農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)組合有限元分析

宋煥宇

(平頂山市公路管理局，河南 平頂山 467000)

農(nóng)村公路雖然設(shè)計(jì)交通量較低，但實(shí)際損害現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，很多農(nóng)村公路早期損害顯著。造成這種現(xiàn)象的原因很多，有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因，有材料設(shè)計(jì)的原因，也有荷載超載的原因。本文針對(duì)農(nóng)村公路中典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)和水泥路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，著重探討車輛荷載作用下路面的結(jié)構(gòu)性能。

1 湖北省農(nóng)村公路典型路面結(jié)構(gòu)

湖北省在長(zhǎng)期的農(nóng)村公路建設(shè)中積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了一些典型的農(nóng)村公路路面結(jié)構(gòu)型式［1～5］。這些路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)實(shí)用，符合本地的施工工藝水平。湖北省農(nóng)村公路的路面結(jié)構(gòu)形式主要包括面層和基層，只有少數(shù)設(shè)置了墊層，有的地區(qū)基層又細(xì)分為基層和底基層。其中，面層包括如下幾種類型:水泥混凝土、瀝青混凝土、瀝青表處、瀝青貫入;基層(底基層)包括如下幾種類型:水泥穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石、填隙碎石、石灰或水泥穩(wěn)定土、石灰穩(wěn)定砂礫、水泥穩(wěn)定石屑、石灰土、石灰土碎石。

本文路面結(jié)構(gòu)分析包括兩個(gè)階段，從湖北省典型農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)中優(yōu)選一種結(jié)構(gòu)，第二階段，對(duì)優(yōu)選的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，最終確定面層厚度或基層厚度。其中，瀝青路面首先確定基層厚度，然后在基層厚度確定的情況下優(yōu)化其面層厚度;水泥路面首先確定其面層厚度，再在此基礎(chǔ)上確定其基層厚度。

根據(jù)對(duì)湖北省農(nóng)村公路的調(diào)查研究，第一階段兩組路面結(jié)構(gòu)如表1和表2所示。

表1 瀝青混凝土路面典型路面結(jié)構(gòu)

表2 水泥混凝土路面典型路面結(jié)構(gòu)

2 有限元模型的建立

鑒于農(nóng)村公路的特殊性，根據(jù)對(duì)湖北省農(nóng)村公路交通組成的調(diào)查研究，結(jié)合國(guó)內(nèi)外同類型路面研究成果，以及建模方便，荷載選用均布荷載，平均軸載P=61 kN［6］。選用ADINA 8.3進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析［7］。

本文建模采用典型的層狀彈性體系，假定各層都是均質(zhì)各向同性的彈性材料，不考慮結(jié)構(gòu)自重的影響，為更好的模擬空間半無限體［8］，土基在水平方向和向下的深度方向均為無限，整個(gè)路面結(jié)構(gòu)層的水平方向位移為零。寬度方向?yàn)閅軸，深度方向Z軸。路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1。

圖1 農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

根據(jù)規(guī)范要求對(duì)相關(guān)材料的試驗(yàn)確定，不失一般性，并更好地反映試驗(yàn)段的力學(xué)性能，計(jì)算模型中各結(jié)構(gòu)層彈性模量均按試驗(yàn)路實(shí)際參數(shù)取值。AC-13的彈性模量為1450MPa，2%水泥穩(wěn)定粒料的彈性模量為800MPa，3%水泥穩(wěn)定粒料的彈性模量為1300MPa，二灰土的彈性模量為550MPa。取路基和瀝青面層的泊松比為0.35，水泥面層泊松比為0.2，水泥穩(wěn)定層的泊松比為0.2，層間摩擦系數(shù)取0.5。

選用ADINA 8.3 2-D Solid Plane Stress進(jìn)行路面輪載應(yīng)力的計(jì)算。經(jīng)過收斂性分析，路面結(jié)構(gòu)共劃分為9400個(gè)單元，37989個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

3.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)第一階段結(jié)構(gòu)分析

3.1.1 路表彎沉的影響

荷載作用下路表的各向位移曲線如圖3，為了得到準(zhǔn)確的彎沉值，這里取兩輪中心處節(jié)點(diǎn)在荷載作用下的豎向位移作為路表計(jì)算彎沉值。分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 垂直荷載作用下的豎直方向位移云圖

圖4 路表彎沉

從圖4可以看出，對(duì)于擬訂軸載61kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，彎沉值的變化方式并不是完全按照基層厚度線性變化;對(duì)于結(jié)構(gòu)A和結(jié)構(gòu)B，路表彎沉值明顯較其它結(jié)構(gòu)類型高。

3.1.2 各層層底最大主應(yīng)力的影響

基層底面最大的主應(yīng)力和底基層底面的最大主應(yīng)力的值如圖5所示。

圖5 面層和基層層底最大主應(yīng)力

從圖5可以看出，層底的最大主應(yīng)力隨結(jié)構(gòu)層厚度變化而變化。不同路面結(jié)構(gòu)基層底面的最大主應(yīng)力變化曲線相差不大。D結(jié)構(gòu)的面層底最大主應(yīng)力最小。E結(jié)構(gòu)雖然面層較厚，但是對(duì)面層底最大主應(yīng)力的改善貢獻(xiàn)不顯著。

3.1.3 土基頂面最大壓應(yīng)變

土基頂面最大壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 土基頂面最大壓應(yīng)變

由圖6可以看出，結(jié)構(gòu)D的土基頂面最大壓應(yīng)變最小。

3.1.4 底基層底面的最大彎拉應(yīng)力

計(jì)算所得的底基層層底最大彎拉應(yīng)力如圖7所示。

圖7 底基層的最大彎拉應(yīng)力

由圖7可以看出，結(jié)構(gòu)D的底基層層底最大彎拉應(yīng)力最小。

綜合路表彎沉、各層層底最大主應(yīng)力、土基頂面的最大應(yīng)變和底基層底的最大彎拉應(yīng)力的分析結(jié)果，推薦D結(jié)構(gòu)類型為最合理基層厚度，由此在下一階段繼續(xù)確定瀝青路面結(jié)構(gòu)的面層厚度。

3.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)第二階段結(jié)構(gòu)分析

由于第一階段確定了基層承載力D結(jié)構(gòu)類型最為合理，本階段采用有限元方法，對(duì)不同面層厚度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，比較分析結(jié)果，確定面層厚度。考慮到路面面層厚度變化對(duì)彎沉值等其它指標(biāo)的影響不會(huì)太大，確定面層厚度主要以面層層底最大彎拉應(yīng)力為要參考依據(jù)。

第二階段路面結(jié)構(gòu)建模如表3所示，在基層、底基層保持不變的情況下，對(duì)面層厚度進(jìn)行優(yōu)化。

通過數(shù)值分析，得出以上五種面層厚度下，面層層底最大彎拉應(yīng)力如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著面層厚度的增加，面層的層底最大彎拉應(yīng)力減小。面層層底的最大彎拉應(yīng)力在D1結(jié)構(gòu)和D3結(jié)構(gòu)之間的減小幅度非常顯著，而在D3結(jié)構(gòu)后減小幅度相對(duì)較小。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性，推薦D3路面結(jié)構(gòu)為最合理面層厚度。

表3 瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)

圖8 面層底最大彎拉應(yīng)力

4 水泥路面的路面結(jié)構(gòu)分析

4.1 水泥路面結(jié)構(gòu)第一階段結(jié)構(gòu)分析

4.1.1 路表彎沉的影響

水泥路面數(shù)值分析的路表彎沉計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

從圖9可以看出，對(duì)于擬訂軸載61kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，彎沉值的變化范圍雖然不是很大，但是基本顯示出彎沉與面層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即面層厚度增加，彎沉有少量減少。

4.1.2 土基頂部的最大壓應(yīng)變

水泥路面數(shù)值分析的土基頂部的最大壓應(yīng)變結(jié)果如圖10所示。

圖10 土基頂部最大壓應(yīng)變

從圖10可以看出，對(duì)于擬訂軸載61 kN，不同的路面結(jié)構(gòu)下，土基頂面的最大壓應(yīng)變的變化范圍雖然不是很大，但是基本顯示出土基頂部的最大壓應(yīng)變與面層厚度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即面層厚度增加，土基頂部的最大壓應(yīng)變有少量減少。

綜合路表彎沉和土基頂面的最大壓應(yīng)變的分析結(jié)果，推薦d結(jié)構(gòu)類型為最合理面層厚度，由此在下一階段繼續(xù)確定水泥路面結(jié)構(gòu)的基層厚度。

4.2 水泥路面結(jié)構(gòu)第二階段結(jié)構(gòu)分析

第一階段確定了面層結(jié)構(gòu)為d種路面結(jié)構(gòu)最為合理，因此在第二階段主要確定路面基層厚度，而路面基層厚度的確定主要參考參數(shù)為彎沉值和基層層底最大彎拉應(yīng)力。

第二階段建模路面結(jié)構(gòu)如表4。在面層保持不變的情況下，對(duì)基層厚度進(jìn)行優(yōu)化。各結(jié)構(gòu)面層層底最大彎拉應(yīng)力、彎沉結(jié)果見圖11、圖12。

表4 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)

圖11 基層層底最大彎拉應(yīng)力

圖12 路面彎沉

由圖11、圖12可發(fā)現(xiàn)，基層的層底最大彎拉應(yīng)力基本上是隨著基層的厚度增加而增加的，d1結(jié)構(gòu)和d3結(jié)構(gòu)之間的應(yīng)力跨度比較大，而d3種結(jié)構(gòu)之后的應(yīng)力跨度比較小，而彎沉值的變化也不是很明顯，由此通過這兩種參數(shù)的比較，在安全性和經(jīng)濟(jì)性的角度考慮，我們推薦d3種路面結(jié)構(gòu)的基層為最合理基層厚度。

由圖11可以看出，隨著基層厚度的增加，基層的層底最大彎拉應(yīng)力基本上呈增大趨勢(shì)。基層的層底最大彎拉應(yīng)力在d1結(jié)構(gòu)和d3結(jié)構(gòu)之間的增大幅度非常顯著，而在d3結(jié)構(gòu)后增大幅度相對(duì)較小。圖12可以看出，彎沉值的變化隨基層類型的變化逐漸減小。因此，考慮到經(jīng)濟(jì)性，推薦d3路面結(jié)構(gòu)為最合理面層厚度。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)低交通量道路典型瀝青路面結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真分析，以湖北省典型農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了比較，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，確定了低交通量農(nóng)村公路瀝青路面和水泥路面的典型路面結(jié)構(gòu)形式。為今后湖北省農(nóng)村公路的建設(shè)提供了力學(xué)依據(jù)，為又好又快地建設(shè)湖北省農(nóng)村公路提供了技術(shù)支持。

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