重载交通条件下组合式基层沥青路面结构数值计算分析

1、第8卷第1期2011年3月长沙理工大学学报(自然科学版Journal of C hangsha University of Science and Technology(Natural ScienceVo l.8N o.1M ar.2011收稿日期:2010-11-26基金项目:河北省交通厅科技资助项目(Y -070102作者简介:周志刚(1966-,男,湖南长沙人,长沙理工大学教授,博士生导师,主要从事道路工程结构与材料方面的研究.文章编号:1672-9331(201101-0001-06重载交通条件下组合式基层沥青路面结构数值计算分析周志刚,叶永迪,刘 兴(长沙理工大学道路结构与材料交通行

2、业重点实验室,湖南长沙 410004摘 要:采用三维有限元方法,对重载交通条件下组合式基层沥青路面结构进行了模拟计算.对不同考核指标采用了正交试验,并进行了影响因素分析.研究结果表明,理想的组合式基层沥青路面结构应是具有较厚的、模量适中的基层材料,并且具有厚的、模量适中的稳定土底基层和强度较高的土基.关键词:重载交通;有限元分析;正交试验;沥青层层底弯拉应变;路基顶面压应变中图分类号:U 416.217文献标识码:ANumerical analysis of asphalt pavement structure withcombined base under heavy trafficZH O

3、U Zhi gang,YE Yong di,LIU Xing(Key Labo rato ry o f Road Structure and M ater ial,M inistr y o f T r ansport of the PRC,Changsha U niversity of Science and T echno lo gy ,Chang sha 410004,ChinaAbstract:Based on three dim ensio nal finite element method,the simulatio n calculation for co mbined base

4、asphalt pavement structure under heav y traffic w as carr ied o ut.T he or thog o nal method for different factors w as chosen and the results of influence factors w ere ana lyzed.T he results show that the ideal pavem ent structure should have rather thick base ma terials w ith temperate module,rat

5、her thick stabilized soil subbase w ith tem perate module and soil subg rade w ith hig h strength.Key words:heav y traffic;finite element analysis;orthogonal test;tension strain at bottom of asphalt layer;com pression str ain at sur face of embankment 我国公路交通建设事业迅猛发展,随之而来的是交通量增大、车辆荷载的重型化、车载重量的加大以及汽车速

6、度的提高.重载交通引起的路面早期破坏问题已成为影响路面长期使用性能的重要因素.组合式基层沥青路面采用柔性材料作为路面结构的基层,半刚性材料作为路面结构的底基层.该结构充分利用半刚性材料具有较高强度和承载能力,既可减少沥青层的厚度,节约初期投资,同时又能使半刚性材料层位下降,可以充分发挥柔性基层的优势,即柔性基层可以对半刚性底基层反射裂缝能起到缓解和止裂的作用1.但这种组合式基层沥青路面在重载作用下有可能出现长沙理工大学学报(自然科学版2011年3月沥青面层结构受力变形过大、易于疲劳破坏等病害2 4.针对这一问题,作者应用三维有限元方法,对重载交通条件下组合式基层沥青路面结构进行模拟计算,并对其

7、影响因素进行了研究,为路面结构优化设计、避免出现早期破坏现象等问题以及进一步研究提供了理论基础和依据.1 基本假设和计算参数1.1 基本假设本研究根据以下假设来建立三维模型:1面层、基层和土基均为均质,各向同性线弹性材料,应力应变关系符合广义胡克定律.2假定土基在水平方向和向下方向均为无限,土基之上各层结构的厚度均为有限,但水平方向为无限.3假定路面上层表面作用有垂直均布荷载,在无限远处和无限深处应力及位移均为零.4各层之间的接触面为层间完全连续,其上位移完全连续.有限元计算采用8结点六面体单元.x ,y 正负方向各取3.0m ,z 方向(厚度方向为10m .边界条件假设为:底面上没有z 方向

8、位移,左右两侧面没有x 方向位移,前后两侧面没有y 方向位移.有限元模型如图1所示. 图1 路面结构有限元模型Fig.1 F inite element model of pavement structure1.2 路面结构根据张石高速公路沥青路面结构设计情况,组合式基层沥青路面结构是采用沥青混凝土作为面层、沥青稳定碎石为基层、级配碎石和水泥稳定类材料为底基层.所选结构见表1.表1 组合式基层沥青路面结构Table 1 Combined base asphalt pavement structur e结构形式组合式基层沥青路面构成面层基层土基AC-13C AC-20C ATB-30级配碎石水泥

9、稳定基层压实土1.3 计算参数我国现行JT G D50-2006 公路沥青路面设计规范 规定的标准轴载为BZZ-100、单轴双轮、双圆荷载模式5.而考虑到目前车辆重型化以及轴载增大的趋势,结合张石高速公路交通调研数据,为突出重载交通条件的工况,分别选取100,130,150,200kN 轴重,按照比利时方法计算各级换算轴载接地面积(形状为矩形.轮胎接地压力采用凹型分布,即在轮胎宽度方向上,由两侧向内呈现出较为明显的凹齿形状,每个 齿 为轮胎宽度的1/7,压强大小分别是14/11P 和7/11P.而在长度方向上认为压强不变(如图2和表2所示,水平方向B 是轮胎宽度,竖直方向为沿轮胎方向各区间压强

10、大小,这也符合目前重载交通实际受力情况.图2 轮胎压力分布图Fig.2 T ire pressure distributio n表2 荷载参数的选取Table 2 Selection of load pa rameters轴载/kN轮载/kN 接地面积/cm 2轮压/M Pa 1411P 711P 两轮中心间距/cm10025.03520.700.90.4513032.54120.80 1.00.5015037.54520.85 1.10.5520050.05520.911.20.6031.95路面结构层厚度与模量的选取如表3所示.2第8卷第1期周志刚,等:重载交通条件下组合式基层沥青路面结构

11、数值计算分析表3 组合式基层沥青路面结构参数的选取Table3 P arameter select ion of combined base asphalt pav ement structure结构层AC-13C AC-20C AT B-30级配碎石水泥稳定基层土基模量/M Pa18001600800100012003004005001300140015003050厚度/cm47 8 981012343638141618-泊松比0.350.350.30.350.250.402 正交试验2.1 正交表格数据对于上面给出的路面结构变量(模量、厚度采用混合位级L18(21 37,并将各变量代入,从

12、而得到表4.表4 组合式基层沥青路面结构正交表格数据Table4 O rthog onal t able data o f co mbinedbase asphalt pav ement structure土基E AC-20ChAT B30EATB30h级配碎石E级配碎石h水泥稳定基层E水泥稳定基层h1307800830034130014 230710001040036140016 330712001250038150018 4308800840036150018 530810001050038130014 630812001230034140016 73098001030038140018

13、830910001240034150014 93091200850036130016 105078001250036140014 115071000830038150016 1250712001040034130018 135088001050034150016 1450810001230036130018 155081200840038140014 165098001240038130016 175091000850034140018 1850912001030036150014 注:E为模量,M Pa;h为厚度,cm.2.2 考核指标选取根据组合式基层沥青路面结构的特点,确定路面结构在交通

14、荷载作用下的主要力学破坏模式,并根据该模式确定考核指标.为了提高沥青路面结构的抗水损坏能力,防止半刚性基层材料开裂引起的破坏,在结构层中设置了级配碎石结构层.在这种情况下,路面结构的受力状态与半刚性基层沥青路面结构相比,发生了根本的变化,沥青层底的弯拉应变损坏将成为这种结构形式的最主要破坏模式.因此,沥青层底面的弯拉应变成为最主要的考核指标.在国外柔性基层沥青路面结构设计中,路基顶面的压应变是一个主要设计指标,其主要目的是控制路面结构的总变形量在交通荷载作用下不发生塑性剪切破坏.对于组合式基层沥青路面结构,路基顶面的压应变指标也应参考.为了提高路面结构的整体刚度,选用半刚性材料做底基层.这样既

15、考虑了半刚性材料强度高板体性好的特点,又充分利用了我国半刚性材料使用的经验;另一方面,利用半刚性材料做底基层可以适应目前我国路基强度要求现状.在组合式基层沥青路面结构中,半刚性底基层无疑将承受一定的弯拉应力.因此,半刚性底基层的允许弯拉应力应不超过容许值,结构中水泥稳定基层层底拉应力也是考核指标之一.近年来,许多学者对含有柔性(级配碎石基层和半刚性基层的沥青路面进行了分析研究,发现该路面结构在车辆荷载、尤其是重载作用下,路面很容易发生面层剪切破坏而产生破裂,因此,对于含有柔性基层的路面应予以考虑沥青层剪应力.综上所述,作者最终确定沥青层层底拉应变、路基顶面压应变、沥青层最大剪应力和水泥稳定基层

16、层底拉应力为此正交试验的考核指标6 9.3长沙理工大学学报(自然科学版2011年3月2.3 重载交通对各考核指标的影响选取正交表格中第一种结构为代表结构,计算在不同轴重下各个考核指标的大小,计算结果见表5和图3,4.表5 不同轴重下各考核指标计算结果Table 5 Results of the assessment indicato rsunder different ax le load轴重/kN 沥青层层底拉应变/ 路基顶面压应变/ 沥青层最大剪应力/M Pa 水泥稳定基层层底拉应力/M Pa 100136.800296.4000.2470.162130180.700346.7500.29

17、20.227150209.600414.7500.3210.272200280.500637.6670.3890.417 图3 不同轴重下应变指标比较Fig.3 Compariso n of strain under differ ent ax leload 图4 不同轴重下应力指标比较Fig.4 Compariso n o f st ress under different axle lo ad由图3,4可以看出,各考核指标随着轴重的增加而增大.150kN 之前近似呈线性增加,150kN 之后随着轴重的增加呈现快速增大的趋势.根据重载交通的实际情况(过大轴重比例低,选取轴重为150kN 进行

18、计算10 13.2.4 正交试验计算结果按照上述参数建立三维有限元模型进行模拟计算,计算结果见表6.表6 组合式基层沥青路面考核指标计算结果Table 6 Results o f the assessment indicator sof combined base asphalt pav ement考核指标因素K1K2K3R 沥青层层底拉应变路基顶面压应变沥青层最大剪应力水泥稳定基层层底拉应力土基(E1285.61294.2-8.6AC-20(h918.7827.1834.091.6AT B-30(E896.3865.7817.878.5AT B-30(h960.6865.4753.8206.

19、8级配碎石(E1055.2840.6684.0371.2级配碎石(h843.9847.8888.144.2水泥稳定基层(E869.7848.4861.721.3水泥稳定基层(h872.3840.7866.831.6土基(E2852.252428.91-423.34AC-20(h1825.751743.421711.99113.76AT B-30(E1811.51745.571724.0987.41AT B-30(h1865.241760.171655.75209.49级配碎石(E1879.51740.241661.42218.08级配碎石(h1843.421743.081694.66148.7

20、6水泥稳定基层(E1810.751764.161706.25104.50水泥稳定基层(h1860.911751.581668.67192.240土基(E 2.8171 2.6846-0.1325AC-20(h1.8934 1.8759 1.73240.1610AT B-30(E 1.8054 1.8767 1.81960.0713AT B-30(h 1.8838 1.8393 1.77860.1052级配碎石(E 1.8411 1.7812 1.87940.0982级配碎石(h 1.8777 1.8434 1.78060.0971水泥稳定基层(E 1.7827 1.8779 1.84110.0

21、952水泥稳定基层(h1.8447 1.7821 1.87490.0928土基(E2.053 1.775-0.278AC-20(h 1.314 1.269 1.2450.069AT B-30(E 1.308 1.270 1.2500.058AT B-30(h 1.344 1.277 1.2070.137级配碎石(E 1.326 1.271 1.2310.095级配碎石(h 1.329 1.268 1.2310.098水泥稳定基层(E 1.233 1.280 1.3150.082水泥稳定基层(h1.3381.2721.2180.1203 计算结果分析将每一个因素水平下的所有计算值进行相加,然后比

22、较这些值两两之差的绝对值的最大值.该最大值称为极差,极差越大说明该因素的影响越大.通过极差可以对路面设计中各因素的重要性有直观的认识.图5,6为组合式基层沥青路面直观分析极差结果图.4第8卷第1期周志刚,等:重载交通条件下组合式基层沥青路面结构数 值计算分析图5 组合式基层沥青路面应变极差Fig.5 Str ain range o f co mbinedbase aspha ltpavement 图6 组合式基层沥青路面应力极差Fig.6 Stress rang e o f combinedbase aspha lt pavement从图5,6可以看出:1对于沥青面层层底弯拉应变,各影响因素的

23、影响程度大小次序为:级配碎石(EATB-30(hAC-20(hATB-30(E级配碎石(h水泥稳定基层(h水泥稳定基层(E 土基(E.级配碎石回弹模量(E对沥青面层层底弯拉应变的影响程度远高于其他因素.由此可以看出,对于以沥青面层层底弯拉应变为设计指标的路面设计,需要重视对级配碎石(E的处理.2对于路基顶面压应变,各影响因素的影响程度大小次序为:土基(E级配碎石(EAT B-30(h水泥稳定基层(h 级配碎石(hAC-20(h水泥稳定基层(E AT B -30(E.土基回弹模量(E 对路基顶面压应变的影响最大,是主要影响因素.而级配碎石回弹模量(E以及AT B-30厚度(h则是相对次要的影响因

24、素.3对于沥青层最大剪应力,各影响因素的影响程度大小次序为:AC -20(h土基(E AT B-30(h级配碎石(E级配碎石(h水泥稳定基层(E 水泥稳定基层(hATB -30(E.其中,AC-20厚度(h与土基回弹模量(E是主要影响因素.4对于水泥稳定基层层底拉应力,各影响因素的影响程度大小次序为土基(E AT B -30(h水泥稳定基层(h级配碎石(h 级配碎石(E水泥稳定基层(E AC-20(hAT B-30(E.其中,ATB-30厚度(h与土基回弹模量(E是主要影响因素.4 结论通过对以上各因素对路面结构考核指标的影响分析可以看出,在路面结构设计中,影响因素较多,而且各影响因素对不同指

25、标的影响是不同的,甚至是相反的,这就给路面设计中如何确定各影响因素的合理取值带来了难度.因此,必须在全面把握各因素影响的基础上,结合多个方面进行考虑.路面结构影响因素对考核指标的影响分析总结如下:1ATB-30(h、级配碎石(E对4个考核指标的影响都比较大.增加其AT B-30(h和级配碎石回弹模量(E可以有效减少面层层底拉应变、基层底面拉应力、水泥稳定基层层底拉应力以及面层最大剪应力.因此,应该在条件允许的范围内尽量增加A TB-30(h和级配碎石(E .2AC-20(h、水泥稳定基层(h对4个考核指标有不同程度的影响,增加AC -20(h和水泥稳定基层(h可以明显改善路面结构的最大剪应力,

26、在一定程度上改善沥青面层层底拉应变和路基顶面竖向压应变.采用较厚的水泥稳定基层底基层且增大级配碎石(h,能对沥青结构层受力环境起到一定的改善作用.3增大A TB-30(E会改善路基顶面压应变,增大水泥稳定基层(E会改善路面结构最大剪应力和水泥稳定基层层底拉应力.但是,ATB -30(E、水泥稳定基层(E 的增大,会对基层本身56 长沙理工大学学报( 自然科学版 T echnolog y, 2010. 7 2011 年 3 月 的抗拉疲劳寿命有不 利的影响. 增加基层模量会 大大减少基层的抗拉 疲劳寿命, 因此在材料选择 时不应过分强调沥青稳定基层的模量. 土基对整个路面结构的正常工作起到比较关

27、 键的作用, 因此应采用强度高的土基. 8 JT J 073. 2- 2001, 公路沥 青路面养 护技术 规范 S . 北京: 人民交通出版社, 2001. JT J 073. 2- 2001, T echnical specificat ions fo r main tenance of hig hway asphalt pavement S . Beijing : China Co mmunications Press, 2001. 董忠红, 吕彭民. 移动荷 载下倒装 结构沥青路 面动力 响应 J . 长安 大学学报, 2008( 5 : 111 115. DO N G Zhong h

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