李美杰 ，李志超，楊紅鎖

(1.山東交通學(xué)院土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357； 2.山東公路技師學(xué)院，山東濟(jì)南 261053；3.山西路杰公路工程技術(shù)咨詢有限公司，山西太原 030012)

瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)模型驗(yàn)證及分析

李美杰1，李志超2，楊紅鎖3

(1.山東交通學(xué)院土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357； 2.山東公路技師學(xué)院，山東濟(jì)南 261053；3.山西路杰公路工程技術(shù)咨詢有限公司，山西太原 030012)

在移動(dòng)荷載作用下研究瀝青路面的動(dòng)力響應(yīng)是掌握路面結(jié)構(gòu)行為的前提條件，由室內(nèi)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)確定材料參數(shù)，選取合理的瀝青路面結(jié)構(gòu)，借助有限元軟件Abaqus建立瀝青路面結(jié)構(gòu)模型，將汽車荷載簡(jiǎn)化為移動(dòng)的均布荷載，用8節(jié)點(diǎn)等參元模擬路面結(jié)構(gòu)，分析在標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng),并且在試驗(yàn)路段埋設(shè)傳感器，實(shí)測(cè)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變，驗(yàn)證模型的可靠性。

瀝青路面；有限元；動(dòng)態(tài)響應(yīng)；移動(dòng)荷載；驗(yàn)證模型

近年來我國(guó)高速公路發(fā)展較快，瀝青路面早期破壞現(xiàn)象日益突出，現(xiàn)有的路面檢測(cè)手段只能檢測(cè)瀝青路面表面的損壞程度，得不到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞信息，無法正確推斷路面結(jié)構(gòu)損壞的原因和具體掌握路面結(jié)構(gòu)的破壞規(guī)律。很多學(xué)者建立相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)模型，研究路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。文獻(xiàn)[1]通過數(shù)值分析方法，建立路面結(jié)構(gòu)有限元模型，研究路面動(dòng)力響應(yīng)；文獻(xiàn)[2-5]利用彈性力學(xué)原理建立移動(dòng)荷載下層狀體系的動(dòng)力學(xué)模型，但該模型未經(jīng)過試驗(yàn)路的檢測(cè)和驗(yàn)證。文獻(xiàn)[6]分析了車輛軸重和胎壓對(duì)路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立移動(dòng)荷載下粘彈性層狀體系動(dòng)力學(xué)模型，但未研究土基模量對(duì)豎向位移的影響。上述研究大多是建立在理論分析的基礎(chǔ)上，由于理論分析存在諸多簡(jiǎn)化并缺少試驗(yàn)驗(yàn)證，使部分結(jié)論存在一定的缺陷，為了真實(shí)模擬車輛的實(shí)際運(yùn)行情況，深入分析實(shí)際車輛荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，本文通過加速加載試驗(yàn)?zāi)M實(shí)際的車輛運(yùn)行情況，將試驗(yàn)路段的參數(shù)帶入模型中進(jìn)行計(jì)算分析，分析各結(jié)構(gòu)層在動(dòng)荷載作用下的應(yīng)變變化情況，與實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證模型的合理性，為改進(jìn)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化路面材料設(shè)計(jì)和施工工藝、預(yù)測(cè)瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命提供參考。

1 足尺加速加載試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)路段設(shè)計(jì)

該瀝青路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路段修建于山東交通學(xué)院實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，鋪筑在水泥混凝土砌筑的試槽內(nèi)。試槽長(zhǎng)度約30 m，寬度約5 m，試槽具有足夠的寬度，可消除因槽壁較窄對(duì)路面應(yīng)力分布的影響。按照路基、基層和面層施工技術(shù)規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)路質(zhì)量的控制、施工。為了保證試驗(yàn)路面和實(shí)際路面的結(jié)構(gòu)接近，試驗(yàn)路段選用當(dāng)?shù)馗咚俟方ㄔO(shè)所用的材料。瀝青混凝土為AC-13瀝青混合料，瀝青試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)

1.2路面?zhèn)鞲衅髀裨O(shè)方案

在面層層底埋設(shè)瀝青應(yīng)變儀，測(cè)量行車荷載和環(huán)境因素作用下瀝青面層底部的縱向應(yīng)變。面層底部及路表埋設(shè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)路面溫度和空氣溫度，路面?zhèn)鞲衅鞑贾萌鐖D1所示。

圖1 路面?zhèn)鞲衅鞯牟贾?/p>

1.3荷載的選擇

行車荷載采用半軸雙輪組80 kN，胎壓為0.7 MPa，實(shí)現(xiàn)單向循環(huán)加載，運(yùn)行速度為28 km/h。圖2為結(jié)構(gòu)面層水平縱向應(yīng)變時(shí)間歷程曲線。

圖2 瀝青面層底部縱向應(yīng)變時(shí)程變化

由圖2知，在車輛移動(dòng)荷載作用下，瀝青面層底部一點(diǎn)的動(dòng)力應(yīng)變響應(yīng)為拉應(yīng)變和壓應(yīng)變交替變化，車輪駛近此點(diǎn)時(shí)面層底部呈現(xiàn)壓應(yīng)變狀態(tài)，至此點(diǎn)時(shí)呈現(xiàn)較大的拉應(yīng)變狀態(tài)，車輪駛離時(shí)呈現(xiàn)壓應(yīng)變狀態(tài)，并且車輪接近此點(diǎn)的壓應(yīng)變明顯大于離開此點(diǎn)時(shí)的壓應(yīng)變。由圖2可知，最大拉應(yīng)變?yōu)?0×10-6，最大壓應(yīng)變?yōu)?8×10-6，最大拉應(yīng)變?yōu)樽畲髩簯?yīng)變的2.9倍。常規(guī)的疲勞試驗(yàn)中，在車輛荷載作用下瀝青面層底部只有拉應(yīng)變。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)水平拉應(yīng)變與壓應(yīng)變交替變化，雖然壓應(yīng)變變化幅度較小，但這種交替變化更容易破壞瀝青路面結(jié)構(gòu)。因此，僅僅以瀝青面層底部拉應(yīng)變?yōu)榭刂浦笜?biāo)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是不合理的，應(yīng)以最大拉應(yīng)變與最大壓應(yīng)變(與最大波峰相鄰的最低波谷點(diǎn))絕對(duì)值之和作為控制指標(biāo)。

表2 模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2 有限元模型的建立

2.1路面材料參數(shù)的確定

采用有限元方法分析瀝青路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)的動(dòng)力響應(yīng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。路面的邊界條件、結(jié)構(gòu)的尺寸及各層的材料性質(zhì)如下：模型沿行車方向兩斷面(沿y軸方向)及垂直于行車方向兩斷面(沿x軸方向)的位移為0，底面(z=0)為完全固定。半剛性瀝青路面模型尺寸為8.0 m(縱向)×2.0 m(橫向)×1.2 m(豎向)，為實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的1/2。各層根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)采用不同的材料屬性，路面模型的參數(shù)見表2。

2.2移動(dòng)荷載的模擬

圖3 加載方式示意圖

隨著高速公路的發(fā)展，車輛的速度也逐漸加快，采用靜載模擬難以正確顯示車輛在路面上的行駛狀態(tài)，分析結(jié)果將出現(xiàn)較大的誤差。動(dòng)態(tài)荷載的模擬一般有3種方法：采用Fourier級(jí)數(shù)、功率譜密度函數(shù)PSD、半正弦波模擬[7-8]。本文采用比較簡(jiǎn)單的半正弦波動(dòng)荷載模擬實(shí)際車輛荷載，移動(dòng)帶上的每一個(gè)小矩形(小矩形的長(zhǎng)度約為輪胎長(zhǎng)度的1/3)受到的行車荷載可看成半正弦波變化(圖3)，移動(dòng)荷載有大小和方向，荷載位置通過設(shè)置在不同的時(shí)間下荷載位于移動(dòng)帶上不同的單元來確定，初始狀態(tài)荷載占據(jù)第1個(gè)小矩形的面積(即圖4中①)。荷載在移動(dòng)過程中沿移動(dòng)帶逐漸向前移動(dòng)，在建模過程中通過設(shè)置若干步，荷載經(jīng)過每步的時(shí)間為正弦波的1.5個(gè)周期，當(dāng)每步結(jié)束時(shí)荷載在移動(dòng)帶上向前移動(dòng)1個(gè)小矩形面積。如第1步結(jié)束時(shí),荷載離開矩形①，占據(jù)面積為矩形②；行車速度通過設(shè)置半正弦函數(shù)在②單元上的持續(xù)時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。移動(dòng)荷載在任一單元的時(shí)程變化如圖4所示。

2.3模型的驗(yàn)證

圖4 移動(dòng)帶細(xì)分圖

圖5 瀝青層底縱向應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線

取有限元的部分模型進(jìn)行分析，圖5給出了在移動(dòng)荷載作用下瀝青面層底部應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況。由圖5可以看出，此位置的應(yīng)變交替變化，比現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的應(yīng)變變化頻率小，這可能與建模時(shí)阻尼的設(shè)置有關(guān)。車輪在經(jīng)過此點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)先壓后拉的情況，最大拉應(yīng)變?yōu)?4×10-6，最大壓應(yīng)變?yōu)?5×10-6，與實(shí)際測(cè)得的結(jié)果幾乎一致。由此可知，模型可以用來分析移動(dòng)荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

2.4計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)建立的模型得出最大豎向壓力隨著深度的變化規(guī)律如圖6所示，路面結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線見圖7所示。

圖6 最大豎向壓應(yīng)力空間分布

由圖6、7知，隨著路面深度的增加，壓應(yīng)力逐漸變小，在路面結(jié)構(gòu) 0～4 cm范圍內(nèi)，應(yīng)力的變化幅度較小，而典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)際應(yīng)力的變化幅度較大，這可能因?yàn)殇佒拿鎸虞^薄使得應(yīng)力的變化幅度較小。由圖7可知，當(dāng)荷載勻速經(jīng)過時(shí)，最大垂直應(yīng)力位于瀝青面層，隨深度增加而減小，但減小的速度較緩慢，這與典型瀝青路面結(jié)構(gòu)最大垂直應(yīng)力變化有所不同，具體原因與瀝青混合料本身復(fù)雜的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。總之，在進(jìn)行路面鋪筑時(shí)，為防止出現(xiàn)進(jìn)一步壓實(shí)造成的車轍，一定要注意瀝青上面層的壓實(shí)質(zhì)量。

圖7 豎向壓應(yīng)力時(shí)程圖

豎向位移(彎沉)是我國(guó)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的力學(xué)指標(biāo)，能夠反映路面整體承載能力和使用狀況。根據(jù)模型得出路面結(jié)構(gòu)不同深度處最大豎向位移的變化曲線如圖8所示，路面結(jié)構(gòu)每層的最大豎向位移隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。由圖8、9知，隨著路面深度的增加，豎向位移逐漸變小，特別是在土基層斜率大、變化快。在移動(dòng)荷載作用下，土基層以上各層的豎向位移時(shí)程變化曲線規(guī)律一致，瀝青表面層位移最大，為 0.62 mm，因此在面層鋪筑時(shí)注意控制施工溫度，提高面層的壓實(shí)度。隨著深度的加大，位移越來越小，土基頂面處為0.4 mm。在路表彎沉中由土基引起的彎沉約占整體的65%，所以，為了有效的降低路表彎沉，在施工中必須提高路基土的壓實(shí)度。

圖8 最大豎向位移空間分布圖

圖9 彎沉?xí)r程圖

圖10 土基模量對(duì)路表彎沉峰值的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的加速加載試驗(yàn)路段采集的動(dòng)態(tài)彎沉數(shù)據(jù)，繪制成彎沉盆反算模量，將土基模量帶入模型計(jì)算中，繪制的曲線如圖10所示。由圖10可知,土基模量對(duì)路表彎沉峰值的影響很大，土基模量從80 MPa變?yōu)?00 MPa，彎沉峰值下降了27%，面層彎沉峰值明顯下降。且伴隨著土基模量的增大，路表彎沉減小的幅度越來越小，土基模量增加到一定程度后，對(duì)降低彎沉作用有所減緩。

3 結(jié)論

基于瀝青路面加速加載試驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)，建立了移動(dòng)荷載作用下瀝青路面三維動(dòng)態(tài)有限元模型，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性。由模型的計(jì)算結(jié)果得出豎向應(yīng)力、豎向位移的空間分布情況，得出以下結(jié)論：1)路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)在車輛移動(dòng)荷載作用下具有明顯的波動(dòng)性，在進(jìn)行瀝青混凝土路面疲勞壽命分析時(shí)，要考慮面層拉壓應(yīng)變的交替作用。因此在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議以最大拉應(yīng)變與最大壓應(yīng)變之差作為控制指標(biāo)。2)在車輛移動(dòng)荷載作用下，面層的豎向位移最大，但路表彎沉中由土基引起的彎沉約占整體的65%，所以，為了有效降低路表彎沉，在施工中必須提高路基土的壓實(shí)度。3)隨著土基模量的提高，面層彎沉峰值明顯下降，但土基模量增加到一定程度后，對(duì)降低彎沉作用有所減緩，在施工時(shí)可以通過加固地基(換填土、輾壓夯實(shí)、排水固結(jié))來提高土基的模量。

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(責(zé)任編輯：郎偉鋒)

VerificationandAnalysisofDynamicResponseModelofAsphaltPavementStructure

LIMei-jie，LIZhi-chao2,YANGHong-suo3

(1.CollegeofCivilEngineering，ShandongJiaotongUniversity，Jinan250357,China; 2.ShandongHighwayTechnicianCollege,Jinan261053,China;3.ShanxiLujieHighwayEngineeringConsultingCo.Ltd.,Taiyuan030012,China)

The study of the asphalt pavement dynamic response under the moving load is the prerequisite of pavement structural behavior. Based on the material parameters determined by laboratory tests, the asphalt pavement structure selected correctly, the establishment of asphalt pavement structure model by means of the finite element software Abaqus, the uniformly distributed moving load simplified from the vehicle load, and the

simulation pavement structure by using the eight node isoparametric elements, this article analyzes the dynamic responses of the pavement structure under the standard strain loads and tests the reliability of the verification model of the pavement structure strain through the sensors buried in the experimental section.

asphalt pavement; finite element; dynamic response; moving load; verification model

2013-12-26

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2011319817408)

李美杰( 1986—)， 女，山東煙臺(tái)人，山東交通學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦酆铰窐蚺c隧道工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.01.011

U416.217

A

1672-0032(2014)01-0049-04