基于有限元法的彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律分析

陳向陽(yáng) 金俊杰 周四軍

(無(wú)錫市政建設(shè)集團(tuán)有限公司 無(wú)錫 214000 )

隨著我國(guó)車輛增長(zhǎng)較快，軸載增大，傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面在重載或渠化交通路段的適用性不強(qiáng)，較易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍等問(wèn)題。而隨著交通水平的提高，駕駛?cè)艘苍絹?lái)越重視行駛過(guò)程中的視覺(jué)舒適性，因此也就對(duì)路面色彩與環(huán)境融合的協(xié)調(diào)性提出了更高的要求[1-2]。彩色路面能夠利用色彩區(qū)分車道功能、引導(dǎo)車流，但現(xiàn)有的彩色路面主要應(yīng)用于公交車道等渠化交通路段，在高溫及重載條件下不僅結(jié)構(gòu)性變形病害突出，還會(huì)出現(xiàn)色彩耐久性不足等問(wèn)題，進(jìn)一步制約城市道路交通功能服務(wù)水平的提高。

彩色水泥半柔性路面通過(guò)在水泥膠漿中摻入顏料進(jìn)行著色，然后將其灌入到大孔隙開(kāi)級(jí)配瀝青混合料里，經(jīng)過(guò)養(yǎng)生后，形成灌入式彩色半柔性瀝青路面[3]，具備突出的高強(qiáng)度、高耐久性、高抗變形能力。王文杰[4]利用車轍試驗(yàn)等評(píng)價(jià)彩色半柔性混合料的一系列路用性能，結(jié)果表明其具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性、疲勞性能及水穩(wěn)定性。劉長(zhǎng)翛[5]通過(guò)室內(nèi)性能試驗(yàn)研究得出，彩色灌漿復(fù)合材料的高溫穩(wěn)定性能比熱拌瀝青混合料好，低溫性能略有一定程度降低，水穩(wěn)定性能基本符合要求。曹朋輝等[6]對(duì)不同色粉種類、配比的水泥膠砂開(kāi)展強(qiáng)度、干縮和水流動(dòng)度試驗(yàn)，結(jié)合膠砂試件性能并考慮造價(jià)，確定最佳色粉摻量。武漢市市政建設(shè)集團(tuán)有限公司[7]提出一種應(yīng)用于公交專用車道的低噪聲彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)，包括由上至下設(shè)置的透水彩色瀝青面層、半柔性鋪裝層、瀝青混合料面層和水泥穩(wěn)定碎石基層，具有降噪、排水、抗滑等多重功能，具有較好的耐久性。此外，對(duì)于提升渠化交通瀝青路面抗車轍性能還可以通過(guò)添加抗車轍劑來(lái)進(jìn)行改性[8]，但相對(duì)不如彩色半柔性路面效果好。據(jù)此，當(dāng)前針對(duì)彩色半柔性路面的研究相對(duì)較少，且相對(duì)集中于材料路用性能的室內(nèi)試驗(yàn)研究，對(duì)于彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)整體的力學(xué)性能分析研究相對(duì)較少，而力學(xué)分析可以探究路面結(jié)構(gòu)的不利受力條件，更好地指導(dǎo)彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文從彈性層狀體系出發(fā)，借助三維有限元分析軟件ABAQUS建立彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)三維仿真有限元模型，分析在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的水平拉應(yīng)力、拉應(yīng)變、最大剪應(yīng)力、壓應(yīng)變及路表彎沉的空間力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，接著選擇3種不同荷載工況,并確定接地壓強(qiáng)，對(duì)于關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行軸載變化性分析，并基于上述兩部分分析，對(duì)彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適用性進(jìn)行總結(jié)歸納。

1 彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

1.1 彈性層狀體系假定

研究采用彈性層狀體系理論，基本假定[9-10]如下。

1) 各結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性體。

2) 各路面結(jié)構(gòu)層間連續(xù)，無(wú)位移及相對(duì)滑動(dòng)，各層間應(yīng)力傳遞連續(xù)。

1.2 路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)

彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)組合：面層采用4 cm彩色半柔性瀝青混凝土(SFAC-13)+6 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層，其結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 路面結(jié)構(gòu)組合

采用的彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)表

1.3 荷載條件

采用BZZ-100單軸雙輪組標(biāo)準(zhǔn)荷載，輪胎充氣壓力為0.707 MPa，雙輪輪胎荷重為50 kN，輪印采用正方形，單個(gè)輪胎作用面積近似尺寸為18.9 cm×18.9 cm，雙輪間距為34 cm，兩側(cè)輪隙間距為180 cm。

1.4 單元類型及邊界條件

本文采用的計(jì)算模型為路面三維模型，尺寸為6 m×4.5 m×3 m。為保證模型計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時(shí)提高軟件運(yùn)算效率，采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮積分單元，選取0.02 m作為近似全局網(wǎng)格布置尺寸，并根據(jù)空間尺度需要在路面結(jié)構(gòu)各層進(jìn)行加密。

邊界條件：X(行車方向)、Z(路幅方向)均為軸向約束，結(jié)構(gòu)底面土基底部為固定約束，路面頂層完全自由。路面結(jié)構(gòu)有限元模型、單元?jiǎng)澐智闆r、載荷施加位置與邊界約束條件見(jiàn)圖2。

圖2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型、網(wǎng)格劃分模型及邊界約束

2 標(biāo)準(zhǔn)軸載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律

2.1 最大剪應(yīng)力

彩色路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力沿深度方向分布情況見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，最大剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)4 cm處，最大剪應(yīng)力峰值為0.402 MPa，到達(dá)水穩(wěn)基層后迅速降低，為0.181 MPa，到路基處最大剪應(yīng)力水平驟降，最大剪應(yīng)力為0.014 MPa，隨后逐漸趨于0。相比于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面，本研究分析的彩色半柔性瀝青路面最大剪應(yīng)力峰值位置基本一致，但應(yīng)力水平在經(jīng)過(guò)峰值之后，數(shù)值大小迅速降低，這是因?yàn)椴噬肴嵝詫幽Ａ枯^大，與下層結(jié)構(gòu)模量差較大時(shí)，剪應(yīng)力消散主要由半柔性層承擔(dān)，且消散水平較快，與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面相比，可有效避免因剪應(yīng)力累積作用而造成結(jié)構(gòu)性車轍等問(wèn)題。

圖3 路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力分布圖

2.2 水平拉應(yīng)力

選擇沿行車方向的縱向水平拉應(yīng)力作為分析指標(biāo)，其應(yīng)力分布與路面深度關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 路面結(jié)構(gòu)縱向拉應(yīng)力分布圖

由圖4可見(jiàn)，彩色半柔性層及瀝青層處于受壓區(qū)，拉壓交界處位于水泥穩(wěn)定碎石基層，水平拉應(yīng)力最大值位于水泥穩(wěn)定碎石底基層層底，數(shù)值大小為0.103 MPa，相比于水泥穩(wěn)定碎石基層層底的水平拉應(yīng)力0.061 MPa，增大了68.8%，隨后在路基處進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力水平約為0.01 MPa，影響較小。彩色半柔性路面對(duì)于降低半剛性基層、底基層層底的拉應(yīng)力水平效果明顯，應(yīng)力水平數(shù)量約為0.1 MPa，說(shuō)明其比傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面更不容易出現(xiàn)基層開(kāi)裂，從而造成瀝青層反射裂縫等。因?yàn)榘肴嵝詫拥慕槿?，其具有良好的抗彎拉性能，剛度接近于半剛性材料，使得拉?yīng)力傳遞至中性面位置后早已得到有效降低。

2.3 水平拉應(yīng)變

選擇沿行車方向的縱向水平拉應(yīng)變作為分析指標(biāo)，其應(yīng)力分布與路面深度關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 路面結(jié)構(gòu)縱向水平拉應(yīng)變分布圖

由圖5可見(jiàn)，其分布規(guī)律與縱向水平拉應(yīng)力分布形態(tài)基本一致，彩色半柔性層處于受壓區(qū)，進(jìn)入瀝青層后處于拉應(yīng)變區(qū)，拉壓交界處為彩色半柔性層層底位置，拉應(yīng)變最大值位于底基層層底，為0.000 102，相比于基層層底增大了76.5%，在路基處位于拉應(yīng)變區(qū)，并逐漸降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了彩色半柔性路面整體具有較好的抗拉性能。

2.4 壓應(yīng)變

路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)變隨深度方向分布圖見(jiàn)圖6。

圖6 路面結(jié)構(gòu)的壓應(yīng)變分布示意圖

由圖6可見(jiàn)，壓應(yīng)變峰值位于彩色半柔性層層底，數(shù)值大小為0.000 31，由于半柔性材料模量較大，能夠較好地承受豎向荷載，隨后在半剛層底基層層底降至最低，數(shù)值大小為0.000 069，進(jìn)入路基后壓應(yīng)變數(shù)值增大，數(shù)值大小為0.000 19，路基頂面豎向壓應(yīng)變應(yīng)作為控制路基不產(chǎn)生過(guò)大變形的關(guān)鍵指標(biāo)。

2.5 路表彎沉

圖7為路表彎沉隨深度方向分布情況，該彎沉值可以反映路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。選取輪載作用下的豎向變形彎沉值最大值，其路表彎沉為37(0.01 mm)，處于較低水平，相較于普通瀝青路面，彩色半柔性層在面層部位為全斷面高模量，而不是逐漸遞減，在同等荷載水平下，彩色半柔性路面使得整體豎向變形較小，表明該路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

圖7 路面結(jié)構(gòu)的豎向變形分布示意圖

3 重載條件下關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)規(guī)律

3.1 荷載工況及分析指標(biāo)選取

選擇3種不同荷載工況下(單軸雙輪軸重分別為100,150,200 kN)確定的接地壓強(qiáng)，在進(jìn)行荷載設(shè)置時(shí)，通常有如下3種設(shè)計(jì)：荷載作用模式1：輪胎與路面的接地壓強(qiáng)隨軸載按比例增加，接地面積及其中心間距保持不變；荷載作用模式2：接地壓強(qiáng)保持為0.7 MPa，輪胎與路面的接地面積隨軸載按比例增加，但接地面積中心間距保持不變；荷載作用模式3：接地壓強(qiáng)和接地面積隨軸載的增加而增加，但接地面積中心間距保持不變。

本研究為靜力分析，荷載幅值僅增加1倍，因此單元類型、邊界條件與接地面積對(duì)荷載變化相對(duì)不敏感，為簡(jiǎn)化計(jì)算，提高運(yùn)算效率，采用了荷載作用模式1。此外，為充分反映數(shù)值規(guī)律，選擇車輛荷載下方正中心力學(xué)特征作用路徑作為空間力學(xué)響應(yīng)規(guī)律分析主路徑。通過(guò)上述路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律來(lái)看，綜合考慮SFAC層的受力特性與材料層位，選取作為最大剪應(yīng)力峰值、半剛性基層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變、路表彎沉關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的分析群體。

圖8a)為不同荷載工況下彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力峰值變化規(guī)律圖。由圖8a)可見(jiàn)，隨著軸載作用增加，整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力峰值增長(zhǎng)較快，峰值位置均位于4 cm處，數(shù)值變化由0.4 MPa、0.6 MPa增長(zhǎng)至0.8 MPa，彩色半柔性層由于具備水泥混凝土路面優(yōu)良的高強(qiáng)特性，其抗剪性能優(yōu)于傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面，最大剪應(yīng)力峰值變化幅值低于SFAC層所能承受的最大剪應(yīng)力。

圖8b)為在3組軸載作用下力學(xué)指標(biāo)情況。從圖中可見(jiàn)，SFCG路面為彩色半柔性層及瀝青層處于受壓區(qū)，拉壓交界處位于水泥穩(wěn)定碎石基層，水平拉應(yīng)力最大值位于水泥穩(wěn)定碎石底基層層底，隨著軸載增大、水平拉應(yīng)力最大值變化相對(duì)較小，從0.1 MPa、0.15 MPa增長(zhǎng)至0.2 MPa。

如圖8c)所示，路基頂面豎向壓應(yīng)變?cè)?組軸載作用下，數(shù)值大小分別為：6.87×10-5、-1.03×10-4、1.37×10-4，相對(duì)來(lái)說(shuō)數(shù)值較小，說(shuō)明SFCG路面對(duì)于保護(hù)路基作用較為突出。

圖8d)為路表彎沉的示變化意圖。由圖可見(jiàn)，隨著軸重增大，路表彎沉由36、54(0.01 mm)增至71(0.01 mm)，整體彎沉增長(zhǎng)與軸載變化保持一致，說(shuō)明SFCG路面在2倍標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的結(jié)構(gòu)抗力水平較好，與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面相比整體強(qiáng)度較大，可用于重載或者渠化交通路段。

圖8 不同荷載工況下的彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)規(guī)律

4 結(jié)論

本研究通過(guò)分析彩色半柔性路面的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，總結(jié)出關(guān)鍵力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)，設(shè)置3組不同軸載的分析工況，進(jìn)一步對(duì)分析變化特征進(jìn)行了規(guī)律總結(jié)，闡述了彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與適用性，研究結(jié)論如下。

1) 彩色半柔性最大剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)深度4 cm處，最大剪應(yīng)力峰值為0.402 MPa，到達(dá)水穩(wěn)基層后迅速降低，與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面相比彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力峰值位置基本一致，剪應(yīng)力應(yīng)力水平及影響深度、拉應(yīng)力水平較小，并且具有良好的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2) 歸納選擇最大剪應(yīng)力峰值、水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變、路表彎沉作為關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)。

3) 彩色半柔性路面結(jié)構(gòu)在2倍標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的結(jié)構(gòu)抗力水平較好，關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)響應(yīng)相對(duì)可控，相比于半剛性基層瀝青路面整體強(qiáng)度較大，可用于重載或者渠化交通路段。