基于ANSYS的半柔性路面力學數值分析

范國進　陳　磊　劉浪濤

(1.成都洛帶客家文化產業開發有限責任公司,四川 成都　610108;2.中交第三航務(湖南)工程局有限公司,湖南 湘潭　411100;　 3.陜西省交通建設集團公司,陜西 西安　710075)

當前，我國的路面類型一般分為瀝青路面和水泥路面，均存在一些缺陷。瀝青路面在輪載重復作用或高溫氣候的影響下易形成永久變形而形成車轍。水泥路面則存在行駛舒適性差，易出現開裂、唧泥、錯臺等現象，且破壞后維修施工較復雜和周期長。為了彌補上述兩種路面的缺陷，半柔性路面應運而生。本研究提出的半柔性路面是指以開級配大空隙率(一般為20%～25%)基體瀝青混合料磨耗層作為基料，在空隙中灌入以水泥為主要成分的特殊漿體或其他材料復合而成的一種路面，將瀝青和水泥兩種結合料融合使用，能夠發揮剛柔相濟的特性。目前，針對半柔性路面也有了相關研究。郝培文等[1]通過試驗研究，發現半柔性材料具備優良的高溫穩定性、耐疲勞性能和耐油蝕性能。胡曙光等[2]研究發現半柔性混合料含有適量的聚羧酸減水劑和膨脹劑的水泥膠漿，將發揮較好的抗變形性能。彭霞等[3]根據目標孔隙率開展了半柔性材料級配設計的研究。但上述研究主要與材料試驗研究相關，探究路面結構的力學響應較少，為此本文運用ANSYS建立路面結構模型，設置不同的分析條件，在標準軸載作用下，進行力學數值分析，進而探究其力學響應規律。

1　路面結構參數和分析模型

1.1　路面結構和材料參數

根據黃芳[4]、陳成[5]等的研究，推薦半柔性材料的彈性模量為1 600 MPa～3 200 MPa。初選路面結構和材料參數，見表1。分別調整面層厚度、面層模量、基層模量進行研究。

表1　路面結構和材料參數

1.2　荷載形式

采用雙圓垂直均布荷載，輪胎接地壓力為0.7 MPa。當量圓半徑δ=10.65 cm，直徑d=21.30 cm，輪隙間距1.5d=31.95 cm。為了便于建模，輪載分布采用垂直均布正方形替代圓形，即將圓形面積等效為正方形面積，再求邊長，即邊長為18.88 cm。

1.3　路面結構分析模型

路面設計時一般把路面當作半無限彈性多層體系。但通過有限元開展分析，土基僅能取有限尺寸。研究表明，荷載作用效應達到一定厚度后可忽略，對于靜態問題，厚度應不小于6 m；動態問題，厚度應不小于12 m，同時考慮邊界條件、計算精度和速度的影響，則模型尺寸取為長5 m×寬5 m×厚6 m。本文建模采用的實體單元為Solid45，建立路面結構三維有限元模型，劃分兩個邊長為18.88 cm的正方形加載面。X為寬度方向；Z為行車方向；Y為厚度方向。邊界條件為：由于路面結構在輪載作用下，Y方向有位移變化，則模型底部施加固定約束；X，Z方向基本無位移變化，則施加水平位移約束。計算模型見圖1。以表1所示的路面結構和材料參數為基準，設置不同的分析條件：面層厚度取為：0.15 m，0.175 m，0.20 m，0.22 m，0.225 m，0.25 m；面層模量取為：1 800 MPa，2 000 MPa，2 400 MPa，2 800 MPa，3 200 MPa；基層模量取為：1 000 MPa，1 400 MPa，1 600 MPa，1 800 MPa，2 000 MPa，2 200 MPa。

2　計算結果及分析

2.1　面層厚度變化的的力學響應

面層厚度分別采用0.15 m,0.175 m,0.20 m,0.22 m,0.225 m,0.25 m，得出面層層底拉應力、面層剪應力、彎沉的變化情況，結果見圖2～圖4。圖2表明當面層厚度逐漸增加，層底拉應力均減??；圖3表明隨著面層厚度增加，以0.22 m為分界，最大剪應力出現先減小再增加的力學響應規律，因此路面面層厚度設計時要充分考慮，否則造價升高了，卻達不到預設的抗剪效果；圖4表明隨著面層厚度增加，外側車輪中心、內側車輪中心、輪隙中心處的彎沉均減小；最大彎沉值位于內側車輪中心，外側車輪中心稍微較小，輪隙中心的最大彎沉平均約為內側車輪中心的95.5%。

2.2　面層模量變化的力學響應

面層模量分別采用1 800 MPa,2 000 MPa,2 400 MPa,2 800 MPa,3 200 MPa，得出面層層底拉應力、面層剪應變、彎沉的變化情況，結果見圖5～圖7。當面層模量增加，層底最大拉應力、彎沉均逐漸減小。當面層模量由1 800 MPa增加到3 200 MPa，最大剪應變降低了約40.3%，降幅十分明顯，這說明半柔性材料的抗剪性能較好。

2.3　基層模量變化的力學響應

基層模量分別采用1 000 MPa,1 400 MPa,1 600 MPa,1 800 MPa,2 000 MPa,2 200 MPa。得出面層層底拉應力、面層剪應變、彎沉的變化情況，結果見圖8～圖10。當基層模量增加，最大剪應變、彎沉均逐漸減小，層底最大拉應力逐漸增加。這說明基層模量的增加雖然能夠改善面層的抗剪性能，然而也降低了面層的抗疲勞開裂性能。

2.4　面層厚度與面層模量變化的對比分析

圖2,圖5顯示，相比面層模量，面層厚度的變化對層底最大拉應力、彎沉影響顯著，這說明增加面層厚度是減小層底最大拉應力和彎沉的較好方法，但過度使面層厚度提高也會導致造價升高。相比面層厚度，增加面層模量能很大程度降低剪應變，增強路面的抗剪切性能。因此半柔性路面設計時能夠實現選擇較薄的面層厚度、較高的面層模量。

2.5　面層模量與基層模量變化的對比分析

圖5顯示增加面層模量可減小層底最大拉應力，而圖8顯示增加基層模量將增加層底最大拉應力，增幅高達約46%，因而要合理控制基層模量的大小。由圖6和圖9可知，在減小面層剪應變方面，當面層模量由1 800 MPa增加到3 200 MPa時，最大剪應變降低了約為40.3%，而當基層模量由1 000 MPa提高到2 200 MPa時，最大剪應變僅降低了約5.5%，這說明增加面層模量是提高路面抗剪性能更有效的方法。由圖7和圖10可知，增加面層模量和基層模量都能有效地減小彎沉，因此可以減小路面厚度，減少工程造價。

3　結語

1)通過計算分析可知，路表最大彎沉值位于內側車輪中心，其次為外側車輪中心，最小為輪隙中心。對于路面設計時，考慮彎沉指標需重點分析內側車輪中心的彎沉值。

2)相比基層模量，增加面層模量是減小面層剪應變更合適的方法，這表明半柔性材料由于具有較高的模量，因此能夠發揮較好的抗剪性能。

3)在設計半柔性路面時，在滿足各設計指標的要求下，需合理控制面層厚度和基層模量。面層厚度超過一定控制值后，反而會導致面層剪應力增加，同時也增加工程造價；基層模量增加雖能夠有效降低彎沉，然而同時在一定程度上將增加面層層底拉應力。因此，設計時需進行綜合考慮。

參考文獻：

[1]郝培文,程磊,林立.半柔性路面混合料路用性能[J].長安大學學報(自然科學版),2003(2):1-6.

[2]胡曙光,張榮鹍,丁慶軍,等.半柔性路面灌注水泥膠漿的性能研究[J].公路,2009(7):1-6.

[3]彭霞,梁遐意.半柔性路面基體瀝青混合料級配設計方法研究[J].山西建筑,2016,42(20):101-103.

[4]黃芳,吳國雄,王燕,等.半柔性路面復合材料抗壓回彈模量研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2008(1):65-68，133.

[5]陳成.高速公路隧道路面半柔性結構的研究[D].重慶:重慶交通大學,2011.