路基土模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力影響有限元分析

李鵬飛

(黑龍江省公路工程造價(jià)站，黑龍江 哈爾濱 150008)

1 概述

路基的修筑質(zhì)量顯著影響路面的使用品質(zhì)，提高瀝青路面的使用壽命必須基于良好的路基修筑質(zhì)量。為保障路基的修建質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量的相關(guān)研究[1-7]。彭燃等的研究認(rèn)為，只有法國(guó)規(guī)范能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)理念與實(shí)際施工指標(biāo)相統(tǒng)一，建議我國(guó)規(guī)范將回彈模量納入驗(yàn)收指標(biāo)[8]。謝鵬遠(yuǎn)闡述了確保路基強(qiáng)度穩(wěn)定的首要條件，提出了確保路基強(qiáng)度穩(wěn)定性的有效措施[9]。陳洪興等研究了季凍區(qū)路基土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用能夠使土體黏聚力降低，內(nèi)摩擦角增大[10]。張銀博等利用Bisar3.0軟件,開(kāi)展了基于路基強(qiáng)度衰減條件下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)[11]。本文在前人的研究基礎(chǔ)上，基于ANSYS軟件建立三維有限元?jiǎng)恿Ψ治瞿Ｐ?，系統(tǒng)的分析不同路基施工質(zhì)量條件下，瀝青路面的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，以期能為路面設(shè)計(jì)及路基施工質(zhì)量控制提供一定參考作用。

2 基于ANSYS軟件的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)仿真模型

本部分采用ANSYS仿真軟件建立了可用于研究土基模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響三維空間大尺度動(dòng)力學(xué)分析模型，模型具體狀態(tài)如圖1所示。模型的長(zhǎng)寬高分別為：沿行車(chē)方向其長(zhǎng)度為3 m、水平垂直于縱向方向的寬度為1.5 m，本次所構(gòu)建模型的厚度為1.74 m，其中包括路基的厚度和路面的厚度。在本次構(gòu)建的模型中，為了更好的表征路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的動(dòng)力學(xué)影響，在加載方式的設(shè)置過(guò)程中，設(shè)置了50 cm寬的加載區(qū)，同時(shí)在加載區(qū)的外側(cè)也布設(shè)了影響區(qū)域，影響區(qū)的寬度為加載區(qū)的1倍。模型的約束條件采用了四周法向固定，底部三向固定。同時(shí)，為了開(kāi)展動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)路面的實(shí)際情況，設(shè)置了路面的質(zhì)量阻尼系數(shù)和剛度阻尼系數(shù)，其設(shè)置值分別為0.4和0.005。結(jié)構(gòu)層厚度及模量見(jiàn)表1。為了分析不同改性土對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響，土基模量分別取30 MPa，40 MPa，50 MPa，60 MPa。

表1 動(dòng)力分析路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

加載的車(chē)輪形狀采用矩形，尺寸為長(zhǎng)度50 mm、寬度18 mm，加載的車(chē)輪輪壓設(shè)置為0.7 MPa。本文為研究車(chē)輛行駛過(guò)程中對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，采用了移動(dòng)荷載的加載方式。荷載的移動(dòng)方式采用三階段法進(jìn)行設(shè)置。第一階段設(shè)置了移動(dòng)區(qū)域和方向；第二階段將移動(dòng)區(qū)域進(jìn)行細(xì)分成若干個(gè)小的區(qū)域；第三階段根據(jù)行車(chē)速度設(shè)置每個(gè)區(qū)域的作用時(shí)間。具體如圖2所示。本次分析過(guò)程中，將移動(dòng)區(qū)域進(jìn)行細(xì)分成20個(gè)，行車(chē)速度為72 km/h。根據(jù)上文確定的規(guī)則，則每個(gè)區(qū)域的加載時(shí)間為0.007 5 s。

3 基于足尺仿真模型的路面結(jié)構(gòu)層動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律分析

采用前文所述的加載方式下，我國(guó)最為常見(jiàn)的路面結(jié)構(gòu)形式的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，為了使分析更具值觀(guān)表現(xiàn)，重點(diǎn)分析了所建立的足尺模型的中部區(qū)域不同深度的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)。

路面結(jié)構(gòu)在移動(dòng)載荷作用下，不同深度處的SY(縱向應(yīng)力)、SZ(豎向應(yīng)力)、SZX(豎向剪應(yīng)力)、SZY(水平剪應(yīng)力)的時(shí)程曲線(xiàn)分別如圖3所示。

圖3(a)為路面結(jié)構(gòu)層不同深度處沿行車(chē)方向的力學(xué)響應(yīng)特性隨著時(shí)間變化的規(guī)律圖。分析此圖可以發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛移動(dòng)荷載的作用過(guò)程中，其路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力出現(xiàn)正負(fù)交替的現(xiàn)象，這表明在行車(chē)荷載的作用下，路面會(huì)受到拉和壓的作用。進(jìn)一步分析可知，拉應(yīng)力的極值比壓應(yīng)力的極值要差一個(gè)數(shù)量級(jí)。面層不同深度處響應(yīng)規(guī)律一致；基層中則為壓應(yīng)力，并且極值很小。面層內(nèi)的拉應(yīng)力隨著深度的增加而減小。表面層的拉應(yīng)力受移動(dòng)載荷的影響最大。圖3(b)所示的結(jié)果為仿真模型垂直方向的力學(xué)響應(yīng)特性隨著時(shí)間變化的規(guī)律圖。分析此圖可以發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛移動(dòng)荷載的作用過(guò)程中，其路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力均為負(fù)值，表明在此方向上路面結(jié)構(gòu)只受到一種力的作用形式，不會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷問(wèn)題。進(jìn)一步分析此圖可知，沿著縱深方向的增加豎向壓應(yīng)力減小。面層內(nèi)部不同深度處的壓應(yīng)力數(shù)值較為接近，并且幅值較大，響應(yīng)時(shí)間約為0.03 s，基層內(nèi)部受到的豎向壓應(yīng)力較小，但響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。圖3(c)為路面結(jié)構(gòu)層不同深度處豎向剪應(yīng)力的時(shí)程曲線(xiàn)，從圖上可以看出，在荷載駛過(guò)前后，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的豎向剪應(yīng)力均為負(fù)值，即剪應(yīng)力的方向沒(méi)有發(fā)生變化。上中面層的剪應(yīng)力幅值較為接近，下面層的剪應(yīng)力幅值相對(duì)較小，基層中的豎向剪應(yīng)力可以忽略。從以上分析可知，豎向應(yīng)力及豎向的剪應(yīng)力在面層內(nèi)部均為單向的載荷動(dòng)力響應(yīng)。在行車(chē)載荷長(zhǎng)期的反復(fù)作用下，路面材料處于一個(gè)重復(fù)蠕變的過(guò)程，這樣就很容易產(chǎn)生車(chē)轍變形，尤其是在上中面層。圖3(d)所示的結(jié)果為仿真模型垂直方向的水平剪切作用的力學(xué)響應(yīng)特性隨著時(shí)間變化的規(guī)律圖。分析此圖可以發(fā)現(xiàn)，在車(chē)輛移動(dòng)荷載的作用過(guò)程中，其模型結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力出現(xiàn)了交替變化，表明在此方向上路面結(jié)構(gòu)只受到兩種力方向的作用形式，可能會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷問(wèn)題。

4 土基模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響分析

4.1 縱向應(yīng)力SY

在土基模量變化的情況下，路面結(jié)構(gòu)不同深度處縱向應(yīng)力SY的時(shí)程曲線(xiàn)如圖4所示。隨著土基模量的增加，路基的剛度提高，路基對(duì)動(dòng)載荷的響應(yīng)時(shí)間提前、響應(yīng)速度提高。但不同模量土基的縱向應(yīng)力SY響應(yīng)時(shí)間大致相同，在路面結(jié)構(gòu)的不同深度處的縱向應(yīng)力均為拉-壓交替出現(xiàn)。并且隨著土基模量的增加，不同深度處的縱向應(yīng)力的極值減小。

4.2 豎向應(yīng)力SZ

在土基模量變化的情況下，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的豎向應(yīng)力SZ的時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖5。同樣隨著路基土模量的增加，豎向應(yīng)力響應(yīng)提前，但總響應(yīng)時(shí)間基本相同。在路基結(jié)構(gòu)不同深度處，豎向應(yīng)力響應(yīng)的極值隨土基模量的增加而減小。隨著路基模量的增加，路基變形量的減少，提高了路基的支撐效果，從而減小路面結(jié)構(gòu)層的豎向應(yīng)力響應(yīng)，路基土模量的增加，增強(qiáng)了整個(gè)路面結(jié)構(gòu)抵抗豎向應(yīng)力的能力。

4.3 豎向剪應(yīng)力SZX

在土基模量變化的情況下，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)豎向剪應(yīng)力SZX的時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖6。同樣，在路基模量增加的情況下，結(jié)構(gòu)的豎向剪應(yīng)力SZX響應(yīng)時(shí)間提前，但動(dòng)力響應(yīng)的總時(shí)間大致相同。隨著土基模量的增加，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的豎向剪應(yīng)力的數(shù)值稍有減小，但豎向剪應(yīng)力降低的幅度相對(duì)較小，即土基模量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的豎向剪應(yīng)力的影響相對(duì)較低。

4.4 水平剪應(yīng)力SZY

在土基模量變化的情況下，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)水平剪應(yīng)力SZY的時(shí)程曲線(xiàn)對(duì)比見(jiàn)圖7。隨著路基土模量的增加，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的層間剪應(yīng)力的響應(yīng)提前，但響應(yīng)時(shí)間基本相同，并且路基土模量的增加對(duì)層間剪應(yīng)力的極值的影響較小。層間剪應(yīng)力即水平剪應(yīng)力與路面結(jié)構(gòu)層的推移破壞有關(guān)，其主要與結(jié)構(gòu)層的層間聯(lián)接狀態(tài)及材料的抗剪切性能相關(guān)，土基模量的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)層間剪應(yīng)力的影響較小。

5 結(jié)語(yǔ)

1)建立了移動(dòng)載荷作用下路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的力學(xué)分析模型，建立的模型可用于研究路面結(jié)構(gòu)層的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。2)基于本文建立的動(dòng)力學(xué)分析模型，闡明了土基模量的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的影響規(guī)律。3)隨著土基模量的增加，土基剛度增大，路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)提前。隨著路基模量的增加，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的豎向應(yīng)力及水平應(yīng)力極值減小。4)路基模量的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的豎向剪應(yīng)力及層間剪應(yīng)力的影響較小。