基于有限元方法的瀝青路面基-面層抗沖刷性能研究

摘要：為研究不同因素對(duì)瀝青路面基-面層抗沖刷性能的影響，文章利用ABAQUS軟件建立瀝青路面基-面層間的數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，討論了車輛軸重、行駛速度和環(huán)境溫度對(duì)基-面層間抗沖刷性能的影響。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知：（1）基層和面層的豎向應(yīng)力和位移隨著車輛軸重、行駛速度和溫度的升高均增大；（2）基層和面層在動(dòng)水沖刷作用下均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，相同條件下基層受到的損傷更大；（3）高溫更易使得瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。

關(guān)鍵詞：瀝青路面基-面層；流固耦合；抗沖刷性能；影響因素

0引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，高速公路的總里程數(shù)迅速增加，其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因具有較高的整體強(qiáng)度、低振動(dòng)、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛的應(yīng)用［1］。然而，瀝青路面雖然在材料上具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但仍然時(shí)常出現(xiàn)“今年修，來(lái)年壞”的情況。對(duì)該類情況進(jìn)行匯總發(fā)現(xiàn)，瀝青路面的“水損害”最為常見(jiàn)。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青路面在飽水狀態(tài)下的抗沖刷性能的研究已取得較多成果。黃維蓉等［2］設(shè)計(jì)了凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷-劈裂耦合試驗(yàn)，研究了不同的沖刷高度、沖刷速度和沖刷時(shí)間條件下3種OGFC-13型高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。羅蓉等［3］為評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，基于表面能理論，進(jìn)行了瀝青混合料的表面能試驗(yàn)和宏觀水穩(wěn)定性試驗(yàn)，確定了不同溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的指標(biāo)ER閾值。黨志榮等［4］對(duì)瀝青混合料開(kāi)展了凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷耦合試驗(yàn)，結(jié)合CT掃描，研究了在凍融循環(huán)和動(dòng)水沖刷耦合作用下瀝青混合料的劣化規(guī)律。王英等［5］開(kāi)發(fā)了一種模擬動(dòng)水沖刷的裝置，測(cè)試了在動(dòng)水沖刷和靜態(tài)浸水兩種試驗(yàn)條件下瀝青混合料的空隙率、吸水率和劈裂強(qiáng)度，同時(shí)結(jié)合CT掃描，分析了瀝青混合料在動(dòng)水沖刷作用下的短期水損害機(jī)理。張甫田等［6］設(shè)計(jì)了靜水浸泡條件下瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)和瀝青混合料的動(dòng)水沖刷試驗(yàn)，分析動(dòng)水沖刷加速瀝青混合料水損壞的機(jī)理。袁玲等［7］利用動(dòng)水壓力試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了AC-13型密級(jí)配瀝青混合料在動(dòng)水壓力作用下的力學(xué)性能和路用性能。郭瑞等［8］設(shè)計(jì)開(kāi)展了不同類型的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的室內(nèi)抗沖刷模型試驗(yàn)，對(duì)懸浮密實(shí)型、骨架密實(shí)型以及骨架空隙型3種不同結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的抗沖刷性能進(jìn)行了研究。郭學(xué)東等［9］考慮了硅烷偶聯(lián)劑在動(dòng)水沖刷作用對(duì)瀝青路面產(chǎn)生損傷中的影響，設(shè)計(jì)進(jìn)行了室內(nèi)動(dòng)水沖刷試驗(yàn)。臧振宇［10］依托某高速公路實(shí)際工程，建立了移動(dòng)荷載作用下的瀝青路面數(shù)值模型，考慮了滲透系數(shù)、變形模量、行車速度、排水邊界等因素對(duì)飽和瀝青路面水力響應(yīng)的影響。

本文利用ABAQUS軟件建立飽水狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)基-面層間的流固耦合數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，分析了不同車輛軸重、車輛行駛速度以及環(huán)境溫度下的基-面層間計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和位移，討論了不同因素對(duì)基-面層間抗沖刷性能的影響，以期為瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 ABAQUS軟件在流固耦合中的應(yīng)用

ABAQUS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，可以模擬精細(xì)的模型，分析復(fù)雜的力學(xué)問(wèn)題，在處理工程問(wèn)題時(shí)具有很明顯的優(yōu)勢(shì)，其可進(jìn)行包括溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的多場(chǎng)耦合計(jì)算，軟件的交互性較好，操作較為簡(jiǎn)便。

本文利用ABAQUS Explicit軟件建立基-面層間的流固耦合數(shù)值模型，研究層間的抗沖刷性能。流固耦合是指流體的流動(dòng)過(guò)程會(huì)對(duì)道路材料產(chǎn)生影響，而道路材料的變化也會(huì)影響流體的流動(dòng)、流體和固體材料之間的相互作用。在ABAQUS軟件中進(jìn)行流固耦合計(jì)算的步驟如圖1所示。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何尺寸與材料參數(shù)

本文采用等效簡(jiǎn)化的方式建立數(shù)值模型，假定模型基面層間縫隙為飽水狀態(tài)，且不考慮面層和基層的滲透性，通過(guò)控制等效水膜的厚度表征層間的含水率，同時(shí)將瀝青路面的上面層、中面層和下面層等效簡(jiǎn)化為AC-20瀝青面層，總厚度為180 mm。路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為AC-20瀝青面層（厚度為180 mm）、水膜層（厚度為0.5 mm）、水泥穩(wěn)定碎石層[KG（0.14mm]（厚度為200 mm）。數(shù)值模型的長(zhǎng)度為6 000 mm，寬度為8 000 mm，高度為6 380 mm，如圖2所示。材料在不同溫度下的參數(shù)取值如表1和表2所示。

由于模型在車輛荷載作用下的荷載和結(jié)構(gòu)均具有對(duì)稱性，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將模型沿垂直于Z軸方向切割為若干薄片，取模型右側(cè)對(duì)稱中心位置的薄片建立流固耦合模型。模型的長(zhǎng)度為450 mm，寬度為1 mm，高度為380 mm，其中水膜層的長(zhǎng)度為156 mm，寬度為1 mm，高度為0.5 mm（如圖3所示）。

2.2 荷載與邊界條件

相對(duì)于整個(gè)的路面的面積，車輛行駛時(shí)的荷載作用面積很小，為方便計(jì)算，可以取矩形區(qū)域代替真實(shí)的雙圓荷載區(qū)域。車輛荷載的變化情況采用Haversine半正弦波的形式，車輛軸重分別取100 kN、140 kN、180 kN，車輛行駛速度分別取15 m/s、20 m/s、25 m/s，車輛速度與荷載作用時(shí)間如下頁(yè)表3所示。以車輛軸重100 kN、車輛行駛速度20 m/s的情況為例，荷載作用的時(shí)程曲線如圖4所示，荷載峰值為0.71 MPa。

整個(gè)路面結(jié)構(gòu)模型的邊界條件為：四周邊界約束其法向位移，底面完全固定，且均為不透水邊界，由于流固耦合模型是從完整的路面結(jié)構(gòu)模型中切片而來(lái)的，因此其邊界條件是不完全對(duì)稱的。對(duì)于流固耦合模型的邊界條件，其底面、右側(cè)邊界完全固定，左側(cè)邊界以及前后邊界僅約束其法向位移，上邊界為自由邊界。

流固耦合模型的基-面層間無(wú)水膜部分設(shè)置為完全接觸狀態(tài)，基-面層間有水膜部分可將接觸屬性設(shè)置為：法向行為-“硬”接觸、切向行為-罰摩擦公式。

3 不同車輛軸重對(duì)層間抗沖刷性能的影響

為研究不同車輛軸重對(duì)飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取100 kN、140 kN、180 kN三個(gè)車輛軸重水平，取車輛行駛速度為30 m/s，環(huán)境溫度為25 ℃，計(jì)算點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對(duì)車輛荷載作用下計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，飽水狀態(tài)下的路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下，基層和面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向位移均隨著車輛軸重的增大而增大，其時(shí)程曲線表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，同時(shí)荷載的傳遞具有一定的滯后性，面層和基層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力峰值出現(xiàn)均晚于荷載達(dá)到峰值的時(shí)間點(diǎn)，且面層的豎向應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)間晚于基層。計(jì)算點(diǎn)處的豎向應(yīng)力和位移首先隨著半正弦荷載的增大而增大，在達(dá)到荷載的峰值后逐漸減小，當(dāng)荷載作用消失后，基-面層間的動(dòng)水沖刷作用隨著時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸消散；在動(dòng)水沖刷作用下，基層和面層均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，且車輛軸重越大，對(duì)應(yīng)交替出現(xiàn)的拉壓應(yīng)力的峰值越大，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能的劣化作用越明顯。同時(shí)，在相同車輛軸重條件下，相同時(shí)間基層計(jì)算點(diǎn)對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力總是大于面層計(jì)算點(diǎn)，說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)在動(dòng)水沖刷作用下，基層受到的損傷更大，往往會(huì)更早發(fā)生破壞。

4 不同車輛行駛速度對(duì)層間抗沖刷性能的影響

為研究不同車輛行駛速度對(duì)飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取20 m/s、25 m/s、30 m/s三個(gè)車輛行駛速度水平，取車輛軸重為100 kN，[KG（0.15mm]環(huán)境溫度為25 ℃，計(jì)算點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對(duì)車輛荷載作用下計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著車輛行駛速度增大，荷載的作用時(shí)間縮短，在荷載達(dá)到峰值時(shí)作用在路面結(jié)構(gòu)上的力越大，因此基層和面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向位移均隨著車輛行駛速度的增大而增大。隨著車輛荷載逐漸增大，基層和面層計(jì)算點(diǎn)位置處的壓應(yīng)力迅速增大，因荷載傳遞具有一定的滯后性，當(dāng)荷載達(dá)到峰值時(shí)，基層和面層計(jì)算點(diǎn)位置處的壓應(yīng)力仍然繼續(xù)增大，然后再逐漸減小至0，而后轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。車輛荷載作用消失后，層間水膜因車輛荷載作用所產(chǎn)生的慣性運(yùn)動(dòng)依然會(huì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的基層和面層進(jìn)行反復(fù)的沖刷，基層和面層的豎向應(yīng)力值在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間不斷轉(zhuǎn)換，對(duì)路面結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能產(chǎn)生明顯的劣化作用，且車輛行駛速度越大，對(duì)路面結(jié)構(gòu)抗沖刷性能的劣化作用越明顯。

5 不同溫度條件對(duì)層間抗沖刷性能的影響

為研究不同溫度條件對(duì)飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取20 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度條件，取車輛軸重為100 kN，車輛行駛速度為30 m/s，計(jì)算點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對(duì)車輛荷載作用下計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力和位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，基層和面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線呈現(xiàn)波浪狀的變化，且均隨著溫度升高而增大。在車輛荷載作用時(shí)間內(nèi)，面層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線逐漸由寬變窄，且應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時(shí)間不斷提前，而基層計(jì)算點(diǎn)位置的豎向應(yīng)力時(shí)程曲線形基本一致，僅應(yīng)力峰值隨溫度升高而逐漸增大。分析其原因，主要由于面層是由瀝青混合料組成的，瀝青材料受溫度影響較大，而半剛性基層的力學(xué)性質(zhì)受溫度影響較小，高溫更易使得瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。不同溫度條件下面層的豎向位移變化基本一致，在車輛荷載作用下，隨著荷載的增大，豎向位移逐漸增大，當(dāng)車輛荷載達(dá)到峰值時(shí)，豎向位移也達(dá)到峰值，然后逐漸減小；當(dāng)車輛荷載消失后，受層間水膜慣性運(yùn)動(dòng)和動(dòng)水壓力消散的影響，其豎向位移呈波浪狀逐漸減小。

6 結(jié)語(yǔ)

本文利用ABAQUS軟件建立飽水狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)基-面層間的流固耦合數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，討論了車輛軸重、車輛行駛速度和環(huán)境溫度對(duì)基-面層間抗沖刷性能的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）隨著車輛軸重、行駛速度和溫度的升高，基層和面層的豎向應(yīng)力和位移均增大，且基層和面層在動(dòng)水沖刷作用下均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，對(duì)基-面層間的抗沖刷性能產(chǎn)生明顯的劣化作用。

（2）相同條件下基層承受的豎向應(yīng)力總是大于面層，說(shuō)明路面結(jié)構(gòu)在動(dòng)水沖刷作用下，基層受到的損傷更大。

（3）面層是由瀝青混合料組成的，受溫度影響較大，而半剛性基層的力學(xué)性質(zhì)受溫度影響較小，高溫更易使瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。

參考文獻(xiàn)：

［1］蓋惠恩.基于離散元法車-路相互作用瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2021.

［2］黃維蓉，王 嬌，楊玉柱，等.基于動(dòng)水沖刷試驗(yàn)的溫拌高黏瀝青混合料水穩(wěn)定性研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2021，40（11）：3 847-3 853.

［3］羅 蓉，梁 宇，牛蘢昌，等.多溫度條件瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)閾值研究［J/OL］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）：1-17［2023-02-14］.

［4］黨志榮，念騰飛，劉宗成，等.凍融循環(huán)-動(dòng)水沖刷對(duì)間斷級(jí)配瀝青混合料特性參數(shù)影響［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，48（4）：132-137.

［5］王 英，李 萍，念騰飛，等.基于動(dòng)水沖刷作用的瀝青混合料短期水損害特性［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2020，50（1）：174-182.

［6］張甫田，高俊啟，魯洪強(qiáng).動(dòng)水沖刷加速瀝青混合料水損壞規(guī)律研究［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，44（6）：790-793.

［7］袁 玲，張關(guān)昊，蔡文濤.模擬動(dòng)水壓力試驗(yàn)條件下的瀝青混合料路用性能評(píng)價(jià)［J］.廣東公路交通，2021，47（3）：9-15，20.

［8］郭 瑞，楊曉娟，蔣 紅，等.瀝青路面水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷性能影響因素試驗(yàn)分析［J］.工程科學(xué)與技術(shù)，2019，51（2）：78-84.

［9］郭學(xué)東，李 準(zhǔn)，馬桂榮，等.飽水瀝青路面動(dòng)水沖刷損傷的影響因素分析［J］.公路，2019，64（3）：21-27.

［10］臧振宇.飽和瀝青路面動(dòng)力流固耦合響應(yīng)特性分析［J］.路基工程，2022（2）：157-161.

作者簡(jiǎn)介：韋作坦（1988—工程師，主要從事公路工程施工管理工作。