FWD作用下瀝青路面動態彎沉數值分析

鄭元勛， 熊曉莉， 黃靜卿

(1.鄭州大學 水利與環境學院 河南 鄭州450001； 2.河南工業大學 土建學院 河南 鄭州 450001)

0 引言

我國現行的瀝青路面設計方法采用設計彎沉作為路面整體剛度的設計指標.高速公路、一級公路和二級公路的瀝青路面除了按彎沉設計路面結構外，還需對瀝青混凝土結構面層和半剛性基層、底基層進行層低拉應力的驗算.城市道路路面設計尚需進行瀝青混合料面層的剪應力驗算.FWD作為目前道路檢測領域主流的彎沉測量設備，很有必要研究FWD作用下的瀝青路面彎沉及路面厚度、模量、加載速度對其的影響，進而了解路面彎沉變化特點，有助于優化路基路面結構設計，預防路面早期損壞的發生[1-5].

1 試驗路段選取

選取一條典型路段，路面結構及材料參數如表1所示.

表1 試驗路段結構Tab.1 Structure of asphalt pavement

2 基于ANSYS有限元模型的建立及驗證

建立三維有限元模型的相關假設、邊界處理方法及有限元模型精度驗證見文獻[6].三維有限元模型及尺寸見圖1和2，有限元模型精度驗證見表2[6-12].

圖1 路面三維模型尺寸Fig.1 Sizes of three dimensional models of road

圖2 路面有限元模型Fig.2 Finite element model of pavement

距加載點距離/m0.0000.2030.3050.4570.6100.9141.2191.5241.829測點1彎沉值/μm1931451261179873524136測點2彎沉值/μm19514913412010275564437彎沉均值/μm19414713011910074544337數值計算/μm20715513712510579584639誤差/%6.75.45.45.05.06.87.47.05.4

由表2可知，FWD作用下瀝青路面動態彎沉的數值計算結果與實測值吻合較好，誤差控制在5%左右，證明了利用有限元模型進行瀝青路面結構分析是有效可行的.

3 基于FWD的瀝青路面動力特性分析

3.1 瀝青路面面層厚度對路面動力特性的影響

在只改變面層厚度的情況下研究不同面層厚度下瀝青路面動力特性的變化，FWD作用下瀝青路面面層厚度變化對路面動力特性的影響如圖3和4所示.

圖3 不同面層厚度瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.3 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖4 不同面層厚度瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.4 Comparison of deflection along with depth direction

由圖3可以看出，適當增加瀝青路面厚度可以有效地控制路面彎沉指標，尤其可以顯著減小路表最大彎沉值，當面層厚度從5 cm增加到30 cm時路表彎沉值呈均勻減小的趨勢，最大可降低23.2%.但隨著距離加載點距離的增加，面層厚度的增加對路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢，在距離加載點1.8 m左右這種影響已相當微弱.圖4則表明路面厚度的增加對減小沿路面結構深度方向的動態彎沉亦具有明顯的作用，且在上基層底部深度處，厚度的增加對減小彎沉值最顯著，最大可減小彎沉值42.8%，到達土基深度，這種影響開始減弱.

3.2 瀝青路面面層模量對路面動力特性的影響

為了研究瀝青路面模量對瀝青路面動力特性的影響，在只改變瀝青面層模量的情況對其在FWD動態加載作用下的動力特性進行計算，計算結果如圖5和6所示.

圖5 不同面層模量瀝青路面沿縱向彎沉變化情況Fig.5 Deflections along longitudinal direction

圖6 不同面層模量瀝青路面沿深度處彎沉變化情況Fig.6 Deflections along depth of AC pavement

由圖5可以發現,適當提高瀝青面層模量可以有效減小路面彎沉值，面層模量由900 MPa逐漸提高到2 400 MPa時，路面彎沉值呈均勻減少趨勢，尤其在加載點處，彎沉值最大減小量可達32.9%.距離加載點15 cm(均勻圓形荷載外緣)之外，模量的增加對彎沉值的減小作用迅速減小，在距加載點1.8 m處，這種影響已相當微弱.圖6顯示提高路面模量對減小道路豎向彎沉效果明顯，但隨深度的增減影響效果逐漸減少，至基層處處于穩定.

3.3 瀝青道路基層厚度對路面動力特性的影響

為了研究瀝青道路基層厚度對瀝青路面動力特性的影響，在只改變瀝青道路基層厚度的情況下對其在FWD動態加載作用下的動力特性進行計算，計算結果如圖7和8所示.

圖7 不同基層厚度瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.7 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖8 不同基層厚度瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.8 Comparison of deflection along with depth direction

由圖7可以看出，瀝青基層厚度的適當增加可以有效地減小路面彎沉值，如基層厚度從38 cm增加到73 cm過程中，路表彎沉值呈均勻減小的趨勢，最大可降低34.7%.但隨著距離加載點距離的增加，基層厚度的增加對路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢，在距離加載點1.8 m左右這種影響已相當微弱.圖8則表明基層厚度的增加對減小沿路面結構深度方向的動態彎沉亦具有明顯的作用，且在基層深度處，厚度的增加對減小彎沉值最顯著，最大減幅達54.5%，到達土基深度，這種影響開始明顯減弱.

3.4 瀝青路面基層模量對路面動力特性的影響

為了研究瀝青道路基層模量對瀝青路面動力特性的影響，在只改變瀝青基層模量的情況下對其在FWD動態加載作用下的動力特性進行計算，計算結果如圖9和10所示.

圖9表明瀝青基層模量的適當增加可以有效地減小路面沿縱向的彎沉值，如基層模量從1 300 MPa增加到2 550 MPa的過程中，路表彎沉值呈均勻減小的趨勢，最大降幅達22.3%.但隨著距離加載點距離的增加，基層模量的增加對路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢，在距離加載點1.8 m左右這種影響已相當微弱.圖10則表明基層模量的增加對減小沿路面結構深度方向的動態彎沉亦具有明顯的作用，尤其是在基層深度處，最大減幅達27.5%,到達土基深度時，影響呈減弱趨勢.

3.5 土基模量對瀝青路面動力特性的影響

為了研究瀝青土基模量對瀝青路面動力特性的影響，在只改變瀝青面層模量的情況對其在FWD動態加載作用下的動力特性進行計算，計算結果如圖11和12所示.

圖9 不同基層模量瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.9 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖10 不同基層模量瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.10 Comparison of deflection along with depth direction

由圖11可以發現，土基模量的適當增加雖然可以適當減小路面沿縱向的彎沉值，但相對增加面層模量與基層模量的影響而言，土基模量的增加對彎沉值的減少有限，如基層模量從30 MPa增加到100 MPa(增幅230%)的過程中，路表彎沉值最大降幅僅為17.5%.且隨距加載點距離的增加，基層模量的增加對路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢，在距離加載點1.8 m左右這種影響接近于零.

圖12則表明土基模量的增加對減小沿路面結構深度方向的動態彎沉亦具有一定的作用，尤其是在面層以下，到達土基深度時，這種影響依舊存在.

圖11 不同強度土基瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.11 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖12 不同強度土基瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.12 Comparison of deflection along with depth direction

3.6 加載時間對瀝青路面動力特性的影響

為了研究不同加載時間對瀝青路面動力特性的影響，在只改變加載時間的情況對其在FWD動態加載作用下的動力特性進行計算，計算結果如圖13和14所示.

圖13 不同加載時間下瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.13 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖14 不同加載時間下瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.14 Comparison of deflection along with depth direction

由圖13可以發現：隨加載時間的增長，路面沿縱向的彎沉值呈增加趨勢，但當加載時間大于0.030 s以后，加載時間的增加對彎沉值的影響快速減小，并穩定在一定水平.如加載時間從0.013 s增加到0.030 s時，路面沿縱向彎沉值增長較快，最大增幅達25.2%.加載時間達到0.030 s后，加載時間的增加對彎沉值的影響不大，如加載時間從0.030 s增加到0.050 s時，彎沉值最大增幅不到1%.同時可以發現，隨距加載點距離的增加加載時間的延長對路面沿縱向彎沉值的影響衰減緩慢，在1.8 m距離處依舊較為明顯.由圖14發現，與加載時間的增長對沿縱向彎沉值的影響相似，沿深度方向處的彎沉值亦隨加載時間的增長而增大，但同樣當加載時間達到0.030 s以后，其影響穩定在一定程度，彎沉值不再隨加載時間的增長而顯著增加.同時，隨深度的增加，加載時間對彎沉值的影響衰減較慢，基本保持在一穩定值.

4 小結

1) 研究表明,通過增加瀝青面層及基層厚度可以有效減小瀝青路面彎沉值，從而達到對路面最大彎沉值的控制.

2) 通過提高面層和基層模量值也可以達到減小路面彎沉的目的；適當提高土基強度也可以在一定程度上減小路面彎沉值.

3) 加載時間的長短亦是影響路面彎沉的一個重要因素.計算結果表明,在加載時間小于0.030 s時，隨加載時間的增長，路面彎沉快速增加；但當加載時間大于0.030 s后，加載時間對路面彎沉的影響基本穩定在一定程度.

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