车载作用下饱水沥青路面的动力响应

曹 兵，梁 楠，黄 俊，潘 昕

1.安徽工程大学建筑工程学院，芜湖，241000； 2．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉，430070



车载作用下饱水沥青路面的动力响应

曹 兵1，梁 楠1，黄 俊2，潘 昕2

1.安徽工程大学建筑工程学院，芜湖，241000； 2．武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉，430070

为了研究水-荷载耦合作用下路面的力学行为，首先建立饱和沥青路面的有限元模型，并给出边界条件、荷载形式以及材料参数；然后分析在行车荷载作用下，饱水状态沥青路面的最大孔隙水压力、竖向位移以及剪应力的分布情况。分析表明，路面结构的应力场和位移场均有较大变化，正负交替的孔隙水压力会造成沥青集料的严重剥落，各面层结构中的竖向位移变化基本一致，剪应力分布较为集中，有可能使路面出现严重的车辙破坏。

沥青路面；动力响应；水-荷载耦合;有限元分析

沥青路面是我国公路路网的主要路面结构型式，虽然它作为一种无接缝的连续路面具有行车振动小、噪声低、养护方便、行车舒适等众多优点，但路面的破坏情况同样非常突出，尤其是早期的破坏，通常使得路面路面普遍达不到设计的使用寿命[1-2]。目前，国内外学者对沥青路面结构的动态响应进行了研究，但对饱和水沥青路面的研究还较少，已有研究结果表明，水是造成沥青路面破坏的关键因素[3-10]。水损害是指刚修筑完成的路面结构，由于水分渗入后不能及时排出，行车荷载和温度的反复作用，使沥青与集料相剥离，造成路面强度降低，并导致一系列松散、坑槽、车辙等破坏。水损害会对行车过程带来极大的安全隐患，而且会消耗巨大的维修成本。因此，研究饱水状态的沥青路面在孔隙水-行车荷载耦合作用下应力场、位移场的变化规律，对了解路面的破坏机制是十分必要的，同时对改善技术措施、完善路面性能、消除早期破坏、延长使用寿命，具有十分重要的意义。本文采用ANSYS有限元软件模拟饱水状态下的沥青路面结构，并通过施加行车荷载，对路面结构在水-应力耦合作用下的孔隙水压力、剪应力、竖向位移等指标的变化规律进行分析。

1 有限元模型的建立

1.1 模型与边界条件

为保证计算的准确度，避免过多的计算量，分析模型采用3 m×3 m的二维平面模型，结构层厚度自上而下分别为上面层0.04 m、中面层0.06 m、下面层0.08 m、基层0.36 m、底基层0.20 m、土基2.26 m，计算模型中面层和基层均采用弹性模型，土基采用摩尔-库伦弹塑性模型[4]，最终建立有限元模型(图1)。

图1 有限元模型

模型边界条件设为：模型的下边界水平向和竖向均固定且不透水；模型的左右边界水平向固定，但竖向可以自由移动且不透水；模型的上边界水平向固定，但竖向自由，除加载区间不透水外，其余区间段均透水。

1.2 行车荷载

荷载的形式多种多样，车轮尺寸、轮胎的纹理等都会影响荷载的类型与大小。由于圆形均布荷载与普通车辆车轮的实际情况比较吻合，故我国现行规范中车辆荷载简化为双圆均布垂直荷载[6]，如图2。

图2 车轮荷载模型

在模拟行车荷载时，采用正弦荷载的形式，圆均布垂直荷载最大值为Pmax=0.7 MPa，单次行车的作用时间为T，在分析时段的任意时刻，均布荷载值函数为如(1)式[7]。以90 km/h的时速作为标准，荷载作用时间为0.05 s，分析时段取T=0.25 s。

(1)

1.3 路面结构材料参数

将面层为三层的高等级沥青混凝土路面取为分析对象，面层沥青混凝土自上而下分别为上面层、中面层、下面层，基层和底基层分别采用水泥稳定碎石和级配碎石，最下面为土基。路面结构模型各层的密度、泊松比、弹性模量及饱和渗透系数等各项参数如表1所示。

表1 结构各层参数

2 计算结果与分析

2.1 孔隙水压力的竖向分布

图3、图4分别为孔隙水压力达到最大时的等值分布云图以及各面层中部和底部最大孔隙水压力的历程曲线。由图3可知，当车辆驶过时，饱和路面结构中的孔隙水压力主要分布在面层结构中。由图4可看出，沥青路面结构各层中的孔隙水压力随行车荷载的变化大致呈正弦变化趋势，当时间t=0.0075s时，孔隙水压力达到正向最大值，随后孔隙水压力开始回落；当时间t=0.025s，此时行车荷载达到最大，孔隙水压力降至零；当时间区间为0.025s至0.05s时，此阶段为逐渐卸荷的过程，孔隙水压力为负向，且逐渐增加；当t=0.05s时，孔隙水压力达到负向最大，在卸荷的瞬间，孔隙水压力大幅度回落，最终降至零。不同面层结构中最大孔隙水压力至上而下逐渐增加，其中正向和负向最大孔隙水压力峰值均出现在下面层底部，分别为81.532KPa和-83.911KPa，而最小孔隙水压力峰值出现在上面层中部，分别为4.7766KPa和-4.3544KPa。

图3 最大孔隙水压力分布

图4 孔隙水压力历程曲线

2.2 竖向位移的分布

沥青路面结构的竖向变形是路面结构破坏的重要判别准则。图5、图6分别为竖向位移达到最大时的等值分布云图以及荷载作用下面层各部位最大竖向位移随时间变化的历程曲线。从图5、图6可以看出，随着荷载的逐渐增加各结构层的竖向位移也逐渐增加，但结构层位移的峰值并不出现在荷载最大的时刻(t=0.025s)，而出现在此时刻之后t=0.0275s时，这说明路面的竖向位移随时间的作用略微有些“迟钝”，类似于惯性的作用。当路面结构达到竖向位移最大值之后会随着荷载的减小而逐渐下降，当荷载达到零即时间t=0.05s时，竖向位移逐渐趋于零。面层结构各部位的竖向位移最大值自上而下逐渐减小，上面层中部位移最大值为56.567/0.01mm，而下面层底部位移最大值为54.06/0.01mm，由此可看出差距不大。

图5 最大竖向位移分布

图6 竖向位移历程曲线

2.3 最大剪应力的分布

图7、图8分别为路面内剪应力达到最大时的等值分布云图以及路面结构内部剪应力在行车荷载作用下随时间变化的历程曲线。从图7、图8可以看出，剪应力主要集中在行车荷载作用面以下面层与基层交汇附近的区域，但其值则向荷载作用范围以外以及底基层明显扩散。剪应力是路面形成裂缝和不平整波浪的主要原因，面层中的剪应力随行车荷载的增加而增加，并在t=0.25s时达到剪应力峰值，之后随荷载的减小而逐渐衰减至零。下面层底部剪应力最大值可达到229.99KPa，而上面层中最大值约为67.978KPa。剪应力主要集中在行车荷载作用面以下面层与基层交汇附近的区域，但其值则向荷载作用范围以外以及底基层明显扩散，由此可见，相对于基层以下部位而言，面层结构中的剪应力分布相对较为集中，当车流量较大时，行车荷载反复作用很容易导致作用部位的车辙、剪裂等破坏，因此，提高面层结构的抗剪能力，对防止路面发生破坏十分有效。

图7 最大剪应力分布图

图8 最大剪应力历程曲线

3 结 论

本文通过建立车载作用下沥青路面结构在饱水状态下的有限元模型，模拟分析出了路面结构内部的孔隙水压力、剪应力、竖向位移等的时程变化以及分布情况，通过对结果的分析，得出如下结论：

(1)饱和沥青路面的面层结构中，孔隙水压力正负交错变化较大，其数值大致呈正弦变化趋势，这种正负向变化的孔隙水压力会对路面结构造成往复的冲刷和挤涨，很容易使沥青混合料失去粘接作用，继而导致路面破坏。

(2)路面结构的竖向位移大致与行车荷载的加载规律相同，但位移的变化又相对“滞后”于车辆荷载的施加，类似于惯性作用。位移峰值出现在行车荷载峰值之后，而当行车荷载卸荷时，路面变形也会“缓慢”消失。

(3)路面结构中剪应力的分布主要集中在行车荷载以下面层底部与基层交接的部位，且向四周逐渐扩散，剪应力的变化基本同荷载值的变化相一致。

剪应力的出现会使路面出现车辙，因此，在对路面进行设计与施工时都应该采取措施对路面结构的强度予以保证。

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(责任编辑：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.02.026

2016-11-21

安徽自然科学基金项目“焊接新组合式异形钢管混凝土力学性能研究”(1708085QE121);安徽高等教育提升计划项目“组合式异形钢管约束混凝土等效本构关系研究”(TSKJ2016B25);安徽工程大学科研启动基金项目“组合式异形钢管混凝土柱轴压力学性能研究”(2015YQQ013);安徽省省级大学生创新创业训练计划项目“组合式异形钢管约束混凝土等效本构关系研究”(201610363116)。

曹兵(1988-)，安徽安庆人，博士，讲师，研究方向：钢与混凝土组合结构。

TU111

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1673-2006(2017)02-0106-04