非均布輪載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)三維有限元分析

摘要 現(xiàn)有瀝青路面設(shè)計規(guī)范按照垂直均勻分布輪載開展路面結(jié)構(gòu)分析，與公路交叉口路面荷載現(xiàn)狀不符。為進(jìn)一步深入探討重交通公路交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)在非均勻分布輪載作用下的力學(xué)響應(yīng)，該文采用Everstress FE三維有限元軟件建立重交通公路交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，并開展力學(xué)響應(yīng)分析，并與垂直均勻分布輪載進(jìn)行對比。分析結(jié)果表明：非均勻分布輪載相比均勻分布輪載下瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變將大幅度增加，高壓工況瀝青層層底彎拉應(yīng)變εxx增加34.3%、剪應(yīng)變γyz增加57.6%，低壓工況瀝青層層底彎拉應(yīng)變εxx增加16.4%、剪應(yīng)變γyz增加27.8%。在原路面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上在瀝青層層底增加一層橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層，優(yōu)化后的路面結(jié)構(gòu)在高壓工況、低壓工況下的瀝青層層底彎拉應(yīng)變和剪應(yīng)變相比原路面結(jié)構(gòu)均有所降低。

關(guān)鍵詞 瀝青路面；垂直非均勻分布輪載；三維有限元；力學(xué)響應(yīng)

中圖分類號 U416 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）23-0010-03

0 引言

我國現(xiàn)有《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）采用雙圓垂直均布輪載開展瀝青路面結(jié)構(gòu)的分析和計算。實際上，在公路交叉口處車輛荷載行駛速度較慢，輪載呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非均勻分布特征，且現(xiàn)有調(diào)查[1]結(jié)果顯示的公路交叉口處車轍病害較多，在車轍病害發(fā)生后將會加劇輪載的非均勻分布[2]。公路交叉口的瀝青路面結(jié)構(gòu)分析具有重要意義，目前已有學(xué)者開展了相關(guān)研究，得出一系列有參考價值的結(jié)論。例如，馬慧旭[3]對不同荷載形式、不同溫度場、不同路面材料下城市交叉口瀝青路面的車轍發(fā)展特征開展了數(shù)值模擬工作，推薦了相應(yīng)的設(shè)計方法和預(yù)防舉措。梁悅等[4]開展了重載交通下交叉口路段瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度分析和計算，認(rèn)為溫度的升高對瀝青路面結(jié)構(gòu)抗剪能力的弱化作用大于軸載的增加。上述研究結(jié)果表明交叉口瀝青路面與一般的瀝青路面有所區(qū)別，對其抗剪能力（即抵抗車轍變形的能力）有必要深入研究。基于此，文章依托實體工程，開展交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)的三維有限元分析，重點對垂直非均勻分布輪載作用下的剪應(yīng)力分布進(jìn)行研究。研究結(jié)果可為交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考，優(yōu)化瀝青路面設(shè)計，延長瀝青路面使用壽命，具有顯著的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

1 工程概況

該文依托某二級公路交叉口設(shè)計項目開展分析和計算，該項目主線為公路等級為二級公路，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度28 m，雙向四車道，路面為瀝青路面。交叉口左轉(zhuǎn)方向被交路浮東路公路等級為次干路，設(shè)計速度為40 km/h，路基寬度34 m，雙向四車道，路面為瀝青路面；右轉(zhuǎn)方向被交路為四級路，設(shè)計速度20 km/h，路基寬度12 m，雙向兩車道；直線方向為某高速環(huán)輔道，設(shè)計速度40 km/h，路基寬度28 m，交叉口路面結(jié)構(gòu)及計算參數(shù)見表1所示。

2 三維有限元模型

基于Everstress FE三維有限元軟件建立交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，該軟件采用1/4對稱結(jié)構(gòu)，即以路面中心點為中心，取對稱的1/4部分作為計算模型。該計算方法能夠節(jié)約計算時間，提高分析效率，為簡化計算，曾誠[5]將瀝青上面層和下面層合為一層，級配碎石底基層劃入路基部分，取模型尺寸為1 m×1 m×1.8 m（行車方向×寬度方向×深度方向），行車方向為X軸，路面寬度方向為Y軸，模型的右側(cè)和底側(cè)均為無限邊界。網(wǎng)格劃分情況為共劃分8 360個單位，37 583個節(jié)點，選擇三種工況，分別為均勻分布工況、高輪壓工況、低輪壓工況，選擇單軸雙輪荷載形式，單輪荷載大小均為25 kN，胎寬為225 mm，輪距為350 mm，荷載與路面的接觸形狀為矩形。

3 結(jié)果及討論

3.1 瀝青層層底彎拉應(yīng)變

瀝青層層底彎拉應(yīng)變計算結(jié)果見圖1所示，圖中正值代表拉應(yīng)變，負(fù)值代表壓應(yīng)變。

從圖1可知，相比均勻分布工況，高壓工況εxx極值增加34.3%，低壓工況εxx極值增加16.4%。同時還觀察到，均勻分布、高壓、低壓三種工況下的X方向瀝青層層底拉應(yīng)變分布均有所差異。具體而言，εxx的最大值均出現(xiàn)在輪載作用位置附近，但相比均勻分布工況，高壓工況在輪載作用附近的高拉應(yīng)變分布區(qū)域較窄，高值應(yīng)變分布更為集中；而低壓工況高拉應(yīng)變分布區(qū)域較寬。上述計算結(jié)果表明高壓工況更不利于瀝青路面的層底拉應(yīng)變，高壓輪載作用下將導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)變分布更為集中，破壞風(fēng)險更大。

3.2 剪應(yīng)變

瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變有三個分量，分別為γxy、γyz、γzx，為簡化分析，該文僅羅列γyz的剪應(yīng)變計算結(jié)果云圖，具體見圖2所示。從圖2可知，沿著路面深度方向，三種工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變γyz均出現(xiàn)極值，但主要影響深度均在200 mm以內(nèi)，表明荷載對瀝青路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)變的影響主要在瀝青層內(nèi)部。高壓工況的γyz極值比均勻分布工況高57.6%，低壓工況的γyz極值比均勻分布工況高27.8%。上述結(jié)果表明非均勻分布荷載作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)變將比均勻分布大幅度升高，因此在開展瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)考慮荷載非均勻分布的情況。與此同時，三種工況下剪應(yīng)變γyz的分布差異也較大，高壓工況下的剪應(yīng)變γyz分布明顯較為集中，因此更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，路面結(jié)構(gòu)受到集中荷載破壞的現(xiàn)象會更明顯。雖然低壓工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變γyz分布相較均勻分布工況更為分散，但低壓工況的剪應(yīng)變γyz極值高于均勻分布工況，這意味著低壓工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)將在更大范圍內(nèi)產(chǎn)生高剪切應(yīng)變。綜合而言，無論是高壓工況還是低壓工況，均不利于瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗剪能力。

3.3 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

前文通過分析得出高壓和低壓均不利于瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗彎拉能力和抗剪切能力的結(jié)論，因此有必要對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。基于此，在瀝青層層底增加一層1.5 cm橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層，對優(yōu)化后的瀝青路面結(jié)構(gòu)開展計算和分析，并與原路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，具體結(jié)果見表2所示。從表2可知，優(yōu)化后的瀝青路面結(jié)構(gòu)無論是瀝青層層底拉應(yīng)變εxx極值還是剪應(yīng)變γyz極值均有所降低，高壓工況εxx和γyz分別降低8.2%、4.2%，低壓工況εxx和γyz分別降低5.9%、3.7%。

5 結(jié)語

針對交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)輪載呈現(xiàn)強(qiáng)烈非均勻分布特征，該文采用Everstress FE三維有限元軟件，建立交叉口瀝青路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，開展均勻分布輪載、高壓輪載、低壓輪載下的瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析，并優(yōu)化原瀝青路面結(jié)構(gòu)，得出以下主要結(jié)論：

（1）輪載的非均勻分布特征對瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)有較大的影響，高壓工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底彎拉應(yīng)變εxx分布更為集中，低壓工況分布較為分散，但均不利于瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗彎拉能力。

（2）高壓、低壓工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)變γyz極值相比均勻分布工況均有所增加，增加幅度分別為57.6%、27.8%，輪載的非均勻分布特征不利于瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗剪能力。

（3）優(yōu)化方案為在瀝青層層底增加一層1.5 cm橡膠瀝青混合料應(yīng)力吸收層厚，優(yōu)化后的瀝青路面結(jié)構(gòu)相比原路面結(jié)構(gòu)在瀝青層層底彎拉應(yīng)變εxx和剪應(yīng)變γyz極值均有所降低。

參考文獻(xiàn)

[1]崔同飛，陳濤，孫璋.干線公路交叉口路段車轍成因及對策研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)， 2021（3）：7-13.

[2]劉陽.交叉口區(qū)域瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D].長沙：長沙理工大學(xué)， 2014.

[3]馬慧旭.城市道路交叉口瀝青路面荷載特征分析與車轍防治研究[D].南京：東南大學(xué)， 2015.

[4]梁悅，章毅，阮鹿鳴.重載交通下交叉口路段瀝青路面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度研究[J].交通科技， 2018（4）：10-13.

[5]曾誠.非均布垂直輪載作用下柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為研究[D].成都：西南交通大學(xué)， 2015.