基于有限元方法的瀝青路面基-面層抗沖刷性能研究

摘要：為研究不同因素對瀝青路面基-面層抗沖刷性能的影響，文章利用ABAQUS軟件建立瀝青路面基-面層間的數(shù)值模型并進行計算，討論了車輛軸重、行駛速度和環(huán)境溫度對基-面層間抗沖刷性能的影響。根據(jù)計算結(jié)果可知：（1）基層和面層的豎向應(yīng)力和位移隨著車輛軸重、行駛速度和溫度的升高均增大；（2）基層和面層在動水沖刷作用下均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，相同條件下基層受到的損傷更大；（3）高溫更易使得瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。

關(guān)鍵詞：瀝青路面基-面層；流固耦合；抗沖刷性能；影響因素

0引言

近年來，隨著我國交通工程建設(shè)的不斷推進，高速公路的總里程數(shù)迅速增加，其覆蓋范圍得到了巨大的改善。瀝青路面因具有較高的整體強度、低振動、良好的穩(wěn)定性等優(yōu)點，在我國得到了廣泛的應(yīng)用［1］。然而，瀝青路面雖然在材料上具有諸多優(yōu)點，但仍然時常出現(xiàn)“今年修，來年壞”的情況。對該類情況進行匯總發(fā)現(xiàn)，瀝青路面的“水損害”最為常見。目前國內(nèi)外學(xué)者對瀝青路面在飽水狀態(tài)下的抗沖刷性能的研究已取得較多成果。黃維蓉等［2］設(shè)計了凍融循環(huán)-動水沖刷-劈裂耦合試驗，研究了不同的沖刷高度、沖刷速度和沖刷時間條件下3種OGFC-13型高黏瀝青混合料的水穩(wěn)定性。羅蓉等［3］為評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，基于表面能理論，進行了瀝青混合料的表面能試驗和宏觀水穩(wěn)定性試驗，確定了不同溫度點對應(yīng)的指標(biāo)ER閾值。黨志榮等［4］對瀝青混合料開展了凍融循環(huán)-動水沖刷耦合試驗，結(jié)合CT掃描，研究了在凍融循環(huán)和動水沖刷耦合作用下瀝青混合料的劣化規(guī)律。王英等［5］開發(fā)了一種模擬動水沖刷的裝置，測試了在動水沖刷和靜態(tài)浸水兩種試驗條件下瀝青混合料的空隙率、吸水率和劈裂強度，同時結(jié)合CT掃描，分析了瀝青混合料在動水沖刷作用下的短期水損害機理。張甫田等［6］設(shè)計了靜水浸泡條件下瀝青混合料的凍融劈裂試驗和瀝青混合料的動水沖刷試驗，分析動水沖刷加速瀝青混合料水損壞的機理。袁玲等［7］利用動水壓力試驗系統(tǒng)，研究了AC-13型密級配瀝青混合料在動水壓力作用下的力學(xué)性能和路用性能。郭瑞等［8］設(shè)計開展了不同類型的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的室內(nèi)抗沖刷模型試驗，對懸浮密實型、骨架密實型以及骨架空隙型3種不同結(jié)構(gòu)的水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層的抗沖刷性能進行了研究。郭學(xué)東等［9］考慮了硅烷偶聯(lián)劑在動水沖刷作用對瀝青路面產(chǎn)生損傷中的影響，設(shè)計進行了室內(nèi)動水沖刷試驗。臧振宇［10］依托某高速公路實際工程，建立了移動荷載作用下的瀝青路面數(shù)值模型，考慮了滲透系數(shù)、變形模量、行車速度、排水邊界等因素對飽和瀝青路面水力響應(yīng)的影響。

本文利用ABAQUS軟件建立飽水狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)基-面層間的流固耦合數(shù)值模型并進行計算，分析了不同車輛軸重、車輛行駛速度以及環(huán)境溫度下的基-面層間計算點位置的豎向應(yīng)力和位移，討論了不同因素對基-面層間抗沖刷性能的影響，以期為瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工提供參考。

1 ABAQUS軟件在流固耦合中的應(yīng)用

ABAQUS作為應(yīng)用相當(dāng)廣泛的通用有限元軟件，可以模擬精細的模型，分析復(fù)雜的力學(xué)問題，在處理工程問題時具有很明顯的優(yōu)勢，其可進行包括溫度場、滲流場等的多場耦合計算，軟件的交互性較好，操作較為簡便。

本文利用ABAQUS Explicit軟件建立基-面層間的流固耦合數(shù)值模型，研究層間的抗沖刷性能。流固耦合是指流體的流動過程會對道路材料產(chǎn)生影響，而道路材料的變化也會影響流體的流動、流體和固體材料之間的相互作用。在ABAQUS軟件中進行流固耦合計算的步驟如圖1所示。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何尺寸與材料參數(shù)

本文采用等效簡化的方式建立數(shù)值模型，假定模型基面層間縫隙為飽水狀態(tài)，且不考慮面層和基層的滲透性，通過控制等效水膜的厚度表征層間的含水率，同時將瀝青路面的上面層、中面層和下面層等效簡化為AC-20瀝青面層，總厚度為180 mm。路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為AC-20瀝青面層（厚度為180 mm）、水膜層（厚度為0.5 mm）、水泥穩(wěn)定碎石層[KG（0.14mm]（厚度為200 mm）。數(shù)值模型的長度為6 000 mm，寬度為8 000 mm，高度為6 380 mm，如圖2所示。材料在不同溫度下的參數(shù)取值如表1和表2所示。

由于模型在車輛荷載作用下的荷載和結(jié)構(gòu)均具有對稱性，為簡化計算，將模型沿垂直于Z軸方向切割為若干薄片，取模型右側(cè)對稱中心位置的薄片建立流固耦合模型。模型的長度為450 mm，寬度為1 mm，高度為380 mm，其中水膜層的長度為156 mm，寬度為1 mm，高度為0.5 mm（如圖3所示）。

2.2 荷載與邊界條件

相對于整個的路面的面積，車輛行駛時的荷載作用面積很小，為方便計算，可以取矩形區(qū)域代替真實的雙圓荷載區(qū)域。車輛荷載的變化情況采用Haversine半正弦波的形式，車輛軸重分別取100 kN、140 kN、180 kN，車輛行駛速度分別取15 m/s、20 m/s、25 m/s，車輛速度與荷載作用時間如下頁表3所示。以車輛軸重100 kN、車輛行駛速度20 m/s的情況為例，荷載作用的時程曲線如圖4所示，荷載峰值為0.71 MPa。

整個路面結(jié)構(gòu)模型的邊界條件為：四周邊界約束其法向位移，底面完全固定，且均為不透水邊界，由于流固耦合模型是從完整的路面結(jié)構(gòu)模型中切片而來的，因此其邊界條件是不完全對稱的。對于流固耦合模型的邊界條件，其底面、右側(cè)邊界完全固定，左側(cè)邊界以及前后邊界僅約束其法向位移，上邊界為自由邊界。

流固耦合模型的基-面層間無水膜部分設(shè)置為完全接觸狀態(tài)，基-面層間有水膜部分可將接觸屬性設(shè)置為：法向行為-“硬”接觸、切向行為-罰摩擦公式。

3 不同車輛軸重對層間抗沖刷性能的影響

為研究不同車輛軸重對飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取100 kN、140 kN、180 kN三個車輛軸重水平，取車輛行駛速度為30 m/s，環(huán)境溫度為25 ℃，計算點位置對應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對車輛荷載作用下計算點位置的豎向應(yīng)力和位移進行監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，飽水狀態(tài)下的路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下，基層和面層計算點位置的豎向應(yīng)力和面層計算點位置的豎向位移均隨著車輛軸重的增大而增大，其時程曲線表現(xiàn)出一定的波動性，同時荷載的傳遞具有一定的滯后性，面層和基層計算點位置的豎向應(yīng)力峰值出現(xiàn)均晚于荷載達到峰值的時間點，且面層的豎向應(yīng)力峰值出現(xiàn)時間晚于基層。計算點處的豎向應(yīng)力和位移首先隨著半正弦荷載的增大而增大，在達到荷載的峰值后逐漸減小，當(dāng)荷載作用消失后，基-面層間的動水沖刷作用隨著時間的延長逐漸消散；在動水沖刷作用下，基層和面層均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，且車輛軸重越大，對應(yīng)交替出現(xiàn)的拉壓應(yīng)力的峰值越大，對路面結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能的劣化作用越明顯。同時，在相同車輛軸重條件下，相同時間基層計算點對應(yīng)的豎向應(yīng)力總是大于面層計算點，說明路面結(jié)構(gòu)在動水沖刷作用下，基層受到的損傷更大，往往會更早發(fā)生破壞。

4 不同車輛行駛速度對層間抗沖刷性能的影響

為研究不同車輛行駛速度對飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取20 m/s、25 m/s、30 m/s三個車輛行駛速度水平，取車輛軸重為100 kN，[KG（0.15mm]環(huán)境溫度為25 ℃，計算點位置對應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對車輛荷載作用下計算點位置的豎向應(yīng)力和位移進行監(jiān)測，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，隨著車輛行駛速度增大，荷載的作用時間縮短，在荷載達到峰值時作用在路面結(jié)構(gòu)上的力越大，因此基層和面層計算點位置的豎向應(yīng)力和面層計算點位置的豎向位移均隨著車輛行駛速度的增大而增大。隨著車輛荷載逐漸增大，基層和面層計算點位置處的壓應(yīng)力迅速增大，因荷載傳遞具有一定的滯后性，當(dāng)荷載達到峰值時，基層和面層計算點位置處的壓應(yīng)力仍然繼續(xù)增大，然后再逐漸減小至0，而后轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力。車輛荷載作用消失后，層間水膜因車輛荷載作用所產(chǎn)生的慣性運動依然會對路面結(jié)構(gòu)的基層和面層進行反復(fù)的沖刷，基層和面層的豎向應(yīng)力值在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力之間不斷轉(zhuǎn)換，對路面結(jié)構(gòu)的抗沖刷性能產(chǎn)生明顯的劣化作用，且車輛行駛速度越大，對路面結(jié)構(gòu)抗沖刷性能的劣化作用越明顯。

5 不同溫度條件對層間抗沖刷性能的影響

為研究不同溫度條件對飽水狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的基-面層抗沖刷性能的影響，本節(jié)分別選取20 ℃、25 ℃、30 ℃三種溫度條件，取車輛軸重為100 kN，車輛行駛速度為30 m/s，計算點位置對應(yīng)的罰摩擦系數(shù)為0.605，對車輛荷載作用下計算點位置的豎向應(yīng)力和位移進行監(jiān)測，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，基層和面層計算點位置的豎向應(yīng)力時程曲線呈現(xiàn)波浪狀的變化，且均隨著溫度升高而增大。在車輛荷載作用時間內(nèi)，面層計算點位置的豎向應(yīng)力時程曲線逐漸由寬變窄，且應(yīng)力峰值出現(xiàn)的時間不斷提前，而基層計算點位置的豎向應(yīng)力時程曲線形基本一致，僅應(yīng)力峰值隨溫度升高而逐漸增大。分析其原因，主要由于面層是由瀝青混合料組成的，瀝青材料受溫度影響較大，而半剛性基層的力學(xué)性質(zhì)受溫度影響較小，高溫更易使得瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。不同溫度條件下面層的豎向位移變化基本一致，在車輛荷載作用下，隨著荷載的增大，豎向位移逐漸增大，當(dāng)車輛荷載達到峰值時，豎向位移也達到峰值，然后逐漸減??；當(dāng)車輛荷載消失后，受層間水膜慣性運動和動水壓力消散的影響，其豎向位移呈波浪狀逐漸減小。

6 結(jié)語

本文利用ABAQUS軟件建立飽水狀態(tài)下的瀝青路面結(jié)構(gòu)基-面層間的流固耦合數(shù)值模型并進行計算，討論了車輛軸重、車輛行駛速度和環(huán)境溫度對基-面層間抗沖刷性能的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）隨著車輛軸重、行駛速度和溫度的升高，基層和面層的豎向應(yīng)力和位移均增大，且基層和面層在動水沖刷作用下均不斷地承受交替出現(xiàn)的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，對基-面層間的抗沖刷性能產(chǎn)生明顯的劣化作用。

（2）相同條件下基層承受的豎向應(yīng)力總是大于面層，說明路面結(jié)構(gòu)在動水沖刷作用下，基層受到的損傷更大。

（3）面層是由瀝青混合料組成的，受溫度影響較大，而半剛性基層的力學(xué)性質(zhì)受溫度影響較小，高溫更易使瀝青面層的抗沖刷性能發(fā)生劣化。

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作者簡介：韋作坦（1988—工程師，主要從事公路工程施工管理工作。