009(7)：28-31.

Finite Element Simulation of Asphalt Pavement with Graded Debris Layer

YANG Datian, LI Cong

Graded debris function layer indicates laying 10～15 cm thick graded debris between half rigid bed course and asphalt pavement, which forms a inverted structure. Graded debris has typical non-linear mechanical properties. This paper introduces using finite element method to set up 3D finite element model for asphalt pavement with graded debris function layer, with numerical calculation, we obtain max. tensile stress at the bottom of asphalt pavement, inner shearing force of the asphalt pavement and max. tensile stress at the bottom of the semi-rigid bed course. Results of calculation show: It is suitable to design 10～15 cm thick graded debris function layer and the 10～15 cm, and the modulus of resilience be over 300 MPa.

Semi-rigid bed course; graded debris; function layer; finite element simulation

10.13607/j.cnki.gljt.2016.05.001

國家山區(qū)公路工程技術(shù)研究中心開放基金(gsgzj-2012-12)

2016-07-05

楊大田(1973-)，男，重慶市人，博士，講師。

1009-6477(2016)05-0001-04

U416.217

A