基于不同工藝瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)受力分析＊

李煒光經(jīng)冠舉 田智仁 肖 燕 延麗麗 呂振北 田耀剛

（長(zhǎng)安大學(xué)材料學(xué)院1） 西安 710064） （交通鋪面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （中交通力公路勘察設(shè)計(jì)工程有限公司3） 西安 710075）

0 引 言

瀝青路面以行車平穩(wěn)、舒適、噪聲低、維修養(yǎng)護(hù)方便、可再生利用等優(yōu)點(diǎn)在各類公路和城市道路中得以廣泛應(yīng)用.但公路交通存在著流量大以及超載現(xiàn)象嚴(yán)重等問題，同時(shí)由于道路結(jié)構(gòu)在使用過程中質(zhì)量監(jiān)控的不足，在環(huán)境與荷載耦合作用下，致使路面結(jié)構(gòu)在開通后短時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)車轍、泛油、開裂、坑槽等不同程度的破損，嚴(yán)重影響車輛行駛的安全性和舒適性［1－3］.本文在已有瀝青路面坑槽修補(bǔ)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用ANSYS大型有限元仿真分析軟件，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，對(duì)坑槽修補(bǔ)后不同修補(bǔ)厚度、不同修補(bǔ)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行仿真模擬.

1 有限元模型建立

1.1 材料參數(shù)設(shè)定

在進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)分析時(shí)，通常把路面的各層結(jié)構(gòu)假定為平面無限大的彈性體，而一般把路基假定為彈性半空間體［4－8］.為了便于比較分析，通過對(duì)比路面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽邕x取的道路結(jié)構(gòu)尺寸為路面板寬4m、長(zhǎng)4m、深5m.各結(jié)構(gòu)層的材料性能指標(biāo)及厚度見表1.

表1 不同結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)

本文采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ－100，輪胎內(nèi)壓0.7MPa，矩形壓印［9］.將車輪荷載簡(jiǎn)化為正方形均布荷載，經(jīng)過換算的正方形荷載作用面積為0.189m×0.189m，2輪內(nèi)緣間距為0.13m，即2輪中心距為0.319m.此外，由于不同結(jié)構(gòu)層的受力大小不同，若單位尺寸劃分較小則計(jì)算結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如尺寸劃分較大則不能夠很好模擬道路各層受力狀態(tài)，因此，采用典型結(jié)構(gòu)模型，網(wǎng)格劃分的單元尺寸為面層0.1m×0.1m×0.05m，基層為0.1m×0.1m×0.1m，土基為0.1m×0.1m×0.2m.

1.2 有限元分析模型

在計(jì)算機(jī)仿真分析中，模型的建立不可能達(dá)到無限區(qū)域.在具體建模過程中，必須考慮模型的尺寸大小.因此，應(yīng)該合理的選擇道路結(jié)構(gòu)模型尺寸，盡量保證選擇的模型大小既能滿足計(jì)算結(jié)果的精度要求又不至于過大而增加計(jì)算量［10］.單元?jiǎng)澐植捎肧OLID45，有限元模型見圖1.

圖1 荷載作用模型

2 修補(bǔ)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)坑槽受力的影響

2.1 坑槽長(zhǎng)寬度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響

為了分析坑槽的長(zhǎng)度和寬度變化對(duì)坑槽結(jié)構(gòu)受力的影響，分別采用以下幾種尺寸（x×y×z）：120cm×100cm×10cm，100cm×100cm×10 cm，100cm×120cm×10cm.由于當(dāng)坑槽尺寸變化時(shí)，若荷載仍作用在中心位置，則坑槽壁縫處離荷載的位置也隨之變化，此時(shí)無法對(duì)比分析坑槽的尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，因此荷載位置采用作用在沿坑槽縱向壁縫內(nèi)側(cè)中心處，見圖2.且對(duì)于坑槽的同一深度處，經(jīng)分析可知縱向壁縫所受的應(yīng)力值要比橫向壁縫處大，所以計(jì)算主要選取縱向壁縫進(jìn)行分析.

圖2 荷載作用下坑槽結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析云圖

由于道路在行車過程中主要受拉壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，坑槽縱向壁縫處各方向剪應(yīng)力值中τz最大，且坑槽底緣（z＝10cm）處剪應(yīng)力大于坑槽表面處，因此在以下分析中，以剪應(yīng)力τz為例，分析坑槽尺寸對(duì)其影響，計(jì)算結(jié)果見圖3和圖4.拉應(yīng)力值選取較大的沿道路方向y 計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖5和圖6.

圖3 不同寬度縱向壁縫處剪應(yīng)力τz對(duì)比圖（z＝0cm）

圖4 不同寬度縱向壁縫處剪應(yīng)力τz對(duì)比圖（z＝10cm）

圖5 不同寬度縱向壁縫處拉應(yīng)力對(duì)比圖（z＝0cm）

圖6 不同寬度縱向壁縫處拉應(yīng)力對(duì)比圖（z＝10cm）

由圖3～圖6可見：（1）不同尺寸坑槽壁縫表面處的剪應(yīng)力均小于坑槽底緣10cm 處，表面拉應(yīng)力負(fù)值大于底緣拉應(yīng)力值；（2）當(dāng)保持坑槽縱向尺寸不變?cè)龃髾M向?qū)挾葧r(shí)，隨著橫向?qū)挾鹊脑黾樱?dāng)橫向?qū)挾扔?00cm 增加到120cm 時(shí)，坑槽壁縫10cm 深度處剪應(yīng)力明顯減小，但隨著橫向?qū)挾鹊脑黾樱硬劭v向壁縫處的拉應(yīng)力負(fù)值逐漸減小，出現(xiàn)由壓向拉的變化趨勢(shì)，且坑槽壁縫附近出現(xiàn)拉應(yīng)力；（3）當(dāng)保持坑槽橫向尺寸不變?cè)龃罂v向?qū)挾葧r(shí)，隨著縱向長(zhǎng)度的增加，當(dāng)縱向?qū)挾扔?00cm 增加到120cm 時(shí)，坑槽壁縫處剪應(yīng)力略有增加.拉應(yīng)力值變化也不明顯，且在坑槽范圍附近未出現(xiàn)拉應(yīng)力值.

2.2 不同坑槽修補(bǔ)厚度的坑槽結(jié)構(gòu)受力分析

根據(jù)道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生坑槽破損程度的不同，選擇了2，6和10cm 3種深度的坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，目的在于在施工過程中能夠根據(jù)不同的坑槽破壞尺寸確定較合理的修補(bǔ)層厚度.荷載作用仍取為標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7 MPa，作用位置取荷載作用在坑槽正中央.建模過程中保持坑槽水平方向尺寸不變，改變修補(bǔ)層的厚度，分別采用以下幾種尺寸：100cm×100cm×2cm，100cm×100cm×6cm，100cm×100cm×10cm，坑槽修補(bǔ)材料彈性模量為5000 MPa，針對(duì)上述3個(gè)模型對(duì)坑槽橫向底緣、縱向底緣的應(yīng)力進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果見圖7、圖8.

圖7 不同厚度縱向壁縫底緣剪應(yīng)力對(duì)比圖

圖8 不同厚度縱向壁縫底緣拉應(yīng)力對(duì)比圖

從圖7和圖8中不同坑槽修補(bǔ)深度坑槽底緣應(yīng)力曲線變化情況可以看出，不同深度情況下，坑槽表面和底緣拉應(yīng)力均為負(fù)值，即都處在受壓狀態(tài)，且表面壓應(yīng)力大于坑槽底緣深度處；隨著修補(bǔ)厚度的不斷加深，坑槽縱向壁縫處的豎向剪力τxz逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在縱向壁縫底緣中間處；當(dāng)修補(bǔ)厚度加深時(shí)，坑槽壁縫的拉應(yīng)力均為負(fù)值，且逐漸減小.

3 結(jié) 論

1）不同尺寸坑槽壁縫表面處的剪應(yīng)力均小于坑槽底緣10cm 處；坑槽橫向?qū)挾鹊脑龃笫箍硬劢Y(jié)構(gòu)壁縫處的剪應(yīng)力值減小，但使拉應(yīng)力值增大；縱向?qū)挾鹊脑黾訉?duì)坑槽結(jié)構(gòu)受力的影響較小.

2）隨著修補(bǔ)深度的不斷加深，坑槽縱向壁縫處豎向剪力τxz逐漸增大，最大值均出現(xiàn)在縱向壁縫中間處；當(dāng)修補(bǔ)厚度加深時(shí)，坑槽壁縫的拉應(yīng)力負(fù)值逐漸減小，但不同厚度的坑槽底緣都只處在受壓狀態(tài).

3）通過不同坑槽尺寸及修補(bǔ)厚度分析可得，當(dāng)坑槽尺寸為120cm×100cm×10cm 且修補(bǔ)厚底越薄時(shí)，坑槽壁縫所受到的剪應(yīng)力最小，這將為坑槽修補(bǔ)工藝的選擇提供理論支撐.

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