FLAC3D模擬荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響

徐廣富

摘? ?要：本文研究路面結(jié)構(gòu)在荷載下的影響。路面結(jié)構(gòu)的分析道路設(shè)計(jì)的一個(gè)傳統(tǒng)的課題，彈性層狀體系是目前應(yīng)用較為廣泛的理論，但是該理論也存在較為明顯的缺點(diǎn)，例如土基是彈塑性模型等，瀝青砼也可以考慮采用蠕變模型，傳統(tǒng)的力學(xué)分析在應(yīng)對(duì)這些變化的時(shí)候的靈活性較差。本文采用較為數(shù)值分析軟件進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析。FLAC3D軟件可以采用多種模型組合，受力分析合理，也是一種較為可靠的力學(xué)分析方法。FLAC軟件采用有限差分法計(jì)算，本次分析為簡(jiǎn)化模型，采用彈性模型模擬各路面結(jié)構(gòu)層。本次模擬了單軸雙輪、單軸四輪載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，并研究彈性范圍內(nèi)路基深度的變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響。模擬的結(jié)果較好的反應(yīng)了各種反應(yīng)狀況，取得了較好的試驗(yàn)結(jié)果。FLAC3D軟件是一種有效分析路面結(jié)構(gòu)的軟件。路面結(jié)構(gòu)是一種隨荷載數(shù)量、路基深度變化較為明顯的結(jié)構(gòu)體系。

關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu)分析? FLAC3D軟件? 數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：U416? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）12（a）-0051-03

瀝青混凝土路面指的是采用連續(xù)式或分批式拌合成的瀝青混凝土作面層的路面。經(jīng)人工選配具有一定級(jí)配組成的礦料（碎石或軋碎礫石、石屑或砂、礦粉等）與一定比例的路用瀝青材料，在嚴(yán)格控制條件下拌制而成的混合料。

路面結(jié)構(gòu)分析道路設(shè)計(jì)中較為重要的部分，目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析一般采用的彈性層狀體系理論，受該理論假設(shè)的影響，目前的力學(xué)分析一般局限于傳統(tǒng)的彈性力學(xué)范疇。

本次采用FLAC3D軟件模擬路面、路基在車輛車載受水平、豎向荷載時(shí)的受力狀態(tài)。為簡(jiǎn)化計(jì)算，本次數(shù)值分析采用彈性模型。

1? 模型分析

本次分析路面結(jié)構(gòu)在車輛水平和豎向荷載條件下的受力情況。如圖1所示。

2? 程序分析過(guò)程

本次分析分別對(duì)單周雙輪組、單軸單輪組荷載進(jìn)行了分析和模擬，模擬車輛在靜止?fàn)顟B(tài)及路口急剎車的狀態(tài)。

3? 瀝青砼路面計(jì)算理論研究分析

3.1 瀝青砼計(jì)算原理

瀝青砼目前的計(jì)算均以彈性層狀體系理論為依據(jù)，將車輛荷載簡(jiǎn)化為雙圓垂直均布荷載，對(duì)瀝青砼面層和整體材料的基層、底基層進(jìn)行層底拉應(yīng)力驗(yàn)算，必要時(shí)進(jìn)行瀝青面層剪應(yīng)力驗(yàn)算。

單輪承壓面當(dāng)量圓直徑d=21.3cm，兩輪中心距1.5d，標(biāo)準(zhǔn)軸載100kPa，接地壓強(qiáng)0.7MPa。如圖2所示。

3.2 瀝青砼計(jì)算模型假設(shè)

半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)進(jìn)行了如下的簡(jiǎn)化：

（1）各層連續(xù)、均質(zhì)、各向同性彈性體，位移及形變微小;（2）水平及垂直向下方向無(wú)限大;（3）無(wú)限遠(yuǎn)處，形變、位移、應(yīng)力變化值均為0;（4）不計(jì)自重。但本次數(shù)值分析考慮材料自重。

3.3 其他影響因素

合理選擇相鄰結(jié)構(gòu)層之間的模量比，以各層模量比控制在3左右為最好。考慮瀝青砼的工作性，盡量按照強(qiáng)度和剛度自上而下逐層遞減原則設(shè)計(jì)。

4? 數(shù)值分析原理

FLAC3D作為一款優(yōu)秀的巖土專用分析軟件，具有12種巖土本構(gòu)模型、八種蠕變模型、三種流體、兩種熱力學(xué)模型。該軟件可以同時(shí)融合靜力、動(dòng)力、溫度、滲流的耦合計(jì)算，同時(shí)也可以模擬較為復(fù)雜的工程力學(xué)行為。同時(shí)FLAC3D的大變形的計(jì)算能力也較為突出，故選用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析是較為合適的。

數(shù)值分析可以有效的揭示各層材料的受力狀態(tài)，同時(shí)可以在不增加較多費(fèi)用的情況下多狀態(tài)、反復(fù)的數(shù)值分析，深刻揭示路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，變形規(guī)律等。

5? 數(shù)值分析

5.1 數(shù)值分析

（1）模型分析。

分析標(biāo)準(zhǔn)軸載狀態(tài)下的路面結(jié)構(gòu)的受力云圖。

（2）數(shù)值分析取值。

為簡(jiǎn)化分析，本次模擬中僅考慮路面、路基在彈性范圍內(nèi)的變形特點(diǎn)，對(duì)模型中各層材料均采用彈性模型。下表中數(shù)據(jù)為本次模擬采用的數(shù)據(jù)。

對(duì)模型的邊界均進(jìn)行了約束，對(duì)材料按照密度進(jìn)行賦值。

模擬的荷載采用車輪荷載，模擬輪胎的接地面積0.2m2×0.2m2，豎向荷載采用-0.707e6MPa;根據(jù)文獻(xiàn)的研究成果，水平荷載與輪胎形狀、路面特性、路基干濕狀態(tài)、車速等有關(guān)，甚至可以達(dá)到豎向荷載的95%，本次分析根據(jù)該成果進(jìn)行荷載取值。

（3）網(wǎng)格劃分。

考慮網(wǎng)格劃分尺寸對(duì)受力分析的影響，第二個(gè)影響因素是考慮劃分的網(wǎng)格對(duì)加載面的影響。目前的彈性層狀理論將車輛荷載考慮為圓形荷載，但是車輛輪胎是矩形，受力呈現(xiàn)中間高，兩側(cè)低的特點(diǎn)，采用矩形模擬該受力分布更加合理，但是考慮到本次研究的特點(diǎn)，采用了均布矩形荷載的方式。故對(duì)應(yīng)荷載的特點(diǎn)，網(wǎng)格劃分采用了矩形劃分的方式。如圖3所示。

長(zhǎng)寬各采用4m，各劃分為40個(gè)網(wǎng)格。深度根據(jù)分析深度適當(dāng)簡(jiǎn)化網(wǎng)格，總厚度1.76m和3.76m兩種。

對(duì)于側(cè)面和底面均進(jìn)行了模型約束。

（4）豎向受力狀態(tài)分析，如圖4、5所示。

通過(guò)模擬雙輪和四輪狀態(tài)的受力分析模型，可以看出在靜止?fàn)顟B(tài)下的SZZ受力云圖（見(jiàn)圖4和圖5），四輪受力是互相影響的，并且四輪對(duì)沉降變形的影響比雙輪狀態(tài)高，應(yīng)考慮四輪疊加影響的作用。

圖6通過(guò)對(duì)比土基深度1米和3米狀態(tài)，可以看出同樣是四輪狀態(tài)，處于彈性狀態(tài)的路基的沉降受土層深度影響較大，沉降量明顯增大。

（5）水平荷載影響

考慮到停車和啟動(dòng)時(shí)候的荷載影響，特別是考慮緊急剎車狀態(tài)下，車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，剎車時(shí)產(chǎn)生的水平荷載可以達(dá)到車輛豎向荷載的95%，根據(jù)該研究成果，豎向荷載采用-0.707e6 MPa，水平向荷載采用0.672e6 MPa。本次分析豎向和水平向荷載同時(shí)作用下的道路路面變形特點(diǎn)。

根據(jù)豎向位移（變形）云圖（圖7、8）顯示，路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的變形，車輪前后較大范圍均產(chǎn)生了較大變形。

6? 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

①FLAC3D軟件可以較好的分析路面結(jié)構(gòu)在車輛車載作用下的變形特點(diǎn)。

②數(shù)值分析過(guò)程中同樣分析了X、Y、Z方向的單向位移影響，最大、最小應(yīng)力等多種受力狀態(tài)等，都表現(xiàn)出了同樣的趨勢(shì)，本次的模擬是較為成功的。

③采用數(shù)值分析可以較為可靠的多工況、多方案比選，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比應(yīng)力云圖得出合理的方案。

6.2 展望

①由于篇幅限制，對(duì)于本次模擬、計(jì)算過(guò)程中的多處環(huán)節(jié)進(jìn)行了省略。

本次模擬限于條件限制，對(duì)車輛車載產(chǎn)生的動(dòng)荷載沒(méi)有進(jìn)行模擬分析，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的動(dòng)荷載或相關(guān)資料的研究成果展開(kāi)動(dòng)荷載分析研究。

②由于工地、試驗(yàn)等條件限制，本次數(shù)值模擬采用了最簡(jiǎn)單的彈性模型，實(shí)際上土體本身可以可以考慮多種模型組合，例如摩爾-庫(kù)倫模型、粘塑性模型、修正劍橋模型等其他的優(yōu)秀彈、塑性模型等，更加合理的模擬工程變化的規(guī)律。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘇丹.公路橋梁施工合同管理跟蹤管理要點(diǎn)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2019（18）：207-208.

[2] 曹航.基于抗車轍功能的高模量瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[D].石家莊鐵道大學(xué)，2018.

[3] 延麗麗.基于ANSYS的瀝青路面坑槽修補(bǔ)結(jié)構(gòu)仿真分析[D].長(zhǎng)安大學(xué)，2012.