基于ANSYS的廣西高速公路瀝青路面車(chē)轍病害原因分析

韋明 余芳

摘要：本文利用ANSYS有限元軟件，以路表彎沉、基層層底彎拉應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變及層間剪應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算在軸載、車(chē)道坡度及使用階段上面層模量的衰減對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，對(duì)比分析高溫、常溫條件下軸載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，旨在分析依托工程瀝青路面車(chē)轍病害的產(chǎn)生機(jī)理，以供參考。

關(guān)鍵詞：瀝青路面；車(chē)轍；有限元

DOI：10.12433/zgkjtz.20240741

基金項(xiàng)目：廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目

項(xiàng)目名稱(chēng)：廣西高速公路瀝青路面車(chē)轍病害分析與對(duì)策研究

項(xiàng)目編號(hào)：2020KY34016

隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展，車(chē)轍病害已成為影響正常運(yùn)行和安全的主要問(wèn)題。因此，研究車(chē)轍病害的成因?qū)ζ渚C合治理具有重要意義。

朱喬發(fā)現(xiàn)Creep模型可以有效模擬瀝青混合料的車(chē)轍特征，在表征全厚式瀝青路面車(chē)轍上也具有效性。駱妍利用ABAQUS軟件模擬路面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)溫度、超載、重載對(duì)瀝青路面車(chē)轍變形的影響較大。馮偉、劉朝暉等采用有限元軟件分析結(jié)果與實(shí)測(cè)車(chē)轍值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩值表現(xiàn)出了相同規(guī)律且具有較高的一致性。

本文依托工程地處廣西壯族自治區(qū)，氣候濕熱、降水充沛，重載車(chē)輛較多，車(chē)轍病害分布廣泛，故擬利用ANSYS有限元軟件，分析車(chē)轍病害原因，為提高高速公路瀝青路面工程質(zhì)量和服務(wù)水平提供理論依據(jù)。

一、有限元模型的建立

（一）路面結(jié)構(gòu)及計(jì)算參數(shù)

對(duì)依托工程的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，由于路面在實(shí)際使用階段面層模量的衰減，擬選取上面層模量為1800MPa、1400MPa、1000MPa、600MPa、300MPa分別進(jìn)行分析，路面結(jié)構(gòu)為：瀝青上面層4cm+中面層6cm+下面層6cm及等效基層50cm。

（二）荷載形式

選用155.6mm×227.4mm作為輪胎的接地尺寸。分析不同荷載作用情況下各路面結(jié)構(gòu)層的受力情況時(shí)，不計(jì)輪胎接地形狀的不均勻性（即不考慮輪胎接地面積的折減系數(shù)）。

考察坡度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響時(shí)，分別取水平力系數(shù)為0.1、0.2、0.3、0.4。

（三）計(jì)算模型

基于彈性層狀體系理論，利用三維有限元計(jì)算軟件ANSYS建立路面結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸選為6m×6m×6m，采用20個(gè)節(jié)點(diǎn)的Solid185單元，模型底部完全固結(jié)，左右兩側(cè)限制x方向的位移，前后兩側(cè)限制z方向的位移，層間接觸視為完全連續(xù)。

二、力學(xué)計(jì)算與分析

（一）路表彎沉分析

以路表彎沉為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析軸載、坡度和上層材料模量衰減等因素，得出車(chē)轍成因。路表彎沉分布如圖1所示。

由圖1可知，軸載的增加會(huì)影響路表彎沉值，上面層模量的衰減對(duì)路表彎沉的影響不是很顯著。而通過(guò)對(duì)依托工程路面芯樣檢測(cè)結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，上面層厚度和壓實(shí)度均偏低，由此可知，在施工鋪筑時(shí)未充分壓實(shí)，開(kāi)放通車(chē)后重載車(chē)輛會(huì)進(jìn)一步壓實(shí)輪跡帶下的面層，形成壓密性車(chē)轍。

（二）基層層底彎拉應(yīng)力分析

以基層層底彎拉應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析軸載、坡度及上面層模量衰減對(duì)瀝青路面病害的影響。基層層底彎拉應(yīng)力如圖2所示。

由圖2可知，軸載的增大會(huì)顯著影響路基底部的彎拉應(yīng)力，而上部彈性模量的衰減以及斜坡的增大會(huì)影響基層底部的彎拉應(yīng)力。當(dāng)汽車(chē)過(guò)載時(shí)，瀝青路面豎向變形很大，各層底部的彎拉應(yīng)力也會(huì)隨之增加，但層底抗拉應(yīng)力很低。在重載車(chē)輛的反復(fù)荷載下，由于其彎拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致路面的彎拉疲勞破壞。

（三）地基頂面的壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系分析

以路基頂面最大應(yīng)力應(yīng)變作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析軸載、坡度和上層材料模量衰減等因素對(duì)瀝青路面長(zhǎng)期變形的影響，得出車(chē)轍成因。土基頂面壓應(yīng)變分布如圖3所示。

隨著軸載的增加，土基頂面壓應(yīng)變呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)依托工程車(chē)轍調(diào)查發(fā)現(xiàn)，行車(chē)道車(chē)轍嚴(yán)重度遠(yuǎn)超超車(chē)道。這是由于累計(jì)混合交通量主要分布在行車(chē)道上，導(dǎo)致重載對(duì)行車(chē)道瀝青路面的作用次數(shù)更多。而土基頂面壓應(yīng)變隨坡度的增加而呈下降趨勢(shì)，隨上面層模量衰減而呈上升趨勢(shì)。因此，如果路基強(qiáng)度不足，路面結(jié)構(gòu)在重載車(chē)輛作用下極易產(chǎn)生整體永久變形，造成結(jié)構(gòu)性車(chē)轍。

（四）剪應(yīng)力分析

以剪應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析軸載、坡度及上面層模量衰減對(duì)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層之間的影響，得出車(chē)轍成因。層間剪應(yīng)力的變化如圖4、圖5、圖6所示。

軸載、上面層模量和坡度的變化會(huì)影響層間剪應(yīng)力，但影響的層位不同。軸載增加對(duì)下面層底面的剪應(yīng)力影響較大，上面層模量的衰減和坡度的增加對(duì)上面層底面的剪應(yīng)力影響較大。因此，在瀝青面層中，內(nèi)部材料可能在剪應(yīng)力的作用下橫向流動(dòng)，在兩側(cè)隆起，產(chǎn)生失穩(wěn)型車(chē)轍。

（五）高溫狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

1.高溫狀態(tài)下模量的確定

依托工程實(shí)測(cè)路表最高溫度為60℃，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)4cm（上面層底部）、10cm（中面層底部）、16cm（下面層底部）處的最高溫度分別約為55.5℃、49.9℃、44.2℃。

根據(jù)《瀝青路面強(qiáng)度變化規(guī)律及養(yǎng)護(hù)》中對(duì)模量與溫度的關(guān)系公式，計(jì)算不同溫度下瀝青面層模量，暫不考慮坡度及上面層模量衰減情況。

2.計(jì)算結(jié)果分析

高溫和常溫下的路表彎沉和土基頂面壓應(yīng)變隨著軸載的增加而呈線性增加趨勢(shì)，且高溫條件下增加速率略大，高溫下指標(biāo)計(jì)算值大于常溫條件，說(shuō)明在高溫條件下，面層模量的降低將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，如圖7、圖8所示。

同時(shí)，通過(guò)對(duì)溫度和層間剪應(yīng)力變化關(guān)系的分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，層間剪應(yīng)力會(huì)隨著減小，瀝青混合料的模量隨之降低，剪應(yīng)變會(huì)大幅增加，導(dǎo)致顯著剪切變形。

根據(jù)調(diào)查，持續(xù)高溫天氣往往是車(chē)轍容易產(chǎn)生的階段，因此，必須重視面層的高溫抗車(chē)轍性能。

三、結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析不同的軸載作用下重載對(duì)瀝青路面路表彎沉、基層層底彎拉應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變以及層間剪應(yīng)力的影響，得出重載作用下路面易產(chǎn)生車(chē)轍的原因。

通過(guò)分析依托工程路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，得出上下坡路段易產(chǎn)生剪切流動(dòng)型車(chē)轍的原因以及路面結(jié)構(gòu)形式對(duì)車(chē)轍病害的影響。

根據(jù)以上研究，得出如下結(jié)論：路面車(chē)轍病害主要與重載交通、車(chē)道坡度及材料參數(shù)的變化有關(guān)。

第一，路表彎沉、土基頂面壓應(yīng)變、層間剪應(yīng)力以及基層層底彎拉應(yīng)力隨著軸載的增大呈現(xiàn)線性增大的變化趨勢(shì)，重載交通是產(chǎn)生病害的一大主要原因。

第二，上、下坡道路段路面內(nèi)最大剪應(yīng)力較大，且一般出現(xiàn)在面層內(nèi)，距離路表深度約為3cm，這是產(chǎn)生流動(dòng)型車(chē)轍的主要原因。

第三，依托工程下面層厚度增加了2cm，但表面彎沉減小了2.5%，基層層底由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，瀝青路面結(jié)構(gòu)組合狀況對(duì)路面結(jié)構(gòu)的整體性能具有重要影響。

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通訊作者：韋明，碩士，廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)職教師，副教授，工程師。

作者簡(jiǎn)介：余芳，碩士，廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院專(zhuān)職教師，副教授，工程師。