泰安市農村公路瀝青路面結構有限元分析

劉鋒銳 王 勇

(1.濟南高新控股集團有限公司，山東濟南 250101;2.膠南市建筑工程質量監督站，山東青島 266400)

1 概述

瀝青路面結構的組成部分包括面層、基層和墊層三部分。路面作為一類土木工程結構物，設計時必然要考慮在荷載作用下的應力、應變大小，這是結構設計的基礎。由于路基支承、受力狀況、路面材料性質、自然因素等因素的不確定性，從這些要素入手對路面結構進行完善的力學分析是十分困難的，因此一般的研究思路是對路基結構進行分類，根據各類路面結構變形和破壞特征，采取相應的理論和方法進行分析。本文則采用有限元法來對瀝青路面結構進行分析。

2 有限元計算軟件ADINA簡介

2.1 一般問題的ADINA分析步驟

1)創建有限元模型或讀入幾何模型、定義材料屬性、劃分單元(節點及單元)、施加約束、施加荷載。2)對施加荷載進行求解并進行求解控制(時間步、分析假設、時間函數等)。3)查看結果，檢驗結果(分析是否正確)。

2.2 應用ADINA建立路面結構分析模型

1)理論體系:采用層狀彈性體系理論分析瀝青路面;采用層狀彈性地基單層板和層狀彈性地基雙層板理論分析水泥混凝土路面。它的基本假定有:路面結構由多個性能不同的層次組成，在圓形均布荷載的作用下，呈現軸對稱的特性;每個層次都是由均質的、各向同性的線彈性材料組成，材料性能可采用彈性參數E，μ表征;結構的最下層為水平向無限延伸的半無限體，其上各層為水平向無限延伸、豎向有一定厚度的層次。2)荷載:路面設計以單軸雙輪組100 kN為標準軸載。模型加載方式采用在路表相應加載位置處施加雙圓垂直均布荷載或單圓垂直均布荷載，雙圓垂直均布荷載當量圓直徑d=21.3cm，圓心間距為1.5d=31.95 cm，輪胎接地壓強p=0.7 MPa;單圓垂直均布荷載當量圓直徑d=30.2 cm。3)結構模型:路面結構在水平方向和深度方向取其有限尺寸。按照層狀彈性理論進行分析。4)劃分網格:應用三維實體單元(3-D Solid單元)對模型體進行網格劃分。5)邊界條件:對路面結構模型的側面即左右面Y方向進行約束，模型的前后面X方向進行約束，底部完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。

2.3 基于ADINA的路面結構有限元分析的實例及驗證

新建瀝青路面結構計算示例JTG D50-2006公路瀝青路面設計規范。

新建高速公路地處Ⅱ2區，為雙向四車道，擬采用瀝青路面結構進行施工圖設計，沿線土質為中液限黏性土，填方路基高1.8 m，地下水位距路床2.4 m，屬中濕狀態;年降雨量為620 mm，最高氣溫35℃，最低氣溫-31℃，多年最大道路凍深為175 cm，平均凍結指數為882℃，最大凍結指數為1 225℃。

設計路段路基處于中濕狀態，路基土為中液限黏性土，根據室內試驗法確定土基回彈模量設計值為40 MPa。

根據地區的路用材料，結合已有工程經驗與典型結構，擬定了三個結構組合方案:

方案1:

4 cm細粒式瀝青混凝土+6 cm中粒式瀝青混凝土+8 cm粗粒式瀝青混凝土+38 cm水泥穩定碎石基層+17 cm水泥石灰砂礫土層。

方案2:

4 cm細粒式瀝青混凝土+8 cm中粒式瀝青混凝土+15 cm密級配瀝青碎石+20 cm水泥穩定砂礫+18 cm級配砂礫墊層。

方案3:

4 cm細粒式瀝青混凝土+8 cm中粒式瀝青混凝土+2×15 cm密級配瀝青碎石+35 cm級配碎石。

根據設計配合比，選取工程用各種原材料制件，按照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》中規定的頂面法測定半剛性材料的抗壓回彈模量;按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中規定的方法測定瀝青混合料的抗壓回彈模量，測定20℃和15℃的抗壓回彈模量。

根據上述基本資料，建立路面結構有限元分析模型如圖1所示。

圖1 瀝青路面結構ADINA分析模型

圖2 瀝青路面結構層豎向位移示意圖

采用層狀彈性體系理論分析，單軸雙輪組100 kN標準軸載作用在路表，雙圓垂直均布荷載當量圓直徑d=21.3cm，圓心間距為31.95 cm，輪胎接地壓強p=0.7 MPa。應用三維實體單元。

通過ADINA有限元分析計算，得到瀝青路面各結構層豎向位移和路標彎沉如圖2，圖3所示。

圖3 標準軸載作用下路表彎沉分布圖

對路面結構有限元分析結果進行匯總，并與現行公路瀝青路面設計規范JTG D50-2006的計算結果進行對照，如表1所示。

表1 結構方案計算結果 0.01 mm

由表1可以得出:二者關于路表計算彎沉和各結構層層底拉應力計算結果是十分接近的。按照上述ADINA有限元法分析瀝青路面結構，符合現行公路瀝青路面設計規范的要求。ADINA有限元法可以應用于實際瀝青路面工程的設計分析。

3 泰安市農村公路瀝青路面典型結構

1)農村公路路面的特點及標準。泰安市農村公路采用的瀝青路面，路面結構一般由面層、基層、底基層與墊層組成。

2)農村公路的基本要求。交通部頒布的《農村公路建設暫行技術要求》中的條文規定:農村公路的瀝青路面類型要根據工程建設地的自然條件、建材資源和工程投資等情況進行合理的選定。具體的厚度要求如表2所示。

表2 農村公路瀝青路面結構層最小厚度

農村公路采用瀝青路面的，其路基壓實度應符合表3的要求，路基壓實度達不到表3要求的路段，宜采用砂石等其他路面結構類型。

表3 壓實度最小值

3)農村公路瀝青路面典型結構。在泰安市農村公路水泥路面結構的各項設計參數的基礎上，借鑒泰安市農村公路的修筑經驗和使用性能良好的路面結構，通過理論分析，提出泰安市農村公路的瀝青路面典型結構，如表4，表5所示。

表4 通縣公路的瀝青路典型路面結構

表5 通鄉公路的瀝青路典型路面結構

4 結語

本文采用有限元法來分析路面結構的受力性狀。先介紹了有限元軟件ADINA的適用范圍及建模過程，然后根據地區的路用材料，結合已有工程經驗與典型結構，擬定了三個結構組合方案。分別對這三個方案進行分析，把各方案有限元計算結果與通過規范計算結果相對比，論證了ADINA有限元分析軟件的適用性及所提方案的可行性，得出適合泰安市的通縣、通鄉的典型路面結構。

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