基于ANSYS的廣西高速公路瀝青路面車轍病害原因分析

韋明 余芳

摘要：本文利用ANSYS有限元軟件，以路表彎沉、基層層底彎拉應力、土基頂面壓應變及層間剪應力為評價指標，計算在軸載、車道坡度及使用階段上面層模量的衰減對瀝青路面結構力學性能的影響，對比分析高溫、常溫條件下軸載對瀝青路面結構的力學響應，旨在分析依托工程瀝青路面車轍病害的產生機理，以供參考。

關鍵詞：瀝青路面；車轍；有限元

DOI：10.12433/zgkjtz.20240741

基金項目：廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目

項目名稱：廣西高速公路瀝青路面車轍病害分析與對策研究

項目編號：2020KY34016

隨著我國高速公路的發展，車轍病害已成為影響正常運行和安全的主要問題。因此，研究車轍病害的成因對其綜合治理具有重要意義。

朱喬發現Creep模型可以有效模擬瀝青混合料的車轍特征，在表征全厚式瀝青路面車轍上也具有效性。駱妍利用ABAQUS軟件模擬路面結構，發現溫度、超載、重載對瀝青路面車轍變形的影響較大。馮偉、劉朝暉等采用有限元軟件分析結果與實測車轍值進行對比，發現兩值表現出了相同規律且具有較高的一致性。

本文依托工程地處廣西壯族自治區，氣候濕熱、降水充沛，重載車輛較多，車轍病害分布廣泛，故擬利用ANSYS有限元軟件，分析車轍病害原因，為提高高速公路瀝青路面工程質量和服務水平提供理論依據。

一、有限元模型的建立

（一）路面結構及計算參數

對依托工程的路面結構進行力學分析，由于路面在實際使用階段面層模量的衰減，擬選取上面層模量為1800MPa、1400MPa、1000MPa、600MPa、300MPa分別進行分析，路面結構為：瀝青上面層4cm+中面層6cm+下面層6cm及等效基層50cm。

（二）荷載形式

選用155.6mm×227.4mm作為輪胎的接地尺寸。分析不同荷載作用情況下各路面結構層的受力情況時，不計輪胎接地形狀的不均勻性（即不考慮輪胎接地面積的折減系數）。

考察坡度對路面結構的力學影響時，分別取水平力系數為0.1、0.2、0.3、0.4。

（三）計算模型

基于彈性層狀體系理論，利用三維有限元計算軟件ANSYS建立路面結構模型，模型尺寸選為6m×6m×6m，采用20個節點的Solid185單元，模型底部完全固結，左右兩側限制x方向的位移，前后兩側限制z方向的位移，層間接觸視為完全連續。

二、力學計算與分析

（一）路表彎沉分析

以路表彎沉為評價指標，分析軸載、坡度和上層材料模量衰減等因素，得出車轍成因。路表彎沉分布如圖1所示。

由圖1可知，軸載的增加會影響路表彎沉值，上面層模量的衰減對路表彎沉的影響不是很顯著。而通過對依托工程路面芯樣檢測結果的分析發現，上面層厚度和壓實度均偏低，由此可知，在施工鋪筑時未充分壓實，開放通車后重載車輛會進一步壓實輪跡帶下的面層，形成壓密性車轍。

（二）基層層底彎拉應力分析

以基層層底彎拉應力為評價指標，分析軸載、坡度及上面層模量衰減對瀝青路面病害的影響。基層層底彎拉應力如圖2所示。

由圖2可知，軸載的增大會顯著影響路基底部的彎拉應力，而上部彈性模量的衰減以及斜坡的增大會影響基層底部的彎拉應力。當汽車過載時，瀝青路面豎向變形很大，各層底部的彎拉應力也會隨之增加，但層底抗拉應力很低。在重載車輛的反復荷載下，由于其彎拉應力遠遠超過標準軸載時的拉應力，容易導致路面的彎拉疲勞破壞。

（三）地基頂面的壓應力與應變關系分析

以路基頂面最大應力應變作為評價指標，分析軸載、坡度和上層材料模量衰減等因素對瀝青路面長期變形的影響，得出車轍成因。土基頂面壓應變分布如圖3所示。

隨著軸載的增加，土基頂面壓應變呈現線性增長的變化趨勢。通過對依托工程車轍調查發現，行車道車轍嚴重度遠超超車道。這是由于累計混合交通量主要分布在行車道上，導致重載對行車道瀝青路面的作用次數更多。而土基頂面壓應變隨坡度的增加而呈下降趨勢，隨上面層模量衰減而呈上升趨勢。因此，如果路基強度不足，路面結構在重載車輛作用下極易產生整體永久變形，造成結構性車轍。

（四）剪應力分析

以剪應力為評價指標，分析軸載、坡度及上面層模量衰減對瀝青路面各結構層之間的影響，得出車轍成因。層間剪應力的變化如圖4、圖5、圖6所示。

軸載、上面層模量和坡度的變化會影響層間剪應力，但影響的層位不同。軸載增加對下面層底面的剪應力影響較大，上面層模量的衰減和坡度的增加對上面層底面的剪應力影響較大。因此，在瀝青面層中，內部材料可能在剪應力的作用下橫向流動，在兩側隆起，產生失穩型車轍。

（五）高溫狀態下路面結構響應分析

1.高溫狀態下模量的確定

依托工程實測路表最高溫度為60℃，路面結構內4cm（上面層底部）、10cm（中面層底部）、16cm（下面層底部）處的最高溫度分別約為55.5℃、49.9℃、44.2℃。

根據《瀝青路面強度變化規律及養護》中對模量與溫度的關系公式，計算不同溫度下瀝青面層模量，暫不考慮坡度及上面層模量衰減情況。

2.計算結果分析

高溫和常溫下的路表彎沉和土基頂面壓應變隨著軸載的增加而呈線性增加趨勢，且高溫條件下增加速率略大，高溫下指標計算值大于常溫條件，說明在高溫條件下，面層模量的降低將導致路面結構強度降低，如圖7、圖8所示。

同時，通過對溫度和層間剪應力變化關系的分析可以發現，當溫度升高時，層間剪應力會隨著減小，瀝青混合料的模量隨之降低，剪應變會大幅增加，導致顯著剪切變形。

根據調查，持續高溫天氣往往是車轍容易產生的階段，因此，必須重視面層的高溫抗車轍性能。

三、結語

本文通過分析不同的軸載作用下重載對瀝青路面路表彎沉、基層層底彎拉應力、土基頂面壓應變以及層間剪應力的影響，得出重載作用下路面易產生車轍的原因。

通過分析依托工程路面結構的力學響應，得出上下坡路段易產生剪切流動型車轍的原因以及路面結構形式對車轍病害的影響。

根據以上研究，得出如下結論：路面車轍病害主要與重載交通、車道坡度及材料參數的變化有關。

第一，路表彎沉、土基頂面壓應變、層間剪應力以及基層層底彎拉應力隨著軸載的增大呈現線性增大的變化趨勢，重載交通是產生病害的一大主要原因。

第二，上、下坡道路段路面內最大剪應力較大，且一般出現在面層內，距離路表深度約為3cm，這是產生流動型車轍的主要原因。

第三，依托工程下面層厚度增加了2cm，但表面彎沉減小了2.5%，基層層底由拉應力變為壓應力，瀝青路面結構組合狀況對路面結構的整體性能具有重要影響。

參考文獻：

[1]朱喬.基于ANSYS有限元分析的瀝青路面車轍研究[D].武漢：湖北工業大學，2015.

[2]駱妍.基于有限元法的瀝青路面車轍分析[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2015.

[3]馮偉，劉朝暉，柳力，等.半剛性基層瀝青路面車轍有限元模擬及灰關聯分析[J].中外公路，2021，41（06）：60-65.

[4]肖麗霞.重載交通瀝青路面力學響應分析及車轍預測[D].鄭州：鄭州大學，2011.

[5]竺支珍.基于有限元法的瀝青路面車轍分析[J].交通世界，2021（33）：135-136.

[6]王新友.瀝青路面強度變化規律及養護[M].鄭州：黃河水利出版社，2004.

通訊作者：韋明，碩士，廣西交通職業技術學院專職教師，副教授，工程師。

作者簡介：余芳，碩士，廣西交通職業技術學院專職教師，副教授，工程師。