土工格柵加筋路面半剛性材料的數(shù)值模擬

王曉華 陳天驕 孫 闖

0 引言

“土工格柵”是聚合物材料經(jīng)過定向拉伸形成的具有開孔網(wǎng)格,較高強度的平面網(wǎng)狀材料。它以聚丙烯,高密度聚乙烯或其他高分子聚合物為原料,加入一定量的抗紫外線助劑,經(jīng)熱熔,擠出拉伸等新工藝生產(chǎn)而成。土工格柵在制造過程中經(jīng)過定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向排列,加強了分子鏈間的聯(lián)接力。它與其他土工合成材料相比,具有重量輕、變形小、抗拉強度高、延伸率低的優(yōu)點。同時它具有較好的耐酸、耐堿、耐腐蝕和抗老化等性能。玻璃纖維土工格柵是以高強度無堿玻璃纖維通過國際先進的精編工藝織成基材,經(jīng)表面涂覆處理而成的半剛性制品。具有經(jīng)、緯雙向很高的抗拉強度和較低的延伸率,并具有耐高溫、耐老化、耐低寒、耐腐蝕等優(yōu)良性能,廣泛應(yīng)用于瀝青路面、水泥路面及路基的增強和鐵路基、機場跑道、防沙治沙等工程項目。

1 有限元分析方法

1.1 有限元方法

有限元分析是使用有限元方法來分析靜態(tài)或動態(tài)的物理物體或物理系統(tǒng)。在這種方法中一個物體或系統(tǒng)被分解為由多個相互聯(lián)結(jié)的、簡單、獨立的點組成的幾何模型。在這種方法中這些獨立的點的數(shù)量是有限的,因此被稱為有限元。40多年來,各種商業(yè)通用軟件陸續(xù)登入市場,它們的應(yīng)用范圍越來越廣泛,能處理的問題越來越多,涉及的問題越來越大。目前國際著名的通用程序有幾十種,針對不同的領(lǐng)域,它們有各自不同的特點,但是基本思路是一致的。常用的軟件有:SAP,ABAQUS,ANSYS,LSDYNA,NASTRAN,ASKA,ADIAN等等。本論文的數(shù)值模擬部分,采用大型有限元軟件ADINA進行模擬分析。

1.2 Drucker-Prager(DP)材料介紹及其計算準(zhǔn)則

1.2.1 DP材料介紹

Mohr提出的強度理論認(rèn)為,材料的剪切破壞,在發(fā)生剪切破壞的剪切面上的最大剪應(yīng)力τmax就等于該面上的抗剪強度S,而抗剪強度S又與該面上的法向應(yīng)力有關(guān),即:

根據(jù)大量試驗資料,Coulomb把它簡化成線性方程:

其中,c為土的粘聚力;σ為作用在剪切面上的有效法向應(yīng)力;φ為土的內(nèi)摩擦角。

根據(jù)該準(zhǔn)則,判斷一點的應(yīng)力是否達(dá)到了極限平衡狀態(tài),主要看這個點的應(yīng)力圓是否與強度線相切。

1.2.2 土工格柵加筋路面基層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

前面已經(jīng)對有限元軟件ANSYS進行了介紹,下面將結(jié)合現(xiàn)場的工業(yè)性試驗運用三維空間有限元法進行路面結(jié)構(gòu)的三維空間力學(xué)響應(yīng)分析。

1.2.3 典型路面結(jié)構(gòu)

本論文根據(jù)阜新市彰武縣某公路實際情況提出典型路面結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

1.2.4 單元類型與邊界條件

路基結(jié)構(gòu)模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型設(shè)計中,路面縱向長為6.0 m,橫向?qū)挒?.0 m,路面厚度為33 cm,土基厚度3 m。路基材料選用ANSYS單元中的三維實體單元(Solid單元),土工格柵選擇殼單元(Shell63)對模型體進行網(wǎng)格劃分。對模型路面結(jié)構(gòu)的側(cè)面即左右面Y方向進行約束,整個模型的前后面X方向進行約束,底部完全約束,面層表面作為自由面,不進行任何約束。

為保證計算結(jié)果的精度并不致使計算過于復(fù)雜,在采用ANSYS有限元軟件進行分析計算采用了8節(jié)點三維塊體單元,并對結(jié)構(gòu)中預(yù)計將產(chǎn)生最大應(yīng)力的部位適當(dāng)加密了單元網(wǎng)格的劃分,遠(yuǎn)處網(wǎng)格逐步擴大,有裂縫模型層厚度方向采用了較密的單元劃分。單元總計:23925個,節(jié)點總計:5087個。

表1 模型計算參數(shù)

1.2.5 荷載

汽車荷載施加在結(jié)構(gòu)層中可能產(chǎn)生最大應(yīng)力或結(jié)構(gòu)層最可能損壞的位置,按對稱荷載作用位置加載計算。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》取單軸雙輪(軸重 60 kN),雙圓荷載,雙圓中心距離3δ(δ=9.75 cm)保持不變,接觸壓力采用均布荷載,輪胎接地壓強為ps=0.7 MPa,單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑ds=19.50 cm。

由于在ANSYS中,把面壓力規(guī)定為追隨力,而節(jié)點力規(guī)定為恒定力,所以模型加載方式采用在路表相應(yīng)加載位置處的24個單元19個節(jié)點上施加等效節(jié)點力。

2 有限元計算結(jié)果分析

路表彎沉是指在一定荷載作用下路表面的豎向變形,是反映路面整體承載能力高低和使用狀況好壞的最直觀、最簡單的指標(biāo)。它是由路面各結(jié)構(gòu)層(包括土基)各自變形的綜合結(jié)果,因此該變形在一定程度上反映了路面各結(jié)構(gòu)層及土基的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)我國現(xiàn)行規(guī)范要求,以雙輪組車輛荷載作用下,在路表面輪隙中心處的彎沉作為路面整體抗變形能力的指標(biāo)。因此,對位移的分析,主要就是分析路表面輪隙中心處的彎沉。

經(jīng)ANSYS計算可知在未加格柵和加入格柵的路表輪隙中心處的豎向最大位移分別為1.0533 mm,0.9756 mm,都小于路面設(shè)計彎沉值(1.32 mm)。雙輪載荷作用于路面時,在兩車輪中心路表處產(chǎn)生最大彎沉,而輪隙中心路表處彎沉略有減小。加鋪土工格柵的車輪中心的最大彎沉值比未加格柵的最大彎沉值減小0.077 mm,在輪隙中心處彎沉值基本沒有變化。

在原路面未鋪設(shè)土工格柵時,基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到了0.03 MPa～0.04 MPa,加鋪格柵的路面底基層的拉應(yīng)力降到0.015 MPa～0.02 MPa,可見加鋪的土工格柵減少了基層底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是因為土工格柵具有一定的抗彎拉能力,減少基層變形從而降低拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn)。

通過有限元軟件ANSYS進行了模擬分析,得到了標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載作用下左右輪隙中心處的彎沉值及道路橫斷面上的位移云圖。

在原路面未鋪設(shè)土工格柵時,裂縫上面的基層底面產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力集中,拉應(yīng)力達(dá)到0.05 MPa～0.06 MPa,加鋪格柵的路面裂縫處的拉應(yīng)力降到0.03 MPa～0.04 MPa,使裂縫處的拉應(yīng)力降低了1倍左右,消除了基層底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象,這是因為土工格柵使開裂斷面具有一定的抗彎拉能力,減少裂縫張開變形從而降低裂縫尖端的拉應(yīng)力集中,土工格柵起到了應(yīng)力吸收膜的作用,它會吸收下底基層的很多水平運動,分散了裂縫處的應(yīng)力集中從而阻止裂縫通過基層底面反射到瀝青混合料面層。鋪加土工格柵發(fā)揮了其強度高,變形能力好的優(yōu)點,使粘結(jié)層形成應(yīng)力吸收膜,在加鋪層與基層之間構(gòu)成緩沖層避免應(yīng)力集中,增加路面整體剛度,減小和延緩反射裂縫產(chǎn)生,控制路面開裂,延長路面使用壽命,提高了路面的路用性能,也會節(jié)省養(yǎng)護開支。

3 結(jié)語

1)經(jīng)ANSYS計算可知在未加格柵和加入格柵的路表輪隙中心處的豎向最大位移分別為1.0533 mm,0.9756 mm,都小于路面設(shè)計彎沉值(1.32 mm)。雙輪載荷作用于路面時,在兩車輪中心路表處產(chǎn)生最大彎沉,而輪隙中心路表處彎沉略有減小;2)加鋪土工格柵的車輪中心的最大彎沉值比未加格柵的最大彎沉值減小0.077 mm,在輪隙中心處彎沉值基本沒有變化。在原路面未鋪設(shè)土工格柵時,基層底面產(chǎn)生的拉應(yīng)力達(dá)到了0.03 MPa～0.04 MPa,加鋪格柵的路面底基層的拉應(yīng)力降到0.015 MPa～0.02 MPa,可見加鋪的土工格柵減少了基層底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是因為土工格柵具有一定的抗彎拉能力,減少基層變形從而降低拉應(yīng)力集中的現(xiàn)象出現(xiàn);3)舊路改造時,在有裂縫的路面加鋪土工格柵,可以降低裂縫處基層底面的應(yīng)力集中。土工格柵起到了應(yīng)力吸收膜的作用,它會吸收底基層的很多水平運動,分散了裂縫處的應(yīng)力集中從而阻止裂縫通過基層底面反射到瀝青混合料面層控制路面開裂,減小和延緩反射裂縫產(chǎn)生。

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