基于有限元法的彩色半柔性路面結構力學響應規律分析

陳向陽 金俊杰 周四軍

(無錫市政建設集團有限公司 無錫 214000 )

隨著我國車輛增長較快，軸載增大，傳統的半剛性基層瀝青路面在重載或渠化交通路段的適用性不強，較易出現結構性車轍等問題。而隨著交通水平的提高，駕駛人也越來越重視行駛過程中的視覺舒適性，因此也就對路面色彩與環境融合的協調性提出了更高的要求[1-2]。彩色路面能夠利用色彩區分車道功能、引導車流，但現有的彩色路面主要應用于公交車道等渠化交通路段，在高溫及重載條件下不僅結構性變形病害突出，還會出現色彩耐久性不足等問題，進一步制約城市道路交通功能服務水平的提高。

彩色水泥半柔性路面通過在水泥膠漿中摻入顏料進行著色，然后將其灌入到大孔隙開級配瀝青混合料里，經過養生后，形成灌入式彩色半柔性瀝青路面[3]，具備突出的高強度、高耐久性、高抗變形能力。王文杰[4]利用車轍試驗等評價彩色半柔性混合料的一系列路用性能，結果表明其具有優良的高溫穩定性、疲勞性能及水穩定性。劉長翛[5]通過室內性能試驗研究得出，彩色灌漿復合材料的高溫穩定性能比熱拌瀝青混合料好，低溫性能略有一定程度降低，水穩定性能基本符合要求。曹朋輝等[6]對不同色粉種類、配比的水泥膠砂開展強度、干縮和水流動度試驗，結合膠砂試件性能并考慮造價，確定最佳色粉摻量。武漢市市政建設集團有限公司[7]提出一種應用于公交專用車道的低噪聲彩色半柔性路面結構，包括由上至下設置的透水彩色瀝青面層、半柔性鋪裝層、瀝青混合料面層和水泥穩定碎石基層，具有降噪、排水、抗滑等多重功能，具有較好的耐久性。此外，對于提升渠化交通瀝青路面抗車轍性能還可以通過添加抗車轍劑來進行改性[8]，但相對不如彩色半柔性路面效果好。據此，當前針對彩色半柔性路面的研究相對較少，且相對集中于材料路用性能的室內試驗研究，對于彩色半柔性路面結構整體的力學性能分析研究相對較少，而力學分析可以探究路面結構的不利受力條件，更好地指導彩色半柔性路面結構設計。本文從彈性層狀體系出發，借助三維有限元分析軟件ABAQUS建立彩色半柔性路面結構三維仿真有限元模型，分析在標準軸載作用下的水平拉應力、拉應變、最大剪應力、壓應變及路表彎沉的空間力學響應規律，接著選擇3種不同荷載工況,并確定接地壓強，對于關鍵力學響應指標進行軸載變化性分析，并基于上述兩部分分析，對彩色半柔性路面結構的結構特點與適用性進行總結歸納。

1 彩色半柔性路面結構計算模型

1.1 彈性層狀體系假定

研究采用彈性層狀體系理論，基本假定[9-10]如下。

1) 各結構層為均質、連續、各向同性的彈性體。

2) 各路面結構層間連續，無位移及相對滑動，各層間應力傳遞連續。

1.2 路面結構組合及材料參數

彩色半柔性路面結構組合：面層采用4 cm彩色半柔性瀝青混凝土(SFAC-13)+6 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式瀝青混凝土(AC-25C)+20 cm水泥穩定碎石基層+15 cm水泥穩定碎石底基層，其結構示意見圖1。

圖1 路面結構組合

采用的彩色半柔性路面結構層參數見表1。

表1 路面結構層的材料參數表

1.3 荷載條件

采用BZZ-100單軸雙輪組標準荷載，輪胎充氣壓力為0.707 MPa，雙輪輪胎荷重為50 kN，輪印采用正方形，單個輪胎作用面積近似尺寸為18.9 cm×18.9 cm，雙輪間距為34 cm，兩側輪隙間距為180 cm。

1.4 單元類型及邊界條件

本文采用的計算模型為路面三維模型，尺寸為6 m×4.5 m×3 m。為保證模型計算結果的準確性，同時提高軟件運算效率，采用三維八節點減縮積分單元，選取0.02 m作為近似全局網格布置尺寸，并根據空間尺度需要在路面結構各層進行加密。

邊界條件：X(行車方向)、Z(路幅方向)均為軸向約束，結構底面土基底部為固定約束，路面頂層完全自由。路面結構有限元模型、單元劃分情況、載荷施加位置與邊界約束條件見圖2。

圖2 路面結構三維有限元模型、網格劃分模型及邊界約束

2 標準軸載下的力學響應規律

2.1 最大剪應力

彩色路面結構的最大剪應力沿深度方向分布情況見圖3。由圖3可見，最大剪應力呈現先增大后減小的趨勢，最大剪應力峰值出現在路面結構4 cm處，最大剪應力峰值為0.402 MPa，到達水穩基層后迅速降低，為0.181 MPa，到路基處最大剪應力水平驟降，最大剪應力為0.014 MPa，隨后逐漸趨于0。相比于傳統的半剛性基層瀝青路面，本研究分析的彩色半柔性瀝青路面最大剪應力峰值位置基本一致，但應力水平在經過峰值之后，數值大小迅速降低，這是因為彩色半柔性層模量較大，與下層結構模量差較大時，剪應力消散主要由半柔性層承擔，且消散水平較快，與傳統半剛性基層瀝青路面相比，可有效避免因剪應力累積作用而造成結構性車轍等問題。

圖3 路面結構最大剪應力分布圖

2.2 水平拉應力

選擇沿行車方向的縱向水平拉應力作為分析指標，其應力分布與路面深度關系見圖4。

圖4 路面結構縱向拉應力分布圖

由圖4可見，彩色半柔性層及瀝青層處于受壓區，拉壓交界處位于水泥穩定碎石基層，水平拉應力最大值位于水泥穩定碎石底基層層底，數值大小為0.103 MPa，相比于水泥穩定碎石基層層底的水平拉應力0.061 MPa，增大了68.8%，隨后在路基處進入壓應力區，應力水平約為0.01 MPa，影響較小。彩色半柔性路面對于降低半剛性基層、底基層層底的拉應力水平效果明顯，應力水平數量約為0.1 MPa，說明其比傳統的半剛性基層瀝青路面更不容易出現基層開裂，從而造成瀝青層反射裂縫等。因為半柔性層的介入，其具有良好的抗彎拉性能，剛度接近于半剛性材料，使得拉應力傳遞至中性面位置后早已得到有效降低。

2.3 水平拉應變

選擇沿行車方向的縱向水平拉應變作為分析指標，其應力分布與路面深度關系見圖5。

圖5 路面結構縱向水平拉應變分布圖

由圖5可見，其分布規律與縱向水平拉應力分布形態基本一致，彩色半柔性層處于受壓區，進入瀝青層后處于拉應變區，拉壓交界處為彩色半柔性層層底位置，拉應變最大值位于底基層層底，為0.000 102，相比于基層層底增大了76.5%，在路基處位于拉應變區，并逐漸降低，進一步驗證了彩色半柔性路面整體具有較好的抗拉性能。

2.4 壓應變

路面結構的壓應變隨深度方向分布圖見圖6。

圖6 路面結構的壓應變分布示意圖

由圖6可見，壓應變峰值位于彩色半柔性層層底，數值大小為0.000 31，由于半柔性材料模量較大，能夠較好地承受豎向荷載，隨后在半剛層底基層層底降至最低，數值大小為0.000 069，進入路基后壓應變數值增大，數值大小為0.000 19，路基頂面豎向壓應變應作為控制路基不產生過大變形的關鍵指標。

2.5 路表彎沉

圖7為路表彎沉隨深度方向分布情況，該彎沉值可以反映路面結構的整體強度。選取輪載作用下的豎向變形彎沉值最大值，其路表彎沉為37(0.01 mm)，處于較低水平，相較于普通瀝青路面，彩色半柔性層在面層部位為全斷面高模量，而不是逐漸遞減，在同等荷載水平下，彩色半柔性路面使得整體豎向變形較小，表明該路面結構強度足夠。

圖7 路面結構的豎向變形分布示意圖

3 重載條件下關鍵力學指標響應規律

3.1 荷載工況及分析指標選取

選擇3種不同荷載工況下(單軸雙輪軸重分別為100,150,200 kN)確定的接地壓強，在進行荷載設置時，通常有如下3種設計：荷載作用模式1：輪胎與路面的接地壓強隨軸載按比例增加，接地面積及其中心間距保持不變；荷載作用模式2：接地壓強保持為0.7 MPa，輪胎與路面的接地面積隨軸載按比例增加，但接地面積中心間距保持不變；荷載作用模式3：接地壓強和接地面積隨軸載的增加而增加，但接地面積中心間距保持不變。

本研究為靜力分析，荷載幅值僅增加1倍，因此單元類型、邊界條件與接地面積對荷載變化相對不敏感，為簡化計算，提高運算效率，采用了荷載作用模式1。此外，為充分反映數值規律，選擇車輛荷載下方正中心力學特征作用路徑作為空間力學響應規律分析主路徑。通過上述路面結構力學響應規律來看，綜合考慮SFAC層的受力特性與材料層位，選取作為最大剪應力峰值、半剛性基層層底拉應力、路基頂面豎向壓應變、路表彎沉關鍵力學指標的分析群體。

圖8a)為不同荷載工況下彩色半柔性路面結構最大剪應力峰值變化規律圖。由圖8a)可見，隨著軸載作用增加，整個路面結構的最大剪應力峰值增長較快，峰值位置均位于4 cm處，數值變化由0.4 MPa、0.6 MPa增長至0.8 MPa，彩色半柔性層由于具備水泥混凝土路面優良的高強特性，其抗剪性能優于傳統的半剛性基層瀝青路面，最大剪應力峰值變化幅值低于SFAC層所能承受的最大剪應力。

圖8b)為在3組軸載作用下力學指標情況。從圖中可見，SFCG路面為彩色半柔性層及瀝青層處于受壓區，拉壓交界處位于水泥穩定碎石基層，水平拉應力最大值位于水泥穩定碎石底基層層底，隨著軸載增大、水平拉應力最大值變化相對較小，從0.1 MPa、0.15 MPa增長至0.2 MPa。

如圖8c)所示，路基頂面豎向壓應變在3組軸載作用下，數值大小分別為：6.87×10-5、-1.03×10-4、1.37×10-4，相對來說數值較小，說明SFCG路面對于保護路基作用較為突出。

圖8d)為路表彎沉的示變化意圖。由圖可見，隨著軸重增大，路表彎沉由36、54(0.01 mm)增至71(0.01 mm)，整體彎沉增長與軸載變化保持一致，說明SFCG路面在2倍標準軸載作用下的結構抗力水平較好，與傳統半剛性基層瀝青路面相比整體強度較大，可用于重載或者渠化交通路段。

圖8 不同荷載工況下的彩色半柔性路面結構關鍵力學指標響應規律

4 結論

本研究通過分析彩色半柔性路面的力學響應規律，總結出關鍵力學響應指標，設置3組不同軸載的分析工況，進一步對分析變化特征進行了規律總結，闡述了彩色半柔性路面結構的結構特點與適用性，研究結論如下。

1) 彩色半柔性最大剪應力峰值出現在路面結構深度4 cm處，最大剪應力峰值為0.402 MPa，到達水穩基層后迅速降低，與傳統半剛性基層瀝青路面相比彩色半柔性路面結構最大剪應力峰值位置基本一致，剪應力應力水平及影響深度、拉應力水平較小，并且具有良好的整體結構強度。

2) 歸納選擇最大剪應力峰值、水泥穩定碎石層層底拉應力、路基頂面豎向壓應變、路表彎沉作為關鍵力學指標。

3) 彩色半柔性路面結構在2倍標準軸載作用下的結構抗力水平較好，關鍵力學指標響應相對可控，相比于半剛性基層瀝青路面整體強度較大，可用于重載或者渠化交通路段。