車輛荷載作用下瀝青路面的動力響應研究

蘭家泉

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來,隨著我國交通工程的不斷推進,高速公路的總里程數迅速增加,其覆蓋范圍得到了巨大的改善。然而,高速公路建設中的問題也顯露出來,例如道路的使用壽命較短。因此,對工程質量提出了越來越高的要求。瀝青路面因其具有整體強度高、低振動、良好的穩定性等優點,得到了廣泛應用。但瀝青路面的劣化問題隨著高速公路里程的增加變得更加明顯,導致高速公路常常無法達到預期的使用壽命。瀝青路面的劣化原因通常被認為是長期的車輛荷載與日照、降雨等外部環境因素的共同作用導致的[1]。

本文基于離散元方法,利用PFC 3D軟件建立瀝青路面的三維數值模型,考慮車輛與路面之間的相互作用,施加車輛荷載,對車輛與道路之間的相互作用進行模擬,為高速公路瀝青路面的細觀力學響應特征和劣化機制的研究提供了借鑒。

1 離散元方法基本理論

目前常用的離散元軟件主要為PFC 2D/3D和UDEC/3DEC,其中PFC 2D/3D基于顆粒流離散元方法,其基本單元為圓盤形和球形,而UDEC/3DEC則基于塊體離散元方法,其基本單元為塊體,考慮到瀝青路面的基本組成及其相關性質,本文采用PFC 3D軟件進行相關建模和計算分析。

顆粒之間的接觸關系是直接決定計算結果的,因此正確選擇PFC的接觸本構模型是提高計算結果可信度的關鍵。PFC常用的接觸本構模型包括線性接觸模型、平行黏結接觸模型以及接觸黏結模型等。

相對于其他模擬分析方法,PFC程序在模擬巖土體材料的力學特性方面優勢突出:(1)具有潛在的高效率,因為圓形顆粒間的接觸相比于角狀物體間的接觸更簡單;(2)PFC可以模擬大變形,對位移的大小沒有限制;(3)由于顆粒之間是相互粘結的,不像一個整體,故在PFC中試樣可以發生破裂。同時,雖然PFC軟件的交互性較差,但軟件內置外接程序的FISH語言可以滿足很多用戶特定需求,從而大大提升軟件的靈活性,使其能更廣泛地解決各種各樣的復雜巖土工程問題。

2 瀝青路面模型的建立

2.1 細觀參數的標定

本文研究的瀝青路面從上至下共分為4層,其中第一層為瀝青混凝土層AC-13,厚度4 cm;第二層為瀝青混凝土層HMAC-20,厚度6 cm;第三層為瀝青穩定碎石層ATB-25,厚度8 cm;第四層為水泥穩定碎石基層,厚度18 cm。

室內力學試驗可直接獲得宏觀力學參數,包括抗壓強度、內摩擦角、粘聚力等。而PFC的數值試驗與之不同,是通過各種細觀參數來表達試樣的宏觀力學性質。通過前期進行的室內力學試驗,主要為單軸壓縮試驗,數據可作為標定PFC細觀參數參考的宏觀力學參數。

PFC 3D建模中涉及的細觀參數很多,主要包括:(1)表征試樣物理性質的參數,包括顆粒的粒徑范圍和級配、顆粒體系的堆積密度、空隙率等;(2)表征顆粒本身的力學性質的參數,包括顆粒有效模量、顆粒剛度比等;(3)表征相鄰顆粒接觸處粘結的力學參數,包括平行粘結模量、平行粘結剛度比等。這些參數共同作用,決定了數值試樣在試驗中的宏觀力學性質。一般情況下,無法通過室內巖石試驗得到的巖石宏觀力學參數確定PFC中所需的細觀參數,對于細觀參數的標定方法,通常為進行大量的數值試驗,通過試錯法不斷調整細觀參數,使試樣的宏觀力學特性不斷接近室內試驗得到的結果。路面各結構層的細觀參數擬合曲線如圖1所示。通過細觀參數標定得到的PFC細觀參數見表1和表2。

表1 面層細觀參數表

表2 基層細觀參數表

圖1 細觀參數擬合曲線圖

2.2 離散元路面模型的建立

根據路面的幾何尺寸和材料的級配,以及已標定的材料細觀力學參數,采用分層生成的方式建立瀝青路面模型,最終路面模型如圖2所示。

房屋是關系國計民生的重要財產，是不動產登記中業務量最大、情況最復雜的不動產類型。規范的劃分房屋定著物單元，使之成為獨立并可加以支配的特定的物，既是物權特定原則的內在要求，又是規范不動產登記和保障群眾合法權益的必要條件。

圖2 瀝青路面模型圖

2.3 荷載施加

瀝青路面的劣化原因通常被認為是車輛荷載與外界環境因素的共同作用導致的,其中車輛荷載是導致瀝青路面變形破壞的主要原因。本文分別施加靜載、振動荷載以及移動荷載,來模擬路面在車輛荷載長期作用下的力學響應特征。

3 靜態荷載作用下的路面響應

3.1 靜載作用下的路面響應

本文將荷載作用區域簡化為正方形,在靜載的作用下,得到了加載不同階段下道路的位移云圖如圖3所示。

(a)加載初期

由圖3可知,在靜載的作用下,顆粒位移在顆粒之間的相互作用下逐漸增大且向四周擴散,顆粒位移隨著顆粒與荷載作用面的距離增大而減小。

荷載作用面正下方的豎向正應力的時程曲線如圖4所示。

圖4 路面各結構層縱向正應力時程曲線圖

由圖4可知,應力值為負值時表示其處于受壓狀態,應力值為正值時表示其處于受拉狀態。其中路面模型的上面層和中面層受到壓力,且上面層的壓應力值最大,下面層和基層受到拉力,下面層的拉應力值最大。

3.2 振動荷載下的路面響應

對路基模型施加半正弦振動荷載。其中峰值為25 kN,作用時間為0.6 s,頻率10 Hz,如圖5所示。

圖5 半正弦振動荷載圖

監測荷載正下方的應力與位移,得到路面各結構層位移以及不同深度的應力,如圖6、圖7所示。

圖6 各結構層垂向位移時程曲線圖

圖7 不同深度垂向正應力時程曲線圖

路面垂向位移可以反映出路面各結構層的整體強度與剛度,是設計中的重要力學指標。由圖6可知,各個結構層位移分布趨勢基本一致,垂向位移隨著路面深度的增加而減小,其中上層面的垂向位移最大,基層的垂向位移最小。

由圖7可知,不同深度的垂向正應力分布趨勢與位移分布類似,也呈現半正弦分布,不同深度的垂向正應力均為壓應力,隨著路面深度的增加而減小,其中路表壓力最大,達到了0.72 MPa。

4 移動荷載作用下的路面響應

本文中施加的移動荷載假設車輛沿著直線勻速行駛,作用面為正方形(如圖8所示),以研究路面各結構層的響應。

圖8 移動加載模型圖

計算得到移動荷載作用下的路面各結構層的垂向位移時程曲線和垂向正應力時程曲線如圖9、圖10所示。

圖9 各結構層垂向位移時程曲線圖

圖10 不同深度垂向正應力時程曲線圖

由圖9可知,各個結構層位移分布趨勢基本一致,垂向位移隨著路面深度的增加而減小。隨著荷載向測點逐漸移動,各結構層的垂向位移增加,當荷載移動到測點正上方時,對應的垂向位移達到最大值。

由圖10可知,各個結構層的應力分布趨勢基本一致,瀝青路面的各個結構層均承受壓應力。但對于不同結構層,其對移動荷載的響應時間不同,即隨著深度的增加,垂向正應力逐漸減小,但應力響應時間逐漸延長。

5 結語

本文基于離散元方法,利用PFC 3D軟件建立瀝青路面的三維數值模型,考慮車輛與路面之間的相互作用,施加車輛荷載,對車輛與道路之間的相互作用進行模擬,主要結論如下:

(1)通過PFC 3D建立瀝青路面幾何模型,并通過單軸壓縮試驗結果進行細觀參數標定,可得到符合實際情況的瀝青路面離散元數值模型。

(2)瀝青路面在靜載作用下,顆粒位移在顆粒之間的相互作用下逐漸增大且向四周擴散,位移隨著顆粒與荷載作用面的距離增大而減小。路面模型的上面層和中面層受壓,且上面層的壓應力值最大,下面層和基層受拉,下面層的拉應力值最大。

(3)瀝青路面在振動荷載作用下,垂向位移隨著路面深度的增加而減小,其中上層面的垂向位移最大,基層的垂向位移最小。不同深度垂向正應力呈現半正弦分布,隨著路面深度的增加而減小。

(4)瀝青路面在移動荷載作用下,隨著荷載向測點移動,垂向位移逐漸增大,當移動荷載移動至測點正上方時,對應的垂向位移達到最大值。隨著深度的增加,垂向正應力逐漸減小,但應力響應時間逐漸延長。