車輛荷載作用下瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)研究

蘭家泉

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,隨著我國交通工程的不斷推進(jìn),高速公路的總里程數(shù)迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。然而,高速公路建設(shè)中的問題也顯露出來,例如道路的使用壽命較短。因此,對(duì)工程質(zhì)量提出了越來越高的要求。瀝青路面因其具有整體強(qiáng)度高、低振動(dòng)、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用。但瀝青路面的劣化問題隨著高速公路里程的增加變得更加明顯,導(dǎo)致高速公路常常無法達(dá)到預(yù)期的使用壽命。瀝青路面的劣化原因通常被認(rèn)為是長期的車輛荷載與日照、降雨等外部環(huán)境因素的共同作用導(dǎo)致的[1]。

本文基于離散元方法,利用PFC 3D軟件建立瀝青路面的三維數(shù)值模型,考慮車輛與路面之間的相互作用,施加車輛荷載,對(duì)車輛與道路之間的相互作用進(jìn)行模擬,為高速公路瀝青路面的細(xì)觀力學(xué)響應(yīng)特征和劣化機(jī)制的研究提供了借鑒。

1 離散元方法基本理論

目前常用的離散元軟件主要為PFC 2D/3D和UDEC/3DEC,其中PFC 2D/3D基于顆粒流離散元方法,其基本單元為圓盤形和球形,而UDEC/3DEC則基于塊體離散元方法,其基本單元為塊體,考慮到瀝青路面的基本組成及其相關(guān)性質(zhì),本文采用PFC 3D軟件進(jìn)行相關(guān)建模和計(jì)算分析。

顆粒之間的接觸關(guān)系是直接決定計(jì)算結(jié)果的,因此正確選擇PFC的接觸本構(gòu)模型是提高計(jì)算結(jié)果可信度的關(guān)鍵。PFC常用的接觸本構(gòu)模型包括線性接觸模型、平行黏結(jié)接觸模型以及接觸黏結(jié)模型等。

相對(duì)于其他模擬分析方法,PFC程序在模擬巖土體材料的力學(xué)特性方面優(yōu)勢(shì)突出:(1)具有潛在的高效率,因?yàn)閳A形顆粒間的接觸相比于角狀物體間的接觸更簡單;(2)PFC可以模擬大變形,對(duì)位移的大小沒有限制;(3)由于顆粒之間是相互粘結(jié)的,不像一個(gè)整體,故在PFC中試樣可以發(fā)生破裂。同時(shí),雖然PFC軟件的交互性較差,但軟件內(nèi)置外接程序的FISH語言可以滿足很多用戶特定需求,從而大大提升軟件的靈活性,使其能更廣泛地解決各種各樣的復(fù)雜巖土工程問題。

2 瀝青路面模型的建立

2.1 細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定

本文研究的瀝青路面從上至下共分為4層,其中第一層為瀝青混凝土層AC-13,厚度4 cm;第二層為瀝青混凝土層HMAC-20,厚度6 cm;第三層為瀝青穩(wěn)定碎石層ATB-25,厚度8 cm;第四層為水泥穩(wěn)定碎石基層,厚度18 cm。

室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)可直接獲得宏觀力學(xué)參數(shù),包括抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角、粘聚力等。而PFC的數(shù)值試驗(yàn)與之不同,是通過各種細(xì)觀參數(shù)來表達(dá)試樣的宏觀力學(xué)性質(zhì)。通過前期進(jìn)行的室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn),主要為單軸壓縮試驗(yàn),數(shù)據(jù)可作為標(biāo)定PFC細(xì)觀參數(shù)參考的宏觀力學(xué)參數(shù)。

PFC 3D建模中涉及的細(xì)觀參數(shù)很多,主要包括:(1)表征試樣物理性質(zhì)的參數(shù),包括顆粒的粒徑范圍和級(jí)配、顆粒體系的堆積密度、空隙率等;(2)表征顆粒本身的力學(xué)性質(zhì)的參數(shù),包括顆粒有效模量、顆粒剛度比等;(3)表征相鄰顆粒接觸處粘結(jié)的力學(xué)參數(shù),包括平行粘結(jié)模量、平行粘結(jié)剛度比等。這些參數(shù)共同作用,決定了數(shù)值試樣在試驗(yàn)中的宏觀力學(xué)性質(zhì)。一般情況下,無法通過室內(nèi)巖石試驗(yàn)得到的巖石宏觀力學(xué)參數(shù)確定PFC中所需的細(xì)觀參數(shù),對(duì)于細(xì)觀參數(shù)的標(biāo)定方法,通常為進(jìn)行大量的數(shù)值試驗(yàn),通過試錯(cuò)法不斷調(diào)整細(xì)觀參數(shù),使試樣的宏觀力學(xué)特性不斷接近室內(nèi)試驗(yàn)得到的結(jié)果。路面各結(jié)構(gòu)層的細(xì)觀參數(shù)擬合曲線如圖1所示。通過細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定得到的PFC細(xì)觀參數(shù)見表1和表2。

表1 面層細(xì)觀參數(shù)表

表2 基層細(xì)觀參數(shù)表

圖1 細(xì)觀參數(shù)擬合曲線圖

2.2 離散元路面模型的建立

根據(jù)路面的幾何尺寸和材料的級(jí)配,以及已標(biāo)定的材料細(xì)觀力學(xué)參數(shù),采用分層生成的方式建立瀝青路面模型,最終路面模型如圖2所示。

房屋是關(guān)系國計(jì)民生的重要財(cái)產(chǎn)，是不動(dòng)產(chǎn)登記中業(yè)務(wù)量最大、情況最復(fù)雜的不動(dòng)產(chǎn)類型。規(guī)范的劃分房屋定著物單元，使之成為獨(dú)立并可加以支配的特定的物，既是物權(quán)特定原則的內(nèi)在要求，又是規(guī)范不動(dòng)產(chǎn)登記和保障群眾合法權(quán)益的必要條件。

圖2 瀝青路面模型圖

2.3 荷載施加

瀝青路面的劣化原因通常被認(rèn)為是車輛荷載與外界環(huán)境因素的共同作用導(dǎo)致的,其中車輛荷載是導(dǎo)致瀝青路面變形破壞的主要原因。本文分別施加靜載、振動(dòng)荷載以及移動(dòng)荷載,來模擬路面在車輛荷載長期作用下的力學(xué)響應(yīng)特征。

3 靜態(tài)荷載作用下的路面響應(yīng)

3.1 靜載作用下的路面響應(yīng)

本文將荷載作用區(qū)域簡化為正方形,在靜載的作用下,得到了加載不同階段下道路的位移云圖如圖3所示。

(a)加載初期

由圖3可知,在靜載的作用下,顆粒位移在顆粒之間的相互作用下逐漸增大且向四周擴(kuò)散,顆粒位移隨著顆粒與荷載作用面的距離增大而減小。

荷載作用面正下方的豎向正應(yīng)力的時(shí)程曲線如圖4所示。

圖4 路面各結(jié)構(gòu)層縱向正應(yīng)力時(shí)程曲線圖

由圖4可知,應(yīng)力值為負(fù)值時(shí)表示其處于受壓狀態(tài),應(yīng)力值為正值時(shí)表示其處于受拉狀態(tài)。其中路面模型的上面層和中面層受到壓力,且上面層的壓應(yīng)力值最大,下面層和基層受到拉力,下面層的拉應(yīng)力值最大。

3.2 振動(dòng)荷載下的路面響應(yīng)

對(duì)路基模型施加半正弦振動(dòng)荷載。其中峰值為25 kN,作用時(shí)間為0.6 s,頻率10 Hz,如圖5所示。

圖5 半正弦振動(dòng)荷載圖

監(jiān)測(cè)荷載正下方的應(yīng)力與位移,得到路面各結(jié)構(gòu)層位移以及不同深度的應(yīng)力,如圖6、圖7所示。

圖6 各結(jié)構(gòu)層垂向位移時(shí)程曲線圖

圖7 不同深度垂向正應(yīng)力時(shí)程曲線圖

路面垂向位移可以反映出路面各結(jié)構(gòu)層的整體強(qiáng)度與剛度,是設(shè)計(jì)中的重要力學(xué)指標(biāo)。由圖6可知,各個(gè)結(jié)構(gòu)層位移分布趨勢(shì)基本一致,垂向位移隨著路面深度的增加而減小,其中上層面的垂向位移最大,基層的垂向位移最小。

由圖7可知,不同深度的垂向正應(yīng)力分布趨勢(shì)與位移分布類似,也呈現(xiàn)半正弦分布,不同深度的垂向正應(yīng)力均為壓應(yīng)力,隨著路面深度的增加而減小,其中路表壓力最大,達(dá)到了0.72 MPa。

4 移動(dòng)荷載作用下的路面響應(yīng)

本文中施加的移動(dòng)荷載假設(shè)車輛沿著直線勻速行駛,作用面為正方形(如圖8所示),以研究路面各結(jié)構(gòu)層的響應(yīng)。

圖8 移動(dòng)加載模型圖

計(jì)算得到移動(dòng)荷載作用下的路面各結(jié)構(gòu)層的垂向位移時(shí)程曲線和垂向正應(yīng)力時(shí)程曲線如圖9、圖10所示。

圖9 各結(jié)構(gòu)層垂向位移時(shí)程曲線圖

圖10 不同深度垂向正應(yīng)力時(shí)程曲線圖

由圖9可知,各個(gè)結(jié)構(gòu)層位移分布趨勢(shì)基本一致,垂向位移隨著路面深度的增加而減小。隨著荷載向測(cè)點(diǎn)逐漸移動(dòng),各結(jié)構(gòu)層的垂向位移增加,當(dāng)荷載移動(dòng)到測(cè)點(diǎn)正上方時(shí),對(duì)應(yīng)的垂向位移達(dá)到最大值。

由圖10可知,各個(gè)結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致,瀝青路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層均承受壓應(yīng)力。但對(duì)于不同結(jié)構(gòu)層,其對(duì)移動(dòng)荷載的響應(yīng)時(shí)間不同,即隨著深度的增加,垂向正應(yīng)力逐漸減小,但應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間逐漸延長。

5 結(jié)語

本文基于離散元方法,利用PFC 3D軟件建立瀝青路面的三維數(shù)值模型,考慮車輛與路面之間的相互作用,施加車輛荷載,對(duì)車輛與道路之間的相互作用進(jìn)行模擬,主要結(jié)論如下:

(1)通過PFC 3D建立瀝青路面幾何模型,并通過單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定,可得到符合實(shí)際情況的瀝青路面離散元數(shù)值模型。

(2)瀝青路面在靜載作用下,顆粒位移在顆粒之間的相互作用下逐漸增大且向四周擴(kuò)散,位移隨著顆粒與荷載作用面的距離增大而減小。路面模型的上面層和中面層受壓,且上面層的壓應(yīng)力值最大,下面層和基層受拉,下面層的拉應(yīng)力值最大。

(3)瀝青路面在振動(dòng)荷載作用下,垂向位移隨著路面深度的增加而減小,其中上層面的垂向位移最大,基層的垂向位移最小。不同深度垂向正應(yīng)力呈現(xiàn)半正弦分布,隨著路面深度的增加而減小。

(4)瀝青路面在移動(dòng)荷載作用下,隨著荷載向測(cè)點(diǎn)移動(dòng),垂向位移逐漸增大,當(dāng)移動(dòng)荷載移動(dòng)至測(cè)點(diǎn)正上方時(shí),對(duì)應(yīng)的垂向位移達(dá)到最大值。隨著深度的增加,垂向正應(yīng)力逐漸減小,但應(yīng)力響應(yīng)時(shí)間逐漸延長。