3-D numerical analysis of influence of layer modulus on structural responses of asphalt pavements
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摘要: 目前关于路面结构层模量对路面结构力学响应影响的研究一般是利用弹性层状理论进行分析。从三维数值分析的角度, 分别从路表弯沉、面层和基层内的压应力及拉应力等方面说明了结构层模量及基层条件对路面结构力学响应的影响。分析认为路面各结构层模量的提高能减小路面表面弯沉, 较高的基层模量会增大面层内的压应力, 较高的底基层模量能减小基层底面的拉应力。有关分析结果对路面结构的设计和施工具有参考价值Abstract: At present, influence of layer modulus on structural responses of asphalt pavements is analyzed using general Burmister theory. However, pavement responses under axle loading is three dimensional (3D) in nature. Using 3-D numerical simulation, this paper reports the impact of pavement structural module on pavement surface deflection, compressive stress and tensile stress at the bottom of surface and base respectively. The results indicate that the higher layer modulus are, the lower surface deflectiones, the higher base's module can result in great vertical compressive stress at asphalt layer, and the higher subgrade's module can result in lower tensile stress at the bottom of base. The analysis results have great value to design and construction of asphalt pavements.
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Key words:
- pavement mechanics /
- module /
- 3-D numerical analysis /
- surface deflection /
- stress
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近十几年来中国的高速公路建设得到了飞速发展, 高速公路路面结构由最初的柔性路面基层发展到了目前大量使用的半刚性路面基层。相应的路面设计规范也由《公路柔性路面设计规范》(JTJ 014-1986)修改成为现在使用的《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-1997)[1], 然而对已建成通车的高速公路来看, 即使路面结构与路面材料严格按照规范进行设计, 路面仍然会出现一些早期破坏[2], 如面层出现推移、拥包。为此, 道路研究者对沥青混合料的设计方法及基于路面性能的沥青路面材料进行了大量的研究, 提出了各种性能的沥青混合料设计方法。然而在路面结构的施工过程与使用过程中, 路面结构材料的力学参数会受到外界因素的影响, 如施工质量、材料组成、环境温度、湿度等都会造成路面结构材料模量的改变。怎样来模拟路面材料模量变化对路面力学响应的影响是值得进行深入研究和分析。目前关于路面结构层模量对路面结构力学响应影响的研究一般是利用弹性层状理论进行分析[3-4]。文献[5]结合加速载荷设备(ALF)应用ABAQUS有限元程序分析了路面结构的3-D动态响应, 并用蠕变模型预测了路面车辙。文献[6]从现场搜集的数据和实验数据分析了路面结构层的工程特性及TDC的产生机理, 并用CHEVRONX、MICHPAVE和ABAQUS计算机程序分析了路面结构的力学响应。Sam Helwany(1998)[7]应用DACSAR和NIKE3D分别分析了不同轮压、轴载和车速作用下柔性路面的二维和三维力学响应。Raj V. Siddharthan(1998)[8]应用连续有限层法分析了动态轮载、接地压力和车速作用下路面结构的三维应变响应。文献[9]在前人研究的基础上编制了考虑材料非线性的沥青路面结构专用三维力学分析程序NAAPS(Non-linear Analysis for Asphalt Pavement Structure), 该程序可以考虑非均布荷载分析不同轮胎接地压力。文献[10]对路面损坏状况进行了调查分析并用NAAPS程序进行了力学分析。M.D.Reid(1998)[11]应用ANSYS分析了桥面沥青插接(APJ)的几何形状对内部应力分布的影响。前述文献主要分析了不同轴载、不均匀接地压力以及动态荷载对路面结构力学响应的影响。本文则应用ANSYS对路面结构进行三维数值仿真计算, 研究路面结构层模量变化对路面结构力学响应的影响。
1. 计算模型及方案
路面结构计算采用的是成都绕城高速公路设计断面(图 1), 路面各结构层为[12]: 上面层为细粒式密级配沥青混凝土, 厚为h1=4 cm, 回弹模量E1=1500 MPa; 中面层为中粒式密级配沥青混凝土, h2=5 cm, E2=1 200 MPa; 下面层为粗粒式密级配沥青混凝土, h3=6 cm, E3=1200 MPa; 基层为二灰稳定碎石, h4=20 cm, E4=1500 MPa; 底基层为二灰土, h5=30 cm, E5=800 MPa; 土基厚度取为h0=145 cm, E0=40 MPa; 计算中以上述模量为标准, 改变基层、面层、底基层和土基的模量来分析, 以模拟结构层材料变化、施工质量、结构组合以及环境变化对路面结构力学响应的影响。具体分析方案见表 1。
表 1 计算分析方案Table 1. Analysis scenarios结构层 各计算方案结构层模量/MPa 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 上面层 1500 1500 1500 1000 2500 1500 1500 1500 中面层 1200 1200 1200 800 1800 1200 1200 1200 下面层 1200 1200 1200 800 1800 1200 1200 1200 基层 1500 500 2500 1500 1500 1500 500 500 底基层 800 800 800 800 800 200 200 200 土基 40 40 40 40 40 40 40 80 计算图式采用《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-1997)推荐的双圆均布荷载, 作用半径为10.65 cm, 荷载圆中心间距为31.95 cm, 荷载压力为0.707 MPa。路面结构力学响应的计算采用ANSYS软件进行三维线弹性计算, 图 2为分析模型一半的有限元网格划分。
2. 结构层模对路面结构力学响应的影响分析
2.1 路表弯沉分析
表 2为各路面结构层模量变化时路面结构在双圆标准轴载作用下轮隙中心(A点)的竖向位移值。图 3为各结构层模量变化时路表弯沉的变化情况(限于篇幅和关键响应的对称性, 相关响应只给半幅, 下同), 图 4为路面结构层竖向位移(A点正下方)沿路面深度的变化情况。
表 2 各计算方案下的路表弯沉Table 2. Surface deflection of pavement structures计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 路表弯沉(A)/0.01 mm -24.36 -29.89 -22.88 -25.83 -23.12 -31.28 -38.72 -29.79 
图 3 不同方案下沿路面横向分布的路表竖向位移Figure 3. Vertical displacements along pavement cross section in different scenarios
图 4 轮隙中心下沿路面深度分布的竖向位移Figure 4. Vertical displacements along pavement depth at center of dual tires从中可以看出, 基层模量从500 MPa增大到1500 MPa时路表弯沉从29.89减小为24.36, 减小了5.53;而基层模量从1500 MPa增大到2500 MPa时路表弯沉从24.36减小为22.88, 只减小了1.48。可见基层模量增大到一定值后对路表弯沉的影响不明显。对方案1#、4#和5#可以看出, 在模量较高的半刚性路基上, 沥青路面面层模量的变化对路表弯沉的影响不大。从方案1#和方案6#可见, 底基层模量由800 MPa减小到200 MPa时, 路表弯沉增大了6.92。由方案2#和7#比较, 在基层模量较低时(500 MPa), 底基层模量由800 MPa减小到200 MPa时, 路表弯沉增大了8.83。可见, 底基层模量对路表弯沉的影响很大。比较方案7#和8#, 在基层和底基层的模量都较低的情况下, 土基模量从40 MPa增大到80 MPa时, 路表弯沉就减小了8.93。从图 3和图 4中可看出土基模量的提高可有效减小路面结构的整体竖向位移。可见提高土基力学性能对减小路面的整体弯沉很有工程意义。
2.2 路面结构层内竖向压应力分析
从表 3中可以看出, 基层模量从500 MPa增大到1500 MPa时, 中面层底面压应力从0.397 MPa增大到0.454 MPa, 增大了0.057 MPa, 增幅较大; 而基层模量从1500 MPa增大到2500 MPa时, 中面层底面压应力从0.454 MPa增大到0.473 MPa, 只增大了0.019 MPa。面层内压应力的增大会使沥青混凝土产生压密变形, 会导致车辙。面层底面(B点)压应力的增长规律也一样。而基层底面(C点)和土基表面(D点)受到的压应力却随着基层模量的增加而减小。可见基层模量对路面结构层内压应力有较大影响, 但影响随着模量的增大而减弱。对方案1#、4#和5#的结果分析发现, 路面各结构层压应力随着面层模量的增大而减小, 表现出面层刚度大对荷载的扩散能力强。由6#、7#、8#和其它情况比较, 底基层模量的增大也可减小面层底面压应力而增加基层内的压应力, 但总体影响不大。而土基对压应力几乎没有影响。图 5是面层和基层内压应力的分布情况。从分析可知, 当基层模量较低时, 适当提高基层模量对改善路面结构层内的应力有一定的作用。
表 3 各计算方案下路面结构层内压应力Table 3. Compressive stress of pavement structure in different scenarios /MPa计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 中面层底压应力 -0.454 -0.397 -0.473 -0.468 -0.423 -0.438 -0.384 -0.385 面层底压应力(B) -0.303 -0.260 -0.318 -0.368 -0.327 -0.339 -0.294 -0.295 基层底压应力(C) -0.082 -0.086 -0.079 -0.104 -0.087 -0.072 -0.074 -0.079 土基表面压应力(D) -0.014 -0.016 -0.013 -0.018 -0.015 -0.017 -0.020 -0.026 2.3 路面结构层内水平拉应力分析
表 4列出了不同计算方案下路面结构层中下面层底面(B点)和基层底面(C点)水平拉应力的最大值。图 6、图 7分别为面层底面和基层底面水平拉应力沿路面横向分布的情况。
表 4 各计算方案下路面结构层内拉应力Table 4. Tensile stress of pavement structure in different scenarios /MPa计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 下面层底拉应力(B) -0.050 0.018 -0.080 -0.088 -0.030 -0.069 0.067 0.069 基层底拉应力(C) 0.024 -0.005 0.044 0.028 0.037 0.141 0.052 0.046 
图 5 不同方案下路面结构层内竖向压应力Figure 5. Vertical compressive stress of surface lay in different scenarios从计算结果来看, 随着基层模量的增大, 下面层底的水平应力由受拉状态转化到受压状态, 改善了面层底面的受力; 而基层底的水平应力却从受压转化到受拉状态, 对基层底面的受力不利。面层模量的适当提高对路面结构层受力有利。对比1#和6#可见, 底基层模量的变化对路面基层应力的影响明显。当底基层模量由200 MPa增大到800 MPa时, 基层底面的拉应力由0.141 MPa减小到0.024 MPa。对于7#和8#两种情况下, 由于基层和底基层的模量较低, 路面面层和基层底面都出现了拉应力。土基模量对路面结构层内水平拉应力的影响不明显。
2.4 路面结构层内纵向拉应力分析
计算中发现, 对于方案6#和方案7#, 路面结构层内纵向拉应力较水平拉应力大。对方案6#, 底基层模量为200 MPa, 基层模量为1500 MPa时, 计算出的水平拉应力为0.14 MPa, 纵向拉应力为0.19 MPa。对方案7#, 底基层模量为200 MPa, 基层模量为500 MPa时, 计算出的水平拉应力为0.07 MPa, 纵向拉应力为0.125 MPa。图 8、图 9分别为路面结构在计算方案6#和7#情况下纵向拉应力等色线图(视图方位是图 2所示方位的局部放大图, 图中黑线为路面结构层分界线)。可以看出, 在底基层模量为200 MPa, 基层模量由1500 MPa减小为500 MPa时, 纵向最大拉应力区由基层底面向面层底转移, 且整个基层内都出现拉应力, 底基层底面也出现拉应力, 但拉应力值较小。最大拉应力值由0.19 MPa减小为0.125 MPa。由此可见基层和底基层的模量对路面结构层内拉应力的影响不容忽视。
3. 结语
通过对几组结构层模量不同的路面结构进行三维数值计算分析可以看出:
(1) 沥青混凝土面层弹性模量对路表弯沉影响不大, 面层模量增大可减小面层和基层内的压应力。
(2) 基层模量的增大可以减小路表弯沉, 可以有效减小面层底面的拉应力, 增大面层和基层内的压应力。但过大的基层模量会导致面层内过大的压应力, 面层内压应力的增大会使沥青混凝土产生压密变形, 会导致车辙, 同时会使基层底面出现拉应力。
(3) 底基层模量对路面弯沉的影响较大, 底基层模量的增大会有效减小路表弯沉和基层底面拉应力。在底基层模量较低的情况下, 基层模量的增大会增加基层底面的拉应力, 且纵向拉应力会比水平拉应力大。
(4) 土基对路面弯沉的影响很明显, 土基模量的增大能有效减小路面结构的整体弯沉。所以在工程实践中应注重路基尤其是软弱地基的处理, 提高路基的力学性能。
(5) 在路表弯沉满足设计弯沉需要时, 适当增大基层的刚度(如提高模量或增加厚度)比提高路基模量更能有效控制路面结构响应。
(6) 由文中对路面结构的关键响应分析可见, 绕城路路面结构层材料的模量比较合适(1#方案), 因为当相应结构层的模量低于1#方案, 计算出的关键响应偏于不利; 而相应模量高于1#方案的, 计算出的关键响应与方案1#差别不大, 也不太经济。
半刚性路面与柔性路面的比较分析说明, 路面面层内部的应力分布随着基层模量的变化而显著调整。目前, 在沥青混凝土的质量和造价已得到合理控制, 积极开展柔性路面(柔性底基层+柔性基层+沥青混凝土面层)结构的应用研究及工程实践, 对于提高路面的长期使用性能, 丰富中国沥青路面的理论和实践具有重要意义。
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图 3 不同方案下沿路面横向分布的路表竖向位移
Figure 3. Vertical displacements along pavement cross section in different scenarios
图 4 轮隙中心下沿路面深度分布的竖向位移
Figure 4. Vertical displacements along pavement depth at center of dual tires
图 5 不同方案下路面结构层内竖向压应力
Figure 5. Vertical compressive stress of surface lay in different scenarios
表 1 计算分析方案
Table 1. Analysis scenarios
结构层 各计算方案结构层模量/MPa 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 上面层 1500 1500 1500 1000 2500 1500 1500 1500 中面层 1200 1200 1200 800 1800 1200 1200 1200 下面层 1200 1200 1200 800 1800 1200 1200 1200 基层 1500 500 2500 1500 1500 1500 500 500 底基层 800 800 800 800 800 200 200 200 土基 40 40 40 40 40 40 40 80 
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表 2 各计算方案下的路表弯沉
Table 2. Surface deflection of pavement structures
计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 路表弯沉(A)/0.01 mm -24.36 -29.89 -22.88 -25.83 -23.12 -31.28 -38.72 -29.79
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表 3 各计算方案下路面结构层内压应力
Table 3. Compressive stress of pavement structure in different scenarios /MPa
计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 中面层底压应力 -0.454 -0.397 -0.473 -0.468 -0.423 -0.438 -0.384 -0.385 面层底压应力(B) -0.303 -0.260 -0.318 -0.368 -0.327 -0.339 -0.294 -0.295 基层底压应力(C) -0.082 -0.086 -0.079 -0.104 -0.087 -0.072 -0.074 -0.079 土基表面压应力(D) -0.014 -0.016 -0.013 -0.018 -0.015 -0.017 -0.020 -0.026
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表 4 各计算方案下路面结构层内拉应力
Table 4. Tensile stress of pavement structure in different scenarios /MPa
计算方案 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 8# 下面层底拉应力(B) -0.050 0.018 -0.080 -0.088 -0.030 -0.069 0.067 0.069 基层底拉应力(C) 0.024 -0.005 0.044 0.028 0.037 0.141 0.052 0.046
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[1] JTJ014-1997, 公路沥青路面设计规范[S]. [2] 沙庆林. 高速公路沥青路面早期破坏现象及防治[M]. 北京: 人民交通出版社, 2001. [3] 杨群, 黄晓明. 基层模量对路面性能的影响分析[J]. 东南大学学报(自然科学版), 2001, 36(4)81-83. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DNDX200104018.htmYANG Qun, HUANG Xiaoming. Influence of road base's module on pavement performance[J]. Journal of Southeast University(Natural Science Edition), 2001, 36(4): 81-83. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DNDX200104018.htm [4] 凌建明, 邬洪波, 徐飞龙. 二灰碎石分层特性对沥青路面结构性能的影响[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2002, 30(3): 292-295. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200203010.htmLING Jian-ming, WU Hong-bo, XU Fei-long. Responses of asphalt pavement to layer-built characteristics of lime-flyash concrete as base course[J]. Journal of Tongji University (Natural Science Edition), 2002, 30 (3): 292-295. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200203010.htm [5] Baoshan Huang, Louay N Mohammad, Masood Rasoulian. 3-D numerical simulation of asphalt pavement at Louisiana accelerated loading facility(ALF)[A]. In 80th Annual Meeting (CD-ROM)[C]. TRB, National Research Council, Washington, D.C., 2001. [6] Tunwin Svasdisant, Michael Schorsch, Gilbert Y Baladi. Mechanistic analysis of top-down cracks in asphalt pavements[A]. In 81st Annual Meeting (CD-ROM)[C]. TRB, National Research Council, Washington, D.C., 2002. [7] Sam Helwany, John Dyer, Joe Leidy. Finite element analysis of flexible pavements[J]. J. Transp. Engrg., ASCE, 1998, 124 (5): 491-499. doi: 10.1061/(ASCE)0733-947X(1998)124:5(491) [8] Raj V Siddharthan, Jian Yao, Peter E Sebaaly. Pavement strain from moving dynamic 3D load distribution[J]. J. Transp. Engrg., ASCE, 1998, 124(6): 557-565. doi: 10.1061/(ASCE)0733-947X(1998)124:6(557) [9] 陆辉. 轮载作用下沥青路面结构三维非线性有限元分析方法的研究[D]. 上海: 同济大学, 2001. [10] 孙立军, 张宏超, 刘黎萍, 等. 沥青路面初期损坪特点和机理分析[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2002, 30(4): 416-421. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200204006.htmSUN Li-jun ZHANG Hong-chao, LIU Li-ping, et al. Characteristics and mechanism of initial failures on asphalt pavementdesign method for heavy-duty road (part 1)[J]. Journal of Tongji University (Natural Science Edition), 2002, 30 (4): 416-421. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TJDZ200204006.htm [11] Reid M D, Imbabi M S, Coutellier D. Effects of joint geometry on response of asphaltic plug joints[J]. J. Transp. Engrg., ASCE, 1998, 124(4): 311-318. [12] 四川省交通厅公路规划勘测设计研究院. 成都绕城高速公路西段设计报告[R]. 成都: 四川省交通厅公路规划勘测设计研究院, 1998. -
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