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1、半刚性沥青路面车辙三维有限元分析毕林昌，张英超（中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京，100025）摘要：基于半刚性基层沥青路面车辙严重现状，利用 ANSYS 有限元软件建立三维有限元模型，通过研究不同轴载以及不同结构参数下沥青层剪应力的变化规律，为防止半刚性沥青路面车辙破坏提供理论依据。关键词：道路工程；半刚性沥青路面；有限元分析；车辙Three-dimensional Finite Element Analysis of Semi-rigid Asphalt Pavement RuttingAbstract: In this paper, based on the serious situ
2、ation of rutting in semi-rigid base asphalt pavement and semi rigid pavement asphalt layer are studied. Axial load and structure parameters on the shear stress of asphalt layer are studied, which is in order to provide the theory basis for semi-rigid asphalt pavement, and give some suggestions. This
3、 paper builds three-dimensional model of semi-rigid asphalt pavement by using ANSYS finite element software, which is given with the bi-directional loads. The calculation results show that: for asphalt layer shear stress indicators, 18cm of asphalt surface is a economic point, and the thickness of a
4、sphalt layer is suggested take 18cm; and when asphalt layer thickness and basement modulus and basement thickness increases, the asphalt layer shear stress increases too; and when asphalt layer modulus increases, the asphalt layer shear stress decreases.Key words: Road Engineering; Semi-rigid Base A
5、sphalt Pavement; The Finite Element Analysis; Pavement Rut0 前言随着我国经济实力的迅速崛起，公路等基础建设亦迅速发展。目前，我国高速公路绝大多数为沥青路面，其中，90%以上采用半刚性基层沥青路面结构。近几年发现，随着交通量以及轴载的增加，半刚性沥青路面多出现车辙等病害，且难以根治。然而，就目前而言，我国公路沥青路面设计规范中对于车辙还未有相关的设计指标和建议。因此本文对半刚性沥青路面车辙问题进行分析，利用 ANSYS 有限元分析软件建立三维有限元模型，研究不同参量的变化对沥青路面车辙的影响，从而为半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。1
6、 典型半刚性沥青路面结构及其参数我国高速公路上半刚性沥青路面结构较多，但均具有相同的特性。半刚性基层沥青路面结构是根据“强基薄面”理论进行设计的，即以半刚性基层作为承重层，沥青层主要作为功能层。我国高速公路上常用半刚性沥青路面结构的沥青面层均为三层，厚度在 16cm22cm 之间；半刚性基层大多采用水泥稳定碎石材料，厚度在 20cm40cm 之间；底基层一般采用水泥稳定砂砾材料，厚度在15cm30cm 之间；垫层一般采用砂砾材料，厚度在 10cm15cm 之间。因此，本文根据以上信息，选用的典型半刚性沥青路面结构及其参数如下表所示。表 1 典型半刚性基层沥青路面结构及参数结构层 厚度（cm ）
7、 模量(MPa) 泊松比沥青混凝土上面层 5 1800 0.35沥青混凝土中面层 7 1800 0.35沥青混凝土下面层 8 1800 0.35水泥稳定碎石 30 3600 0.25水泥稳定砂砾 20 3400 0.25砂砾 15 180 0.35路基 50 0.42 沥青路面三维有限元模型的建立ANSYS 是基于有限元原理开发形成的大型有限元软件，常被用于各种结构的力学分析或者其他方面分析，且是公认的结构仿真度高的大型软件之一。因此本文采用 ANSYS 有限元分析软件对半刚性沥青路面结构进行三维有限元分析。在对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型时，采用 SOLID45 单元，此单元能模拟结
8、构在承受荷载时的各种力学响应；本文建立的三维有限元模型的尺寸为 6m6m6m；其中，X 轴为路面横向，Y 轴为行车方向，Z 轴为竖直方向。由于在行车中汽车轮胎对沥青路面有行车方向的摩擦力，因此本文采用双圆均布荷载的同时，对路面结构施加水平方向的摩擦力，为竖直荷载的 0.2倍。此外，沥青路面结构层之间为为完全连续，X 轴和 Y 轴的界面分别对其 X方向和 Y 方向的位移进行约束，路基底面进行固定约束。建成的沥青路面三维有限元模型如下所示。a 沥青路面有限元图 b 双圆荷载示意图图 1 半刚性沥青路面三维有限元效果图3 不同轴载作用下沥青路面剪应力随着物流的增加，我国高速公路的交通量增加，因此超载
9、现象也逐渐增加。相关研究指出，轴载的增加会直接导致半刚性沥青路面车辙的出现，因此本文对不同轴载下的沥青路面进行研究。我国规范没有给定超载情况下压力及半径尺寸，按比利时方法计算，具体参数见下表。表 2 不同轴载下轮胎压力与作用圆半径轴载（kN） 100 120 140 160 180 200压力（MPa） 0.7 0.755 0.809 0.845 0.880 0.904半径（cm） 10.65 11.15 11.76 12.25 12.76 13.24半刚性沥青路面结构车辙的出现主要是由于沥青层所受剪应力过大，超过其抗剪强度或者容许抗剪强度。因此本文对车辙的研究，主要是研究不同参量下沥青层剪应
10、力指标的变化。本文根据以上给定的路面结构参数以及轴载，利用 ANSYS 有限元软件对路面结构的剪应力进行分析，得到结果如下图所示。170.256184.772200.447 205.72214.059 221.174100 120 140 160 180 200100120140160180200220240轴 载/kN沥青层剪应力/kPa图 2 沥青层剪应力随着轴载变化图如上图所示，随着轴载的增加，沥青层剪应力逐渐增加。当轴载为 100kN时，沥青层最大剪应力为 170.256kPa；当轴载由 100kN 增加到 200kN 时，沥青层最大剪应力为 221.174kPa，增加了 30.24%
11、。当轴载在 100kN200kN 之间变化时，轴载每增加 10%，沥青层最大剪应力增加 5.1kPa。此外，一般而言，成型的沥青混合料在考虑疲劳效应时，容许剪应力控制在 190kPa280kPa 之间。由于此处计算分析时，假定层间为完全连续状态，然而在实际施工时很难做到完全连续，因此在此沥青层容许剪应力取下限值。由此可知，在轴载为 120kN以下时，半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力满足要求；但当轴载达到 140kN以上时，沥青层剪应力偏大，在重复荷载作用下，沥青层极容易产生车辙。在不同轴载作用下，沥青层剪应力的分布规律基本相同。为了更深入的研究沥青层剪应力的平面分布，本文利用 MATLAB 软
12、件做出轴载为 100kN 时沥青层剪应力的分布图，具体如下所示。图 3 沥青层剪应力平面分布图由图 3 容易看出，荷载作用下的半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力出现两个最大峰值，分别出现在轮迹外侧边缘。此外，除却两个最大波峰外，还存在若干较大波峰，均出现在最大波峰的周围。由此可知，沥青层剪应力呈不均与分布，且沿轮隙线呈反对称。4 不同结构参数下沥青路面剪应力半刚性沥青路面结构主要功能层是半刚性基层和沥青面层。一般而言，半刚性基层沥青路面的结构形式不同，主要在于沥青面层和半刚性基层材料不同以及厚度不同。其中，沥青面层和半刚性基层材料不同在力学模型计算中主要表现为弹性模量不同。因此本文从沥青面层和半
13、刚性基层厚度及模量出发，研究在这两种参数变化下，沥青层剪应力的变化规律。首先研究沥青面层厚度的变化情况对沥青层剪应力的影响，其中，沥青层厚度参数如下表所示，计算结果如下图所示。表 3 不同面层厚度下路面结构及参数结构层 厚度（cm ） 模量(MPa) 泊松比沥青面层 1422 1800 0.35水泥稳定碎石 30 3600 0.25水泥稳定砂砾 20 3400 0.25砂砾 15 180 0.35路基 50 0.4200.447190.589175.171170.256 169.11514 16 18 20 22165170175180185190195200205沥 青 面 层 厚 度/cm
14、沥青层剪应力/kPa图 4 不同沥青面层厚度下沥青层剪应力如上图所示，随着沥青面层厚度的增加，沥青层剪应力呈逐渐减小的变化趋势。当沥青层厚度达到 18cm 时，厚度每增加 2cm，沥青层剪应力减小3.5%；当沥青层厚度由 14cm 增加到 18cm 时，沥青层剪应力减小 12.61%，即当沥青层厚度在 14cm18cm 之间时，沥青层厚度每减小 2cm，沥青层剪应力增加 7.71%。由此易知，对于沥青层剪应力指标而言，沥青面层厚度为 18cm 为一经济点；即此时通过增加沥青层厚度来减小沥青层剪应力是不经济的措施。表 4 不同面层模量下路面结构及参数结构层 厚度（cm ） 模量(MPa) 泊松比
15、沥青面层 20 14002200 0.35水泥稳定碎石 30 3600 0.25水泥稳定砂砾 20 3400 0.25砂砾 15 180 0.35路基 50 0.4表 4 列出了在不同面层模量下路面结构及其参数，本文按照上述参数建立有限元模型，对沥青层剪应力进行研究，得到结果如下图所示。160.145163.201170.256178.31187.3631400 1600 1800 2000 2200155160165170175180185190沥 青 面 层 模 量/MPa沥青层剪应力/kPa图 5 不同沥青面层模量下沥青层剪应力由图 5 易知，随着沥青面层模量的逐渐增加，沥青层剪应力逐渐
16、增大。这主要是由于沥青层模量的增加，造成沥青层模量与半刚性基层模量之比逐渐减小，在相同荷载作用下，承担剪应力的就逐渐增加。当沥青面层模量由1400MPa 增加到 2200MPa 时，沥青层剪应力增加了 16.99%，即沥青模量每增加 400MPa，沥青层剪应力增加 8.5%。表 5 不同基层厚度下路面结构及参数结构层 厚度（cm ） 模量(MPa) 泊松比沥青面层 20 1800 0.35水泥稳定碎石 2040 3600 0.25水泥稳定砂砾 20 3400 0.25砂砾 15 180 0.35路基 50 0.4表 5 列出了在不同基层厚度下路面结构及其参数，本文利用 ANSYS 有限元软件，依据上述参数建立有限元模型，对沥青层剪应力进行研究，得到结果如下图所示。190.291180.27170.256160.245150.23720 25 30 35 40100120140160180200基 层 厚 度/cm沥青层剪应力/kPa图 6 不同
