加纖維稀漿封層材料路面結構數值模擬分析

宮賀田

(中鐵十九局集團第三工程有限公司，遼寧遼陽 111000)

0 引言

隨著城市交通的快速發展，瀝青路面被廣泛的應用于城市各種服務類型的路面。但是隨著城市交通量的急劇增加，車輛荷載對路面的影響越來越嚴重，加之瀝青路面常年受到風吹、雨淋等自然氣候的影響，使瀝青與礦料成分不斷產生老化現象，瀝青的塑性變形能力降低，經常會出現龜裂、車轍等現象，并逐漸降低其適應氣候變化的能力［1］，并且會引起路面基層結構承載能力受到影響，使路況變壞，降低車輛的行駛速度，增加車輛的磨損和油耗。因此，對瀝青路面材料組成及改進是面臨的新問題，同時，通過對瀝青路面進行預防性養護是保護瀝青路面、延長道路使用壽命的重要環節［2］。稀漿封層是一種非常好的預防性養護技術，稀漿封層是由連續級配集料、填料、乳化瀝青、水拌勻后攤鋪在路面上的一層基層頂面上的下封層，它不僅可以解決由于氣候環境的風化作用而引起的瀝青老化、油分損失、基質脫落和混合料的脆化等防護性的養護問題，而且可以矯正諸如輕微的裂縫、剝落、車轍等損傷性的傷害，提高路面的防水性能，改善由于路面泛油、集料磨光而惡化的抗滑性能［3］。

本文通過建立加纖維稀漿封層材料路面結構數值模型，并對路面結構進行加載，分析路面結構的力學性能，為以后稀漿封層材料的數值研究提供參考。

1 加纖維稀漿封層材料加筋路面結構力學模型

加纖維稀漿封層材料的原理是混合料中加入纖維，使纖維在材料中起到加筋的作用，同時加纖維稀漿封層材料的厚度較小，一般不大于4 cm，并主要鋪設于基層之上，瀝青路面之下，其主要功能是形成一種復合材料對瀝青路面的強度進行改進提高，主要表現在加纖維稀漿封層材料與路基填料之間的受力和垂直變形的相互作用關系。

1.1 路面結構參數

根據遼寧省道庫二線公路現場實測的數據及實際路面情況提出了加纖維稀漿封層路面結構，其結構參數如表1所示。

表1 路面結構計算參數

1.2 計算模型及邊界條件

本文采用ANSYS有限元軟件對加纖維稀漿封層路面結構進行數值模擬分析，模型中路基及路面材料選用ANSYS單元中的三維實體單元(Solid45)進行計算，為提高計算精度，采用了ANSYS有限元軟件中的8節點三維塊體單元，有裂縫模型層厚度方向采用了較密的單元劃分。計算模型如圖1所示，其中路面厚度取32 cm，土基厚度取3.5 m，路面縱向長度為6.5 m，路面橫向寬度為7.5 m。將模型左右兩側面的Y方向進行約束，整個模型的X方向進行約束，底部Z方向完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。模型計算單元數量為33221個，節點總計為51082個。

1.3 施加荷載方法

在路面結構施加汽車荷載時，采用施加單軸雙輪雙圓荷載，其中軸重為65 kN，兩圓中心距離為9.75 cm，模型施加的接觸壓力采用均布荷載，由于在ANSYS軟件中，面壓力默認為是按追隨力計算，而節點力默認為恒定力［4］，所以該模型加載方式采用在25個單元20個節點上施加等效節點力。其中輪胎壓強為0.75 MPa，單輪傳壓面當量圓直徑為19.20 cm。荷載施加位置如圖1所示。

圖1 有限單元劃分示意圖

2 計算結果分析

路面結構施工中，檢測項目中的主控項目就是路面結構的壓實度及彎沉值。其中彎沉變形指在車輛荷載作用下路表面的豎向變形，它能夠較為直觀和簡單的反映路面整體承載能力的高低及相關技術指標［5］。路面的彎沉變形是由路面各結構層各自變形相互累加相互影響的結果，因此彎沉值在一定程度上反映了路面各結構層的力學性質。因此，對路面結構的彎沉變形分析，主要就是分析路表面車輪輪隙中心處的彎沉變形值。本文通過有限元軟件ANSYS進行了分析，得到了車輛荷載作用下路面結構的彎沉值及路基橫斷面上的位移曲線，如圖2，圖3所示。

圖2 路面沿縱向各點的彎沉值

圖3 路基底層沿縱向各點的應力值

經計算可知，通過對比在未加纖維和加入纖維的稀漿封層材料路表彎沉計算曲線(見圖2)，兩種計算條件下的豎向最大位移分別為1.0145 mm，0.9858 mm，均小于設計彎沉值1.35 mm。由圖3可知，車輪載荷作用于路面時，輪中心路表處產生的彎沉值最大，距離輪隙中心較遠處路表處彎沉逐漸減小。通過分析可知，在加鋪纖維稀漿封層材料的路面最大彎沉值比未加纖維的最大彎沉值減小0.07 mm。

由圖4，圖5可知，未鋪設加纖維稀漿封層材料時，在車輪荷載作用下基層底面產生的拉應力為0.034 MPa，而加鋪纖維的路面底基層的拉應力為0.02 MPa，可見，由于加纖維稀漿封層材料具有良好的抗彎拉性能，所以能夠有效減少基層底面的應力集中現象。

圖4 路面模型Z方向位移圖

圖5 軸載作用中心處的剖面Z方向位移圖

3 結語

1)通過ANSYS中的等效節點力施加方法，將恒轉變為追隨力，該方法能夠更加真實的反映車輪荷載的施加效果。2)應用大型有限元軟件ANSYS，對加纖維稀漿混合料作為路面結構的路基模型進行模擬計算，得出了在加纖維與未加纖維的兩種情況下的差距，為加纖維結構的路面性能的提升提供了理論計算依據。

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