基于ABAQUS的瀝青混合料荷載黏彈性分析

摘 要：為了更好地理解和優(yōu)化瀝青混合料的性能，本研究建立有限元分析模型，采用荷載移動帶的方法模擬車輛在瀝青路面上行駛，研究動靜荷載對瀝青路面的影響。在20℃條件下，通過動態(tài)、顯性分析施加0.7MPa的移動荷載，模擬車輛對路面的實際作用。研究結果表明，車輛快速移動導致明顯的豎向應力，但荷載移動后，瀝青路面的殘余應力迅速回復。豎向應變隨時間變化，移動荷載產生顯著豎向位移，并保留一部分殘余變形。橫向應力主要為壓應力，且不同級配瀝青路面在移動荷載下的橫向應變趨勢不同。與動靜兩種加載模式相比，快速移動車輛引起的路面變形主要是瞬時彈性變形，而靜載引起的變形主要來自瀝青混合料的黏彈性變形和黏性變形。研究認為慢速移動和靜壓對瀝青路面造成的損害比快速移動車輛大。

關鍵詞：ABAQUS；瀝青混合料；動靜荷載；黏彈力學響應

中圖分類號：U 41 " 文獻標志碼：A

交通運輸基礎設施的發(fā)展日新月異，瀝青混合料作為道路鋪裝的主要材料之一，其性能對道路的耐久性和安全性起著至關重要的作用。在實際交通運輸中，瀝青混合料受到動靜荷載的影響，因此對黏彈力學響應提出了挑戰(zhàn)性的問題[1]。為了深入理解瀝青混合料在動靜荷載下的行為，本研究采用ABAQUS有限元分析軟件仿真分析瀝青混合料的黏彈力學響應，以揭示其在不同荷載條件下的變化規(guī)律。

1 瀝青混合料試驗材料

選擇AC-13、SMA-13、OGFC-13和SUP-13這4種瀝青混合料進行試驗研究，旨在深入了解其性能。AC-13是密級配瀝青混合料，在實際工程中得到廣泛應用，其性能穩(wěn)定可靠，為道路建設提供了重要支持。SMA-13則是一種優(yōu)瀝青碎石混合料，以其卓越的路用性能而備受關注，廣泛研究表明其在提高路面抗滑性和耐久性方面有獨特優(yōu)勢。

OGFC-13在透水路面和海綿城市等領域得到廣泛應用，其設計考慮了水的滲透作用，為城市基礎設施提供了有效的雨水排放解決方案。這種瀝青混合料在建設具有環(huán)保和可持續(xù)特性的城市道路方面發(fā)揮了關鍵作用。

SUP-13作為Superpave體系的代表，是一種在多領域廣泛應用的瀝青混合料。Superpave技術可以對材料性能進行精確控制，使SUP-13在各種氣候和交通條件下都能表現(xiàn)出色，為道路工程提供了可靠性和持久性[2]。

選擇這4種瀝青混合料不僅是因為它們在實際工程中廣泛應用，還因為它們代表了不同類型和特性的瀝青混合料，涵蓋了道路建設中的多個方面，因此，對它們進行系統(tǒng)試驗研究，有助于更好地了解其性能。

2 靜載作用下瀝青路面黏彈性響應數(shù)值分析

2.1 靜載作用下瀝青路面建模過程

當使用專業(yè)的計算力學軟件ABAQUS構建瀝青路面三維數(shù)值模型時，按照以下步驟：首先，在ABAQUS的Part模塊中創(chuàng)建一個體積為318.36m3（6m×6m×3.76m）的三維有限元分析模型，此模型涵蓋了瀝青路面的各個結構層以及道路基礎，模型如圖1所示。其次，在Property模塊中，根據相關規(guī)范和不同的材料特性，為每一個結構層賦予特定的材料參數(shù)和力學參數(shù)。再次，在Step模板內設定兩個黏彈性分析階段，分別用來模擬在靜止負載條件下的瀝青混合料路面蠕變過程以及卸載后車轍變形的恢復過程。將這兩個階段的時間長度均設置為1500s[3]。最后，在模型上施加重載，其長度為19.2cm、寬度為18.4cm、間距為13.5cm。在靜態(tài)荷載方面，選擇0.7MPa作為參考。需要用C3D20R類型單元格對每個結構層都進行劃分，尤其是在車輛荷載作用的區(qū)域，要采用更為精細的格點劃分方式。

2.2 靜載作用下瀝青路面的彎拉應力響應

2.2.1 各層應力狀態(tài)分析

在溫度為20℃的特定環(huán)境中，采用OGFC瀝青面層，圖2為加載和卸載過程中瀝青混合料應力和彎沉變化趨勢。當加載時間達到1500s后，路面結構中的底層（即路面基層及墊層）會出現(xiàn)相當明顯的應力集中現(xiàn)象，從而使輪胎間隙中心位置承受由雙輪承壓而帶來的沉重負荷。當卸載流程開始，彈性優(yōu)良的基層和墊層能夠快速地回歸至初始狀態(tài)，然而，由黏性彈性材料構成的瀝青面層在變形上無法瞬時恢復，導致底部的基層受荷部位仍然伴有橫向的壓縮應力，于是對上層瀝青面層產生“抬升”力量，進一步加劇了拉伸應力。隨著卸載時間增加，面層瀝青的黏彈性變形逐漸恢復，基層內部的應力逐漸減少，抬升力量開始變弱[4]。雖然在后期的卸載過程中，仍然可以觀察到雙輪作用位置的瀝青面層的剩余變形對基層和墊層產生了一定程度的擠壓力，但是這種內在的應力已經得到緩解。

2.2.2 各層橫向應力隨加載時間的變化

四種級配瀝青路面在不同厚度下，受靜載作用時橫向應力的變化規(guī)律：當施加0.7MPa的豎向軸載時，瀝青層底部呈現(xiàn)主要的壓應力，但隨著路面層深度增加，上層和中層的壓應力逐漸減少。隨加載時間增加，瀝青材料的蠕變和松弛特性導致層間應力逐漸減少并趨于穩(wěn)定?；鶎雍蛪|層底部則承受拉應力，且墊層拉應力相對基層較小。在卸載后，各層底部瞬間產生較大拉應力，而下層由于瀝青面層殘留的變形限制了基層、墊層和土基的彈性恢復，導致基層“頂起”瀝青面層，使下層底部產生瞬時壓應力[5]。四種級配瀝青混合料對比顯示，AC和SUP級配路面加載時，上層表面的橫向壓應力較大，而OGFC級配則最小。在卸載后，SUP級配路面上層表面的拉應力較大，提高了開裂風險。

2.2.3 各層豎向應力隨加載時間的變化

四種級配瀝青路面在加載和卸載過程中各層層底的豎向應力變化：在路面表層初始施加0.7MPa豎向荷載，會導致相近的層間豎向應力。隨深度增加，豎向應力逐漸減少，底基層幾乎接近零。在卸載后，表層豎向應力瞬間為零，但層底因受基層彈性恢復作用產生拉應力。隨時間增加，瀝青面層殘余變形減少，內應力逐漸消散，但殘余黏性變形導致瀝青下層和基層仍有殘余內應力。

2.3 靜載作用下瀝青路面的彎沉分析

2.3.1 各層彎沉狀態(tài)

當溫度恒定在20℃且采用OGFC路面結構時，路面對外力作用下所產生的各層次彎沉位移的分布情況：經過長達1500s的持續(xù)荷載作用后，可以觀察到 basin 路面出現(xiàn)了顯著的車轍變形現(xiàn)象，此時路面的最大彎沉已經攀升至8.741×10-4m，與初始加載階段的1.9715×10-4m相比，長時間的荷載作用對車轍變形的影響顯然要大于短暫的瞬間作用。

在荷載移除后，部分殘留的車轍變形可以迅速恢復，然而，隨著加載時間推移，黏彈性變形逐步恢復，但在卸載后期，瀝青路面的變形趨勢逐漸穩(wěn)定化。卸載后留下的車轍變形將在后續(xù)因不同類型車輛的反復作用而逐漸累積，最終對道路路面的平整度以及行車舒適性產生負面影響。因此，在針對材料進行研發(fā)過程中，提高彈性表現(xiàn)能力，降低瀝青混合料的內摩擦特性非常關鍵。

2.3.2 各結構層彎沉值隨加載時間的變化規(guī)律

四種級配瀝青混合料豎向位移隨加載時間變化如圖3所示，隨著荷載持續(xù)施加時間增長，結構各個層次之間的垂向位移也慢慢地變大，特別是深度較大的那些結構層，位移相對更加微小。瀝青路面展現(xiàn)出明顯的蠕變特征，然而，基層和墊層的位移能夠迅速地達到穩(wěn)定狀態(tài)。這種現(xiàn)象的主要原因是瀝青層的滯止性傳輸應力機制，使基層和底基層在初期加載階段的彎曲剛度逐步增加，直至上層應力得到全部傳遞后，基層和底基層的變形才會變得逐漸平穩(wěn)。

在卸載后，各層材料的彎沉量瞬間恢復，瀝青路面的瞬時恢復量由瀝青層的瞬時彈性模量決定。隨著卸載時間進一步增加，瀝青面層的變形仍持續(xù)恢復。在卸載后，瀝青面層材料的黏滯特性會使瀝青面層荷載點處仍有殘余變形，這也是形成車轍變形的主要原因。

比較不同級配瀝青混合料的荷載作用點豎向變形，發(fā)現(xiàn)在相同荷載下，OGFC級配瀝青路面會產生更大的黏彈性變形，且卸載后殘余車轍變形最大。因此，當使用OGFC瀝青混合料時，應注意提高其抗黏彈性變形能力。

3 動載作用下瀝青路面黏彈性力學響應分析

3.1 動載作用下瀝青路面建模過程

當研究動態(tài)荷載對瀝青路面的影響時，通過建立有限元分析模型，采用荷載移動帶的方法模擬車輛在瀝青路面上行駛的實際情況。模型包括六層瀝青路面，通過設置80個雙輪加載區(qū)域，每個小矩形尺寸為0.184m×0.064m。為研究不同車速對路面的黏彈性響應，采用動態(tài)、顯性分析步，并將車速分別設置為54km/h、72km/h、90km/h和108km/h。分別計算相應的行駛時間和總時間，模擬車輛通過一個小矩形的時間。在荷載設置方面，利用Abaqus子程序對80個小矩形施加0.7MPa的移動荷載，模擬車輛對路面的實際作用。

3.2 移動荷載作用下瀝青路面黏彈力學響應

在20℃條件下，以OGFC級配瀝青路面為例，在20m/s車速的移動荷載作用下，單個雙輪車輛的較快行駛導致明顯的豎向應力，但荷載移動后，瀝青路面的殘余應力迅速回復。當荷載移動時，瀝青路面產生約為2.396×10-4m的顯著豎向位移，輪跡處位移快速向下層及周邊擴散，并保留一部分殘余變形[6]。這種響應與靜態(tài)荷載下的黏彈性類似，主要受瀝青混合料黏彈性質影響。每次車載荷殘余變形的累積影響會形成車轍。

3.2.1 豎向應力與應變

四種級配瀝青路面中間位置0.7MPa移動車輛荷載下的豎向力學響應：隨著路面深度增加，最大豎向荷載逐漸減少，且荷載作用點的豎向應力遠高于輪隙中心的。當移動荷載接近取樣點時，由擠壓作用導致向上的拉應變，在荷載到達后，迅速產生向下的壓應變，在移除荷載后，瀝青混合料保留殘余豎向應變。SUP-13瀝青路面產生的豎向應變更小，在累積荷載作用下，車轍變形更小。

3.2.2 橫向應力與應變

四種級配瀝青路面瀝青面層在移動荷載加載時間下橫向應力與應變的趨勢：橫向應力主要是壓應力，且SUP、SMA和OGFC這3種路面的最大橫向應力均超過0.7MPa，大于豎向加載應力。在雙輪作用點處的橫向應力較輪隙中心點小，主要損傷發(fā)生在雙輪作用點。

對比動靜兩種加載模式，1500s靜載作用下的瀝青路面的橫向應變和豎向應變顯著高于移動荷載。當車輛快速移動時，路面變形主要是瞬時彈性變形，少部分是瀝青混合料的黏彈性或黏性變形；而靜載時，路面變形主要來自瀝青混合料的黏彈性變形和黏性變形，瞬時彈性變形占比小。表明慢速移動和靜壓對瀝青路面造成的損害比快速移動車輛大。

4 結語

本文通過有限元分析模型和荷載移動帶模擬了車輛在不同速度下對瀝青路面的影響。快速移動車輛引起的路面變形主要是瞬時彈性變形，而靜載引起的變形主要來源于瀝青混合料的黏彈性變形和黏性變形。慢速移動和靜壓對瀝青路面的損害較大。此外，不同級配瀝青路面在移動荷載下表現(xiàn)出不同的橫向應變趨勢，進一步說明路面材料的特性對動態(tài)荷載響應的敏感性。

參考文獻

[1]周雯怡，張鑫，于文，等.瀝青混合料動態(tài)模量多因素耦合的預估模型分析[J].公路交通科技，2023，40（10）：1-9.

[2]王杰，鄭鯤鵬，徐劍，等.發(fā)泡用水量對泡沫溫拌瀝青混合料力學性能的影響[J].公路交通科技，2023，40（8）：1-8.

[3]李雪連，許杰，葉峻宏，等.基于蠕變與松弛試驗的再生瀝青混合料高低溫性能研究[J].公路交通科技，2023，40（8）：9-15.

[4]湯文，張自旭，馬迪，等.基于三維隨機細觀模型的瀝青混合料斷裂行為研究[J].武漢科技大學學報，2023，46（4）：272-280.

[5]楊國寶，吳禹震，陳松強.瀝青混合料非線性對路面力學響應的影響研究[J].上海公路，2023（1）：110-113，137，183.

[6]肖敏敏，程韋，楊禮明.考慮瀝青混合料空隙率的蠕變特性及改進Burgers模型[J].科學技術與工程，2023，23（4）：1698-1708.