基于不同工藝瀝青路面坑槽修補結構受力分析＊

李煒光經冠舉 田智仁 肖 燕 延麗麗 呂振北 田耀剛

（長安大學材料學院1） 西安 710064） （交通鋪面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （中交通力公路勘察設計工程有限公司3） 西安 710075）

0 引 言

瀝青路面以行車平穩、舒適、噪聲低、維修養護方便、可再生利用等優點在各類公路和城市道路中得以廣泛應用.但公路交通存在著流量大以及超載現象嚴重等問題，同時由于道路結構在使用過程中質量監控的不足，在環境與荷載耦合作用下，致使路面結構在開通后短時間內就會出現車轍、泛油、開裂、坑槽等不同程度的破損，嚴重影響車輛行駛的安全性和舒適性［1－3］.本文在已有瀝青路面坑槽修補技術研究的基礎上，運用ANSYS大型有限元仿真分析軟件，通過計算機模擬仿真，對坑槽修補后不同修補厚度、不同修補結構尺寸進行仿真模擬.

1 有限元模型建立

1.1 材料參數設定

在進行道路結構分析時，通常把路面的各層結構假定為平面無限大的彈性體，而一般把路基假定為彈性半空間體［4－8］.為了便于比較分析，通過對比路面經驗模型尺寸選取的道路結構尺寸為路面板寬4m、長4m、深5m.各結構層的材料性能指標及厚度見表1.

表1 不同結構層的材料參數

本文采用標準軸載BZZ－100，輪胎內壓0.7MPa，矩形壓?。?］.將車輪荷載簡化為正方形均布荷載，經過換算的正方形荷載作用面積為0.189m×0.189m，2輪內緣間距為0.13m，即2輪中心距為0.319m.此外，由于不同結構層的受力大小不同，若單位尺寸劃分較小則計算結構復雜，如尺寸劃分較大則不能夠很好模擬道路各層受力狀態，因此，采用典型結構模型，網格劃分的單元尺寸為面層0.1m×0.1m×0.05m，基層為0.1m×0.1m×0.1m，土基為0.1m×0.1m×0.2m.

1.2 有限元分析模型

在計算機仿真分析中，模型的建立不可能達到無限區域.在具體建模過程中，必須考慮模型的尺寸大小.因此，應該合理的選擇道路結構模型尺寸，盡量保證選擇的模型大小既能滿足計算結果的精度要求又不至于過大而增加計算量［10］.單元劃分采用SOLID45，有限元模型見圖1.

圖1 荷載作用模型

2 修補結構尺寸對坑槽受力的影響

2.1 坑槽長寬度變化對結構的受力影響

為了分析坑槽的長度和寬度變化對坑槽結構受力的影響，分別采用以下幾種尺寸（x×y×z）：120cm×100cm×10cm，100cm×100cm×10 cm，100cm×120cm×10cm.由于當坑槽尺寸變化時，若荷載仍作用在中心位置，則坑槽壁縫處離荷載的位置也隨之變化，此時無法對比分析坑槽的尺寸對結構受力的影響，因此荷載位置采用作用在沿坑槽縱向壁縫內側中心處，見圖2.且對于坑槽的同一深度處，經分析可知縱向壁縫所受的應力值要比橫向壁縫處大，所以計算主要選取縱向壁縫進行分析.

圖2 荷載作用下坑槽結構應力分析云圖

由于道路在行車過程中主要受拉壓應力和剪應力作用，坑槽縱向壁縫處各方向剪應力值中τz最大，且坑槽底緣（z＝10cm）處剪應力大于坑槽表面處，因此在以下分析中，以剪應力τz為例，分析坑槽尺寸對其影響，計算結果見圖3和圖4.拉應力值選取較大的沿道路方向y 計算，計算結果見圖5和圖6.

圖3 不同寬度縱向壁縫處剪應力τz對比圖（z＝0cm）

圖4 不同寬度縱向壁縫處剪應力τz對比圖（z＝10cm）

圖5 不同寬度縱向壁縫處拉應力對比圖（z＝0cm）

圖6 不同寬度縱向壁縫處拉應力對比圖（z＝10cm）

由圖3～圖6可見：（1）不同尺寸坑槽壁縫表面處的剪應力均小于坑槽底緣10cm 處，表面拉應力負值大于底緣拉應力值；（2）當保持坑槽縱向尺寸不變增大橫向寬度時，隨著橫向寬度的增加，當橫向寬度由100cm 增加到120cm 時，坑槽壁縫10cm 深度處剪應力明顯減小，但隨著橫向寬度的增加，坑槽縱向壁縫處的拉應力負值逐漸減小，出現由壓向拉的變化趨勢，且坑槽壁縫附近出現拉應力；（3）當保持坑槽橫向尺寸不變增大縱向寬度時，隨著縱向長度的增加，當縱向寬度由100cm 增加到120cm 時，坑槽壁縫處剪應力略有增加.拉應力值變化也不明顯，且在坑槽范圍附近未出現拉應力值.

2.2 不同坑槽修補厚度的坑槽結構受力分析

根據道路結構產生坑槽破損程度的不同，選擇了2，6和10cm 3種深度的坑槽修補結構進行計算分析，目的在于在施工過程中能夠根據不同的坑槽破壞尺寸確定較合理的修補層厚度.荷載作用仍取為標準軸載0.7 MPa，作用位置取荷載作用在坑槽正中央.建模過程中保持坑槽水平方向尺寸不變，改變修補層的厚度，分別采用以下幾種尺寸：100cm×100cm×2cm，100cm×100cm×6cm，100cm×100cm×10cm，坑槽修補材料彈性模量為5000 MPa，針對上述3個模型對坑槽橫向底緣、縱向底緣的應力進行分析，計算結果見圖7、圖8.

圖7 不同厚度縱向壁縫底緣剪應力對比圖

圖8 不同厚度縱向壁縫底緣拉應力對比圖

從圖7和圖8中不同坑槽修補深度坑槽底緣應力曲線變化情況可以看出，不同深度情況下，坑槽表面和底緣拉應力均為負值，即都處在受壓狀態，且表面壓應力大于坑槽底緣深度處；隨著修補厚度的不斷加深，坑槽縱向壁縫處的豎向剪力τxz逐漸增大，最大值均出現在縱向壁縫底緣中間處；當修補厚度加深時，坑槽壁縫的拉應力均為負值，且逐漸減小.

3 結 論

1）不同尺寸坑槽壁縫表面處的剪應力均小于坑槽底緣10cm 處；坑槽橫向寬度的增大使坑槽結構壁縫處的剪應力值減小，但使拉應力值增大；縱向寬度的增加對坑槽結構受力的影響較小.

2）隨著修補深度的不斷加深，坑槽縱向壁縫處豎向剪力τxz逐漸增大，最大值均出現在縱向壁縫中間處；當修補厚度加深時，坑槽壁縫的拉應力負值逐漸減小，但不同厚度的坑槽底緣都只處在受壓狀態.

3）通過不同坑槽尺寸及修補厚度分析可得，當坑槽尺寸為120cm×100cm×10cm 且修補厚底越薄時，坑槽壁縫所受到的剪應力最小，這將為坑槽修補工藝的選擇提供理論支撐.

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