基于ABAQUS的瀝青路面有限元仿真模型研究

司春棣 ，陳恩利，范喜安，王 揚，郁圣維

（1.石家莊鐵道大學交通環境與安全工程研究所，河北 石家莊 050043；2.河北省交通安全與控制重點實驗室，河北 石家莊 050043；3.河北省高速公路張涿保定段籌建處，河北 保定 074100）

瀝青路面是指在柔性或半剛性基層上鋪筑一定厚度瀝青面層的路面結構[1]，作為一種無接縫連續路面，它具有行車平穩性好、振動小、噪聲低、整體強度高、維修方便等特點，因此被廣泛應用于高等級道路[2-3]。然而由于重載、水及其他環境原因，瀝青路面早期破壞問題越來越嚴重，常見損壞多而復雜，如裂縫、脫落、車轍等。

一方面，瀝青路面在高等級道路上得到了越來越廣泛的應用，另一方面，瀝青路面又暴露出眾多的病害，因此國內外學者相繼展開了對瀝青路面的大量研究，隨著計算機技術的發展，對瀝青路面的數值模擬分析越來越普遍，并且取得了很多有價值的成果。

這些研究采用的理論基礎各不相同，分為層狀線彈性理論、黏彈性理論及彈塑性理論[4-7]；破壞現象多集中在低溫開裂、車轍、層間滑移破壞、疲勞破壞等[8-9]；研究內容涵蓋了路面溫度應力、孔隙水壓力、三向動應力、三向動應變等的數值模擬，進而發展為溫度-應力耦合分析、滲流-應力耦合分析等[10-12]；還有的研究針對特殊工況展開，如高溫、多雨氣候狀況或特殊路段；采用的有限元軟件前些年多為AYSYS軟件，但近年來隨著ABAQUS軟件進入市場，因其具有更多的單元種類、更多的材料類型、更多的接觸和連接類型以及強大的疲勞和斷裂分析功能，在巖土工程領域逐漸得到了廣泛的應用。

本文正是基于工程模擬有限元軟件ABAQUS，在對瀝青路面水損壞機理進行研究的基礎上，探討瀝青路面的滲流場、應力場建模的可行性，對模型結構、材料參數、邊界條件、荷載形式等進行研究，分析瀝青路面的孔隙水壓力、三向應力、豎向沉降等的變化情況，并進行試驗驗證。

1 ABAQUS仿真軟件簡介

基于非線性力學理論和計算固體力學而發展的ABAQUS有限元軟件是國際上功能最強的大型通用數值仿真的重要工具之一，在科學研究和工程分析領域得到了廣泛的應用。它包括能夠反映土體真實性狀的本構模型，擁有模擬土與結構間脫開、滑移等現象的強大接觸面處理功能，可以計算有效應力和孔隙水壓力，準確地建立初始應力狀態，對巖土工程具有較強的適用性。

ABAQUS的分析模塊有兩個，即：ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard是一個通用分析模塊，可用于求解絕大多數線性和非線性問題，包括線性靜態、動態分析及復雜的非線性耦合物理場分析。ABAQUS/Explicit利用顯式動態有限元格式，主要模擬短暫或瞬時動態情況。針對模型的前后處理，ABAQUS軟件提供了人機交互的前后處理模塊ABAQUS/CAE，此模塊是一支持求解器的用戶圖形界面，可利用該模塊進行ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit問題的建模、監控運算和結果處理[13]。

基于此，ABAQUS可解決道路工程領域中的一些典型問題，如瀝青路面結構中的裂縫和車轍問題，瀝青路面的動響應問題，軟土路基上路面結構和橋臺地基的沉降問題，以及路堤邊坡穩定問題等等。本文正是利用ABAQUS軟件的強大功能及在道路工程中的實用性，建立瀝青路面有限元模型，并進行動響應分析。

2 瀝青路面水損壞機理

2.1 瀝青與集料表面的黏附-剝落機理

瀝青路面水損壞的過程表現為：首先，水浸入到瀝青集料中，減弱其黏附力；其次，水滲入到瀝青薄膜與集料表面間，導致瀝青從集料表面剝落[1-2]，如圖1所示。這兩種現象往往是同時存在和相互影響的。

對于集料顆粒表面尖銳的棱角，瀝青很難將其包裹起來，致使此處的瀝青膜很薄，成為很容易遭到破壞的薄弱處。遇水時，水從此處乘虛而入，形成瀝青、集料和水的三相體系，見圖2。

圖1 瀝青從集料表面剝離過程

圖2 瀝青-集料-水體系平衡

在圖2所示的瀝青-集料-水三相體系中，近似平衡方程式為：

由（1）式可求得：

2.2 動水壓力對瀝青路面的影響

雨天路表常覆蓋有一層水膜，當高速行車載荷駛過時，水膜受高速輪胎擠壓，產生動水壓力，如圖3所示。動水壓力可以軟化和剝落瀝青混合料，由黏附理論可知，高能量的水分子與集料的粘附力比瀝青與集料的黏附力大，使混合料的軟化和剝落加快，導致瀝青混合料品質變壞加劇。

靜孔隙水壓力不影響介質的強度和變形，但是，在行車荷載經過的瞬時，由于面層多余的自由水，車輪經過時該區域的孔隙水壓力會達到峰值，這個峰值與鄰近區域的壓力差會引起自由水滲流，并會在介質中產生剪力而影響集料強度。同時，車載反復不斷的碾壓，與孔隙水壓力共同相互作用，使得面層剪切破壞增大而導致面層破壞，嚴重降低路面的使用性能。

圖3 輪胎-水膜-路面接觸狀況

3 瀝青路面滲流場仿真模型及數值模擬

3.1 路面結構及結構參數

對降雨入滲條件下的瀝青路面進行仿真分析，設定瀝青路面各結構層由表及里分別為改性瀝青層(AC)兩層，厚度分別為4cm和6cm；瀝青碎石層(LQS)一層，厚度為10cm；水泥穩定碎石層(CBG)兩層，每層厚18cm；石灰粉煤灰層(LFS)一層，厚度為20cm。路堤(Fill)按1∶1.5放坡，深3m分3層，土基(ground)深5m。構建的路基路面結構三維模型如圖4所示，路基路面結構參數見表1。

圖4 路基路面結構圖

表1 路基路面結構參數

由于瀝青混合料在重載的作用下會表現出一定的塑形，將瀝青路面視為層狀各向同性彈塑性體，層間接觸為完全連續，網格劃分采用C3D8P單元，模型尺寸取為8.00m（縱向）×6.00m（橫向）×8.76 m（豎向）。

3.2 邊界條件

建模時設定如下邊界條件：設定降雨時間為72h以模擬降雨入滲真實情況，地表以下2m為地下水位線。固定模型底部和兩側面的水平位移，利用軟件的BC/Create命令，在左右兩側的邊界上將Distribution空間分布函數設置為隨深度線性增加的靜水孔壓邊界，其余邊界設為不排水。模型底部的初始孔壓為30 kPa，初始孔隙率為8%。

3.3 分析步設置

在分析步模塊中采用Soil類型分析步，設置總時間為10個分析步；在Increamentation中將初始增量步長設為1，其余采取默認值，不做額外修改；分析類型為穩態；在輸出模塊中選取Porous Media/Fluids中的FLVEL作為輸出變量。

3.4 模擬分析

對未降雨、降雨48h和降雨72h三種工況進行模擬，數值模擬結果見圖5～圖7。

由圖5的3種工況下孔隙水壓力云圖對比可看出：由圖5(a)到(b)，降雨48h后，面層及土基的中心部位基質吸力逐漸變小，飽和度逐漸增大，孔隙水壓力隨之變大。未降雨時，路表孔隙水壓力為-57.6kPa，降雨48h后為-37.7 kPa，圖5(c)降雨72h后降雨停止，隨著時間的延長，雨水逐漸滲透，飽和度逐漸減小，孔隙水壓力減小，土基及面層的基質吸力又逐漸增加，路表孔隙水壓力變為-56.8kPa，反映出孔隙水壓力和基質吸力隨降雨時間變化的規律。

圖5 孔隙水壓力對比云圖

圖6 降雨72h橫截面飽和度云圖

圖7 降雨72h豎向沉降圖

圖6反映了降雨72h后瀝青路面飽和度情況，可以看出飽和度由瀝青表層隨深度增加逐漸增大，同一層面飽和度并不一致，中間位置入滲最大，因此中間位置飽和度增大，但兩側的飽和度、孔隙水壓力與未降雨前差別不大。降雨72h后豎向沉降見圖7，最大沉降位于路堤的中部，為0.136mm，隨降雨入滲基質吸力降低，孔隙水壓力增大，有效應力減小，出現了卸載回彈的現象。降雨入滲的持續，導致土體含水率和容重的增大，沉降和應力隨之增加。

4 瀝青路面應力場仿真模型及數值模擬

應力場模型不考慮地下水和降雨入滲的作用，將路表視為水平，不考慮橫縱坡度的影響。模型的幾何物理參數與滲流場模型相同，網格選用C3D8R，即八結點六面體減縮積分單元。

4.1 荷載條件及實現

假定在車載行進過程中，豎向車載為移動的均布矩形荷載，作用在模型路面的中心，時速為70km/h，輪壓為0.7MPa，采用雙輪雙圓。選取車載在路面中心位置時，車載正下方的縱截面為研究斷面。

在模型上施加均布豎向移動荷載時采用ABAQUS自帶的外接子程序功能，首先編制移動子程序，而后在模型中設置荷載所要作用的移動帶，最后在規定移動帶上實現預定的移動功能。

4.2 模擬分析

路面結構的動力響應云圖如圖8至圖10所示。

圖8 三向應力云圖

圖9 豎向沉降云圖

圖10 剪應力云圖

可以看出，三向應力、豎向位移、剪應力在車載位置均達到最大值，距離車載位置越遠，其各自值越小。且車載影響范圍基本上在面層，對于路堤影響很小。

5 試驗驗證

為進一步研究瀝青路面在滲流場和應力場中的響應規律，充分驗證基于理論分析和三維有限元模型得到的數值模擬結果的可靠性，在河北某高速公路上建立了試驗段進行試驗驗證。試驗前一天對試驗段進行灑水，灑水量參照設定的72h降雨總量。試驗過程中對各結構層的三向應力、應變、豎向沉降、溫度、濕度、孔隙水壓力等進行了系統監測，同步獲得了寶貴的監測數據。

圖11為試驗過程中的傳感器埋設、布線及采集井等的現場圖片。經過試驗車輛在試驗段上進行不同載重工況下的現場測試，將現場實測數據進行擬合后與數值計算結果進行對比，結果見圖12、圖13及表2、表3。

通過上表及圖可知，試驗數據的擬合曲線趨勢與理論分析、數值模擬的趨勢一致，結果相近。同時，各結構層傳感器采集到的豎向應力、豎向位移動態響應最大值，通過與數值模擬結果對比分析，發現相差不大，誤差范圍不超過10%，證明了仿真結果的可靠性。

圖11 試驗路段設置

圖12 上面層豎向應力擬合時程曲線

圖13 上面層豎向沉降擬合時程曲線

表2 不同車載作用下各結構層最大豎向應力對比 單位(MPa)

表3 不同車載作用下最大豎向位移對比 單位(mm)

6 結 論

（1）鑒于ABAQUS強大的數值仿真和處理復雜非線性動態問題的能力，考慮瀝青路面的瀝青層、半剛性基層的彈塑性特點，在ABAQUS平臺上建立了瀝青路面降雨條件下的滲流場及移動荷載下的應力場三維有限元分析模型。

（2）對瀝青路面結構及參數設定、邊界條件、分析步設置、移動荷載實現等建模過程中的重點內容進行了分析論述。

（3）通過在某高速公路上建立的試驗段實測對比，豎向應力、豎向沉降等動態響應最大值模擬值與實測值誤差范圍不超過10%，驗證了仿真模型的有效性及仿真結果的可靠性。

[1]張登良.瀝青路面[M].北京: 人民交通出版社,1999: 1-65.

[2]沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社, 1999: 1-88.

[3]張起森.高等路面結構設計理論與方法[M].北京:人民交通出版社, 2005: 8-26.

[4]武建民.半剛性基層瀝青路面使用性能衰變規律研究[D].西安: 長安大學, 2005: 1-80.

[5]Arambula E, Caro S, Masad E.Experimental measurement and numerical simulation of water vapor diffusion through asphalt pavement materials [J].Journal of Materials in Civil Engineering, 2010, 22(6):588-598.

[6]潘寶峰, 邵龍潭, 王哲人.瀝青路面水損害研究新方法[J].武漢理工大學學報: 交通科學與工程版,2009, 33(2): 250-252.

[7]Kutay M E, Aydilek A H.Dynamic effects on moisture transport in asphalt concrete [J].Journal of Transportation Engineering, 2007, 133(7): 406-414.

[8]Masad E, Somadevan N.Microstructural finite-element analysis of influence of localized strain distribution on asphalt mix properties [J].Journal of Engineering Mechanics, 2012, 128(10): 1105-1114.

[9]Krishnan J M, Rao C L.Permeability and bleeding of asphalt concrete using mixture theory [J].International Journal of Engineering Science, 2001, 39(6): 611-627.

[10]董澤蛟, 譚憶秋, 曹麗萍, 鐘 陽.水-荷載耦合作用下瀝青路面孔隙水壓力研究[J].哈爾濱工業大學學報, 2007, 39(10): 1614-1617.

[11]郭乃勝, 譚憶秋, 趙穎華.動荷載下飽水瀝青路面黏彈性分析[J].土木工程學報, 2012, 45(2):184-190.

[12]董澤蛟, 曹麗萍, 譚憶秋.飽水瀝青路面動力響應的空間分布分析[J].重慶建筑大學學報, 2007,29(4): 79-82, 89.

[13]莊 茁, 廖劍暉.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京: 清華大學出版社, 2009: 21-55.