瀝青路面車轍數值模擬的敏感性分析

朱德武 于得水 李 娜 李 昊

(1.濰坊市路橋工程建設二處，山東 濰坊 261031； 2.山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250061)

1 概述

采用有限元軟件ABAQUS進行路面結構車轍數值模擬時，影響車轍深度預估的材料參數眾多，如彈性模量、蠕變參數、熱特性參數等。關于這些路面材料參數對預估的車轍深度的影響機理與影響程度，尚未有相關文獻報道。為此，本研究以山東省高速公路典型路面結構為例，重點分析瀝青路面上面層材料參數對車轍影響的敏感性，為瀝青混合料的選擇與設計提供參考，這對于車轍的預防以及延緩車轍發生時機具有一定的理論意義與工程參考價值。

2 計算方案及參數選取

通過試算對比及相關文獻表明，采用2D模型與3D模型分析瀝青路面永久變形的結果比較接近。考慮材料參數的變異性和離散性、溫度模型和荷載模型的簡化等因素影響，擬采用2D有限元進行路面車轍模擬分析。采用的路面結構如圖1所示，簡化后的計算模型如圖2所示。

模型尺寸：路面結構的模型尺寸(x，y)為3.75 m×3 m。邊界條件：模型兩側固定x方向位移，模型底部固定x，y兩個方向位移，層間為完全接觸。單元體：溫度場單元采用DC2D8(8結點四邊形熱傳導單元)，車轍模擬單元采用CPE8R(8結點平面應變四邊形減縮積分單元)。車輪荷載：荷載施加在距離行車道邊緣線0.8 m的位置，采用我國標準中所規定的雙圓荷載，為簡化計算，按照荷載應力等效原則，可將雙圓均布荷載換算為矩形載荷，其尺寸如圖3所示。

運用ABAQUS模擬路面車轍時可采用自帶的時間硬化模型，其公式為：

其中，A,n,m均為蠕變模型參數(可通過對瀝青混合料進行室內蠕變試驗后擬合得到)；q為軸向偏應力(三軸重復荷載永久變形試驗中軸向壓力與圍壓的差)；t為荷載累計作用時間。進行數值模擬時采用的網格劃分如圖4所示。

數值模擬需考慮的參數主要有：彈性模量E、時間硬化蠕變模型中參數A、參數n、參數m。由于參數較多，為減少計算次數，采用正交設計來安排模擬試驗。采用L9(34)正交表來安排，如表1所示。

表1 L9(34)正交試驗方案

表2 SMA路面面層的參數A取值

表3 SMA路面面層的參數n取值

表4 SMA路面面層的參數m取值

本文的數值模擬僅對路面上面層參數對車轍的影響進行敏感性分析。參數E,A,n,m各取3個水平，其各參數水平如表2～表5所示，中下面層參數取值如表6所示，基層及土基材料參數如表7所示，各層熱特性參數如表8所示，荷載作用次數按照50萬次標準軸次。

表5 SMA路面面層的參數E取值

表6 中下面層參數取值

表7 基層和土基材料參數

表8 路面溫度場分析熱特性參數

3 計算結果與分析

按正交表規定的試驗方案進行試驗，車轍模擬計算結果見表9。依據正交試驗方案與模擬值進行直觀分析(極差分析)，直觀分析結果列于表9。

表9 模擬結果及直觀性分析

由表9中各因素的極差大小可以判斷，各因素對計算結果的影響從主到次的順序為n>A>m>E。由于模擬試驗的車轍值越小越好，因而在選取各因素較優的水平組合方案時應選取使指標(車轍值)較小的水平，不同因素水平K值之間的大小順序如表10所示。

表10 不同因素水平K值關系

由K值大小順序可得優選方案為A3n3m3E2。為了更直觀地分析各參數對車轍值的影響，繪制因素與試驗指標(車轍值)的趨勢圖，如圖5所示。

由圖5可以看出，當E=870 MPa,A=6.04×10-11，n=0.907，m=-0.622時，路面結構車轍值最小，也就是極差分析得到的最優方案。采用此組參數進行模擬計算，車轍值結果為5.1 mm，即在所擬定的SMA面層材料參數大小范圍內，當其參數值為上述一組值或在其附近時，則對應的整個路面結構車轍深度最小，這可以通過優化瀝青混合料設計來實現。

車轍主要是由于瀝青混合料蠕變中的粘性流動變形引起，而彈性參數E對車轍影響較小，從極差分析中可以看出E對計算指標的影響最小，因此將正交表E列作為空白列，對其他的三個蠕變參數n,A,m進行方差分析，計算結果見表11。

表11 方差分析結果

由表11中計算的F值可以看出，對于顯著性水平α=0.05，參數A,n對車轍模擬結果有顯著性影響，參數m無顯著性影響。

4 結語

本文采用有限元軟件ABAQUS對瀝青路面的車轍進行了數值模擬計算，由車轍數值模擬的參數敏感性分析表明，主要材料參數E,A,n,m對車轍影響的主次順序為n>A>m>E；蠕變參數n,A對車轍有顯著性影響。因此，為提高路面的抗車轍性能，需重視瀝青混合料的高溫蠕變特性，通過對多種瀝青混合料蠕變試驗數據獲得的蠕變參數進行車轍預估，從中優選抗車轍性能最優的瀝青混合料，這對瀝青混合料的優化設計具有指導意義。

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