基于ANSYS的半柔性路面力学数值分析

范国进　陈　磊　刘浪涛

(1.成都洛带客家文化产业开发有限责任公司,四川 成都　610108;2.中交第三航务(湖南)工程局有限公司,湖南 湘潭　411100;　 3.陕西省交通建设集团公司,陕西 西安　710075)

当前，我国的路面类型一般分为沥青路面和水泥路面，均存在一些缺陷。沥青路面在轮载重复作用或高温气候的影响下易形成永久变形而形成车辙。水泥路面则存在行驶舒适性差，易出现开裂、唧泥、错台等现象，且破坏后维修施工较复杂和周期长。为了弥补上述两种路面的缺陷，半柔性路面应运而生。本研究提出的半柔性路面是指以开级配大空隙率(一般为20%～25%)基体沥青混合料磨耗层作为基料，在空隙中灌入以水泥为主要成分的特殊浆体或其他材料复合而成的一种路面，将沥青和水泥两种结合料融合使用，能够发挥刚柔相济的特性。目前，针对半柔性路面也有了相关研究。郝培文等[1]通过试验研究，发现半柔性材料具备优良的高温稳定性、耐疲劳性能和耐油蚀性能。胡曙光等[2]研究发现半柔性混合料含有适量的聚羧酸减水剂和膨胀剂的水泥胶浆，将发挥较好的抗变形性能。彭霞等[3]根据目标孔隙率开展了半柔性材料级配设计的研究。但上述研究主要与材料试验研究相关，探究路面结构的力学响应较少，为此本文运用ANSYS建立路面结构模型，设置不同的分析条件，在标准轴载作用下，进行力学数值分析，进而探究其力学响应规律。

1　路面结构参数和分析模型

1.1　路面结构和材料参数

根据黄芳[4]、陈成[5]等的研究，推荐半柔性材料的弹性模量为1 600 MPa～3 200 MPa。初选路面结构和材料参数，见表1。分别调整面层厚度、面层模量、基层模量进行研究。

表1　路面结构和材料参数

1.2　荷载形式

采用双圆垂直均布荷载，轮胎接地压力为0.7 MPa。当量圆半径δ=10.65 cm，直径d=21.30 cm，轮隙间距1.5d=31.95 cm。为了便于建模，轮载分布采用垂直均布正方形替代圆形，即将圆形面积等效为正方形面积，再求边长，即边长为18.88 cm。

1.3　路面结构分析模型

路面设计时一般把路面当作半无限弹性多层体系。但通过有限元开展分析，土基仅能取有限尺寸。研究表明，荷载作用效应达到一定厚度后可忽略，对于静态问题，厚度应不小于6 m；动态问题，厚度应不小于12 m，同时考虑边界条件、计算精度和速度的影响，则模型尺寸取为长5 m×宽5 m×厚6 m。本文建模采用的实体单元为Solid45，建立路面结构三维有限元模型，划分两个边长为18.88 cm的正方形加载面。X为宽度方向；Z为行车方向；Y为厚度方向。边界条件为：由于路面结构在轮载作用下，Y方向有位移变化，则模型底部施加固定约束；X，Z方向基本无位移变化，则施加水平位移约束。计算模型见图1。以表1所示的路面结构和材料参数为基准，设置不同的分析条件：面层厚度取为：0.15 m，0.175 m，0.20 m，0.22 m，0.225 m，0.25 m；面层模量取为：1 800 MPa，2 000 MPa，2 400 MPa，2 800 MPa，3 200 MPa；基层模量取为：1 000 MPa，1 400 MPa，1 600 MPa，1 800 MPa，2 000 MPa，2 200 MPa。

2　计算结果及分析

2.1　面层厚度变化的的力学响应

面层厚度分别采用0.15 m,0.175 m,0.20 m,0.22 m,0.225 m,0.25 m，得出面层层底拉应力、面层剪应力、弯沉的变化情况，结果见图2～图4。图2表明当面层厚度逐渐增加，层底拉应力均减小；图3表明随着面层厚度增加，以0.22 m为分界，最大剪应力出现先减小再增加的力学响应规律，因此路面面层厚度设计时要充分考虑，否则造价升高了，却达不到预设的抗剪效果；图4表明随着面层厚度增加，外侧车轮中心、内侧车轮中心、轮隙中心处的弯沉均减小；最大弯沉值位于内侧车轮中心，外侧车轮中心稍微较小，轮隙中心的最大弯沉平均约为内侧车轮中心的95.5%。

2.2　面层模量变化的力学响应

面层模量分别采用1 800 MPa,2 000 MPa,2 400 MPa,2 800 MPa,3 200 MPa，得出面层层底拉应力、面层剪应变、弯沉的变化情况，结果见图5～图7。当面层模量增加，层底最大拉应力、弯沉均逐渐减小。当面层模量由1 800 MPa增加到3 200 MPa，最大剪应变降低了约40.3%，降幅十分明显，这说明半柔性材料的抗剪性能较好。

2.3　基层模量变化的力学响应

基层模量分别采用1 000 MPa,1 400 MPa,1 600 MPa,1 800 MPa,2 000 MPa,2 200 MPa。得出面层层底拉应力、面层剪应变、弯沉的变化情况，结果见图8～图10。当基层模量增加，最大剪应变、弯沉均逐渐减小，层底最大拉应力逐渐增加。这说明基层模量的增加虽然能够改善面层的抗剪性能，然而也降低了面层的抗疲劳开裂性能。

2.4　面层厚度与面层模量变化的对比分析

图2,图5显示，相比面层模量，面层厚度的变化对层底最大拉应力、弯沉影响显著，这说明增加面层厚度是减小层底最大拉应力和弯沉的较好方法，但过度使面层厚度提高也会导致造价升高。相比面层厚度，增加面层模量能很大程度降低剪应变，增强路面的抗剪切性能。因此半柔性路面设计时能够实现选择较薄的面层厚度、较高的面层模量。

2.5　面层模量与基层模量变化的对比分析

图5显示增加面层模量可减小层底最大拉应力，而图8显示增加基层模量将增加层底最大拉应力，增幅高达约46%，因而要合理控制基层模量的大小。由图6和图9可知，在减小面层剪应变方面，当面层模量由1 800 MPa增加到3 200 MPa时，最大剪应变降低了约为40.3%，而当基层模量由1 000 MPa提高到2 200 MPa时，最大剪应变仅降低了约5.5%，这说明增加面层模量是提高路面抗剪性能更有效的方法。由图7和图10可知，增加面层模量和基层模量都能有效地减小弯沉，因此可以减小路面厚度，减少工程造价。

3　结语

1)通过计算分析可知，路表最大弯沉值位于内侧车轮中心，其次为外侧车轮中心，最小为轮隙中心。对于路面设计时，考虑弯沉指标需重点分析内侧车轮中心的弯沉值。

2)相比基层模量，增加面层模量是减小面层剪应变更合适的方法，这表明半柔性材料由于具有较高的模量，因此能够发挥较好的抗剪性能。

3)在设计半柔性路面时，在满足各设计指标的要求下，需合理控制面层厚度和基层模量。面层厚度超过一定控制值后，反而会导致面层剪应力增加，同时也增加工程造价；基层模量增加虽能够有效降低弯沉，然而同时在一定程度上将增加面层层底拉应力。因此，设计时需进行综合考虑。

参考文献：

[1]郝培文,程磊,林立.半柔性路面混合料路用性能[J].长安大学学报(自然科学版),2003(2):1-6.

[2]胡曙光,张荣鹍,丁庆军,等.半柔性路面灌注水泥胶浆的性能研究[J].公路,2009(7):1-6.

[3]彭霞,梁遐意.半柔性路面基体沥青混合料级配设计方法研究[J].山西建筑,2016,42(20):101-103.

[4]黄芳,吴国雄,王燕,等.半柔性路面复合材料抗压回弹模量研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2008(1):65-68，133.

[5]陈成.高速公路隧道路面半柔性结构的研究[D].重庆:重庆交通大学,2011.