路基土模量對路面結構受力影響有限元分析

李鵬飛

(黑龍江省公路工程造價站，黑龍江 哈爾濱 150008)

1 概述

路基的修筑質量顯著影響路面的使用品質，提高瀝青路面的使用壽命必須基于良好的路基修筑質量。為保障路基的修建質量，國內外學者開展了大量的相關研究[1-7]。彭燃等的研究認為，只有法國規范能夠將設計理念與實際施工指標相統一，建議我國規范將回彈模量納入驗收指標[8]。謝鵬遠闡述了確保路基強度穩定的首要條件，提出了確保路基強度穩定性的有效措施[9]。陳洪興等研究了季凍區路基土抗剪強度指標變化規律發現凍融循環作用能夠使土體黏聚力降低，內摩擦角增大[10]。張銀博等利用Bisar3.0軟件,開展了基于路基強度衰減條件下的路面結構力學分析，為路面結構設計提供了一定依據[11]。本文在前人的研究基礎上，基于ANSYS軟件建立三維有限元動力分析模型，系統的分析不同路基施工質量條件下，瀝青路面的動力學響應規律，以期能為路面設計及路基施工質量控制提供一定參考作用。

2 基于ANSYS軟件的路面結構力學響應仿真模型

本部分采用ANSYS仿真軟件建立了可用于研究土基模量對路面結構受力狀態的影響三維空間大尺度動力學分析模型，模型具體狀態如圖1所示。模型的長寬高分別為：沿行車方向其長度為3 m、水平垂直于縱向方向的寬度為1.5 m，本次所構建模型的厚度為1.74 m，其中包括路基的厚度和路面的厚度。在本次構建的模型中，為了更好的表征路面結構在荷載作用下的動力學影響，在加載方式的設置過程中，設置了50 cm寬的加載區，同時在加載區的外側也布設了影響區域，影響區的寬度為加載區的1倍。模型的約束條件采用了四周法向固定，底部三向固定。同時，為了開展動力學分析，根據路面的實際情況，設置了路面的質量阻尼系數和剛度阻尼系數，其設置值分別為0.4和0.005。結構層厚度及模量見表1。為了分析不同改性土對路面結構受力的影響，土基模量分別取30 MPa，40 MPa，50 MPa，60 MPa。

表1 動力分析路面結構層材料參數

加載的車輪形狀采用矩形，尺寸為長度50 mm、寬度18 mm，加載的車輪輪壓設置為0.7 MPa。本文為研究車輛行駛過程中對路面結構的影響，采用了移動荷載的加載方式。荷載的移動方式采用三階段法進行設置。第一階段設置了移動區域和方向；第二階段將移動區域進行細分成若干個小的區域；第三階段根據行車速度設置每個區域的作用時間。具體如圖2所示。本次分析過程中，將移動區域進行細分成20個，行車速度為72 km/h。根據上文確定的規則，則每個區域的加載時間為0.007 5 s。

3 基于足尺仿真模型的路面結構層動力學響應規律分析

采用前文所述的加載方式下，我國最為常見的路面結構形式的動力學響應規律，為了使分析更具值觀表現，重點分析了所建立的足尺模型的中部區域不同深度的應力應變響應。

路面結構在移動載荷作用下，不同深度處的SY(縱向應力)、SZ(豎向應力)、SZX(豎向剪應力)、SZY(水平剪應力)的時程曲線分別如圖3所示。

圖3(a)為路面結構層不同深度處沿行車方向的力學響應特性隨著時間變化的規律圖。分析此圖可以發現，在車輛移動荷載的作用過程中，其路面結構內部的應力出現正負交替的現象，這表明在行車荷載的作用下，路面會受到拉和壓的作用。進一步分析可知，拉應力的極值比壓應力的極值要差一個數量級。面層不同深度處響應規律一致；基層中則為壓應力，并且極值很小。面層內的拉應力隨著深度的增加而減小。表面層的拉應力受移動載荷的影響最大。圖3(b)所示的結果為仿真模型垂直方向的力學響應特性隨著時間變化的規律圖。分析此圖可以發現，在車輛移動荷載的作用過程中，其路面結構內部的應力均為負值，表明在此方向上路面結構只受到一種力的作用形式，不會出現疲勞損傷問題。進一步分析此圖可知，沿著縱深方向的增加豎向壓應力減小。面層內部不同深度處的壓應力數值較為接近，并且幅值較大，響應時間約為0.03 s，基層內部受到的豎向壓應力較小，但響應時間較長。圖3(c)為路面結構層不同深度處豎向剪應力的時程曲線，從圖上可以看出，在荷載駛過前后，路面結構層內部的豎向剪應力均為負值，即剪應力的方向沒有發生變化。上中面層的剪應力幅值較為接近，下面層的剪應力幅值相對較小，基層中的豎向剪應力可以忽略。從以上分析可知，豎向應力及豎向的剪應力在面層內部均為單向的載荷動力響應。在行車載荷長期的反復作用下，路面材料處于一個重復蠕變的過程，這樣就很容易產生車轍變形，尤其是在上中面層。圖3(d)所示的結果為仿真模型垂直方向的水平剪切作用的力學響應特性隨著時間變化的規律圖。分析此圖可以發現，在車輛移動荷載的作用過程中，其模型結構內部的應力出現了交替變化，表明在此方向上路面結構只受到兩種力方向的作用形式，可能會出現疲勞損傷問題。

4 土基模量對路面結構受力狀態的影響分析

4.1 縱向應力SY

在土基模量變化的情況下，路面結構不同深度處縱向應力SY的時程曲線如圖4所示。隨著土基模量的增加，路基的剛度提高，路基對動載荷的響應時間提前、響應速度提高。但不同模量土基的縱向應力SY響應時間大致相同，在路面結構的不同深度處的縱向應力均為拉-壓交替出現。并且隨著土基模量的增加，不同深度處的縱向應力的極值減小。

4.2 豎向應力SZ

在土基模量變化的情況下，路面結構層內的豎向應力SZ的時程曲線對比見圖5。同樣隨著路基土模量的增加，豎向應力響應提前，但總響應時間基本相同。在路基結構不同深度處，豎向應力響應的極值隨土基模量的增加而減小。隨著路基模量的增加，路基變形量的減少，提高了路基的支撐效果，從而減小路面結構層的豎向應力響應，路基土模量的增加，增強了整個路面結構抵抗豎向應力的能力。

4.3 豎向剪應力SZX

在土基模量變化的情況下，路面結構層內豎向剪應力SZX的時程曲線對比見圖6。同樣，在路基模量增加的情況下，結構的豎向剪應力SZX響應時間提前，但動力響應的總時間大致相同。隨著土基模量的增加，路面結構層內的豎向剪應力的數值稍有減小，但豎向剪應力降低的幅度相對較小，即土基模量在一定范圍內變化時，對路面結構層內的豎向剪應力的影響相對較低。

4.4 水平剪應力SZY

在土基模量變化的情況下，路面結構層內水平剪應力SZY的時程曲線對比見圖7。隨著路基土模量的增加，路面結構層內的層間剪應力的響應提前，但響應時間基本相同，并且路基土模量的增加對層間剪應力的極值的影響較小。層間剪應力即水平剪應力與路面結構層的推移破壞有關，其主要與結構層的層間聯接狀態及材料的抗剪切性能相關，土基模量的變化對路面結構層間剪應力的影響較小。

5 結語

1)建立了移動載荷作用下路面結構動力響應的力學分析模型，建立的模型可用于研究路面結構層的動力響應規律。2)基于本文建立的動力學分析模型，闡明了土基模量的變化對路面結構力學狀態的影響規律。3)隨著土基模量的增加，土基剛度增大，路面結構的動力響應提前。隨著路基模量的增加，路面結構層內的豎向應力及水平應力極值減小。4)路基模量的變化對路面結構層的豎向剪應力及層間剪應力的影響較小。