長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)變化的力學(xué)響應(yīng)_圖文

1、長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)變化的力學(xué)響應(yīng)黃文雄1,2,譚利英2,3,胡國(guó)祥2(1.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖北武漢430074;2.長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023;3.荊州城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,湖北荊州434000摘要:在車輪荷載作用下,長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料模量變化時(shí),其力學(xué)響應(yīng)有很大不同。文中選取合理路面結(jié)構(gòu)與參數(shù)取值范圍,采用有針對(duì)性的網(wǎng)格劃分方法,建立了長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)三維有限元分析模型;并以典型長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)為對(duì)象,分析總結(jié)了結(jié)構(gòu)層材料模量變化時(shí)長(zhǎng)壽命瀝青路面力學(xué)響應(yīng)的變化趨勢(shì),為長(zhǎng)壽命瀝青路面的實(shí)踐、設(shè)計(jì)理論與設(shè)計(jì)方法的研究提供理論參考。關(guān)鍵詞:公

2、路;長(zhǎng)壽命瀝青路面;力學(xué)響應(yīng);結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析;力學(xué)性能;材料參數(shù)變化;三維有限元分析中圖分類號(hào):U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-2668(200901-0060-04長(zhǎng)壽命瀝青路面是國(guó)際道路工程界提出的一項(xiàng)新技術(shù),以其優(yōu)異的力學(xué)特點(diǎn)、良好的使用性能以及較長(zhǎng)的使用壽命而受到普遍關(guān)注,是瀝青路面界的研究熱點(diǎn),代表了高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計(jì)的新趨勢(shì)。本文主要研究路面結(jié)構(gòu)層材料模量變化對(duì)長(zhǎng)壽命瀝青路面力學(xué)性能的影響規(guī)律。1力學(xué)指標(biāo)的選取我國(guó)公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(J T G D50-2006采用瀝青層底拉應(yīng)力、路表彎沉、面層剪應(yīng)力作為新建公路瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)來控制路面的疲勞破壞,保證

3、路面的整體剛度,防止路面表面層出現(xiàn)局部剪切破壞。實(shí)際上,瀝青層的疲勞壽命主要受拉應(yīng)變而非拉應(yīng)力控制,以拉應(yīng)變替代拉應(yīng)力可以更好地反映瀝青層的疲勞特性;在保證路面整體剛度方面,除路表彎沉外,基頂壓應(yīng)變是各種力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中普遍采用的另一指標(biāo);輪壓作用將使路表面層出現(xiàn)局部應(yīng)力集中。文獻(xiàn)10的研究表明,表面層最大剪應(yīng)力對(duì)于瀝青路面表面層的車轍和位于輪跡帶上的早期縱向開裂等剪切損壞起關(guān)鍵作用。因此,本文采用路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)變、基頂壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力作為路面結(jié)構(gòu)分析的力學(xué)指標(biāo)。2三維有限元計(jì)算模型的建立公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范(J T G D50-2006采用雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性層

4、狀連續(xù)體系進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)11的研究表明,輪胎作用于路面的形狀更接近于矩形。因此,本文采用的有限元計(jì)算模型(見圖1有別于規(guī)范所采用的模型。荷載采用黃河J N-100標(biāo)準(zhǔn)車型,軸重100kN,輪壓0.7M Pa,荷載作用面簡(jiǎn)化為a×b=18.9cm×18.9cm的正方形,雙輪中心間距d=32cm 。圖1有限元模型示意圖路面模型結(jié)構(gòu)尺寸X、Y向取2.5m×2.5m,Z 向取路基深度6m。采用八結(jié)點(diǎn)等參元,邊界條件假設(shè)為:底面上沒有Z方向位移,左右兩側(cè)面沒有X方向位移,前后兩側(cè)面沒有Y方向位移,層間完全連續(xù)。鑒于以往有限元模型受加載面的限制,模型網(wǎng)格劃分往往采用自

5、由分網(wǎng),網(wǎng)格的劃分沒有針對(duì)性,不能得到所關(guān)心特征點(diǎn)的力學(xué)狀況,本文采用先建立并劃分模型路表網(wǎng)格,再拉伸(VDRA G命令形成路面有限元分析模型的方法建模(見圖2。模型網(wǎng)格劃分針對(duì)性強(qiáng),能直接得出關(guān)心特征點(diǎn)的力學(xué) 狀況,且模型單元尺寸大小分布合理,單元數(shù)量少,計(jì)算時(shí)間少,分析結(jié)果準(zhǔn)確。圖2有限元網(wǎng)格劃分示意圖3路面結(jié)構(gòu)層材料模量組合計(jì)算及結(jié)果分析3.1路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)選取典型長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了探索路面結(jié)構(gòu)層材料模量變化對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響,分別對(duì)路面結(jié)構(gòu)中SMA面層、AC中間層、HMA 基層及粒料基層的材料模量變化進(jìn)行組合分析;路面結(jié)構(gòu)層材料模量變化范圍的選取綜合考慮長(zhǎng)壽命瀝青路面的

6、結(jié)構(gòu)特性、實(shí)際工程中常用的合理材料模量范圍等因素。路面結(jié)構(gòu)與相應(yīng)參數(shù)見表1。表1路面結(jié)構(gòu)材料模量變化組合分析所用路面結(jié)構(gòu)及計(jì)算參數(shù)結(jié)構(gòu)層厚度/cm模量/MPa泊松比注:以AC中間層、HMA基層材料模量變化時(shí)保持粒料基層的材料模量為300MPa不變,粒料基層材料模量變化時(shí)保持AC中間層、HMA基層的材料模量分別為1200MPa、1000MPa不變進(jìn)行結(jié)構(gòu)層材料模量組合;結(jié)構(gòu)層材料模量變化步長(zhǎng),瀝青層為100MPa,粒料基層為50MPa3.2計(jì)算結(jié)果及分析將各參數(shù)輸入通用有限元程序進(jìn)行計(jì)算,對(duì)路表最大彎沉、瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力等結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分析。計(jì)算所得各項(xiàng)力

7、學(xué)指標(biāo)如表2、3所示,其相應(yīng)的變化趨勢(shì)如圖3、4所示。表2瀝青層材料模量變化時(shí)計(jì)算所得各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)及作用點(diǎn)瀝青層材料模量/MPa HMA基層AC中間層路表最大彎沉及作用點(diǎn)彎沉作用點(diǎn)輪隙中心點(diǎn)彎沉及作用點(diǎn)彎沉作用點(diǎn)瀝青層底最大彎拉應(yīng)變及作用點(diǎn)彎拉應(yīng)變/作用點(diǎn)路基頂面最大豎向應(yīng)變及作用點(diǎn)豎向應(yīng)變/作用點(diǎn)面層最大剪應(yīng)力及作用點(diǎn)剪應(yīng)力/kPa作用點(diǎn)8001000-70.73A-66.15O136.60O-255.61O210.02H(-4 10001000-70.16A-65.54O131.72O-251.66O208.37H(-4 12001000-69.72A-65.07O126.68O-248.

8、63O207.11H(-4 14001000-69.37A-64.69O121.87O-246.18O206.09H(-4 8001200-69.54A-65.36O132.76O-250.07O202.33H(-4 10001200-68.98A-64.76O128.36O-245.90O200.66H(-4 12001200-68.54A-64.29O123.67O-242.67O199.37H(-4 14001200-68.19A-63.91O119.11O-240.05O198.33H(-4 8001400-68.64A-64.76O129.27O-245.61O196.22H(-4

9、10001400-68.09A-64.17O125.32O-241.29O194.57H(-4 12001400-67.65A-63.71O120.95O-237.92O193.27H(-4 14001400-67.30A-63.33O116.62O-235.16O192.21H(-4 8001600-67.93A-64.28O126.08O-241.88O194.34H(-6 10001600-67.38A-63.70O122.53O-237.45O192.35H(-6 12001600-66.95A-63.24O118.45O-233.97O190.76H(-6 14001600-66.6

10、0A-62.87O114.35O-231.11O189.47H(-6注:作用點(diǎn)X表示作用點(diǎn)位于路面結(jié)構(gòu)表面X點(diǎn)正下方對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)面處,X(-h表示作用點(diǎn)位于X點(diǎn)正下方h(cm深度處,X點(diǎn)參見圖1,以下相同 表3粒料基層材料模量變化時(shí)計(jì)算所得各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)及作用點(diǎn)粒料基層材料模量/MPa路表最大彎沉及作用點(diǎn)彎沉作用點(diǎn)輪隙中心點(diǎn)彎沉及作用點(diǎn)彎沉作用點(diǎn)瀝青層底最大彎拉應(yīng)變及作用點(diǎn)彎拉應(yīng)變/作用點(diǎn)路基頂面最大豎向應(yīng)變及作用點(diǎn)豎向應(yīng)變/作用點(diǎn)面層最大剪應(yīng)力及作用點(diǎn)剪應(yīng)力/kPa作用點(diǎn)200-71.58A-67.48O158.72O-267.05O203.62H(-4 250-70.11A-65.95O142.

11、05O-255.98O202.01H(-4 300-68.98A-64.76O128.36O-245.90O200.66H(-4 350-68.07A-63.80O116.89O-236.92O199.52H(-4 400-67.32A-63.01O107.13O-228.96O198.53H(-4 圖3 瀝青層材料模量變化時(shí)各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì)圖4粒料基層材料模量變化時(shí)各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的變化趨勢(shì)對(duì)表2、3與圖3、4中曲線的變化、曲線斜率與凹凸性的變化、曲線間豎距大小及變化規(guī)律等進(jìn)行研究,可以得到如下結(jié)論:1隨著AC中間層材料模量的增加,路表最大彎沉、瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變、面層最大

12、剪應(yīng)力都呈減小趨勢(shì),但在路面結(jié)構(gòu)常用模量范圍內(nèi)變化時(shí)其影響(尤其是對(duì)路表最大彎沉的影響并不明顯;且隨著AC中間層材料模量的增加,各力學(xué)指標(biāo)減小的趨勢(shì)逐漸減緩,以面層最大剪應(yīng)力減小趨勢(shì)的減緩程度最為明顯。2隨著HMA基層材料模量的增加,路表最大彎沉、瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力都呈減小趨勢(shì),但在路面結(jié)構(gòu)常用模量范圍內(nèi)變化時(shí)其影響(尤其是對(duì)路表最大彎沉、面層最大剪應(yīng)力的影響并不明顯;同時(shí),隨著HMA基層材料模量的增加,路表最大彎沉、基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力減小的趨勢(shì)逐漸減緩,但瀝青層底最大拉應(yīng)變減小的趨勢(shì)逐漸增大。3隨著AC中間層材料模量的增加,HMA基層材料模量的增加

13、對(duì)基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力的影響逐漸顯著,對(duì)瀝青層底最大拉應(yīng)變的影響逐漸減弱,對(duì)路表彎沉的影響較為穩(wěn)定。4隨著HMA基層材料模量的增加,AC中間層材料模量的增加對(duì)瀝青層底最大拉應(yīng)變的影響逐漸顯著,對(duì)基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力的影響逐漸減弱,對(duì)路表最大彎沉的影響較為穩(wěn)定。5隨著粒料基層材料模量的增加,路表最大彎沉、瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變、面層最大剪應(yīng)力亦呈減小趨勢(shì);其中,瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變減小趨勢(shì)較為明顯,但對(duì)面層最大剪應(yīng)力的影響卻較弱。同時(shí),隨著粒料基層材料模量的增加,各力學(xué)指標(biāo)減小的趨勢(shì)逐漸減緩,且其減小趨勢(shì)的減緩程度相當(dāng)。6對(duì)HMA基層材料、AC中間層

14、材料和粒料基層材料模量變化對(duì)各力學(xué)指標(biāo)影響顯著性進(jìn)行比較,粒料基層材料模量的增加對(duì)路表最大彎沉、瀝青層底最大拉應(yīng)變、基頂最大壓應(yīng)變的影響較為顯著。7從力學(xué)參數(shù)對(duì)應(yīng)作用點(diǎn)位置的變化情況來看,路面各結(jié)構(gòu)層材料模量在常用模量范圍內(nèi)變化時(shí),對(duì)各力學(xué)指標(biāo)作用點(diǎn)位置沒有什么影響,但要注意AC中間層材料模量不要超過路面面層材料的模量,否則不僅對(duì)于各力學(xué)指標(biāo),特別是面層最大剪應(yīng)力的減小作用不大,還會(huì)造成面層最大剪應(yīng)力的作用點(diǎn)下移至面層與中間層聯(lián)結(jié)面這一結(jié)構(gòu)薄弱處,非常危險(xiǎn)。4結(jié)論1在各結(jié)構(gòu)層的材料模量中,以粒料基層材料模量變化對(duì)各力學(xué)指標(biāo)的影響最為顯著。2較高的AC中間層材料模量有利于基頂最大壓應(yīng)變、面層最大

15、剪應(yīng)力的減小;較高的HMA基層材料模量有利于瀝青層底最大拉應(yīng)變的減小。3AC中間層材料模量不要超過路面面層材料的模量。長(zhǎng)壽命路面具有相對(duì)較強(qiáng)的基層、一定強(qiáng)度的AC中間層與HMA基層,且AC中間層的材料模量不超過路面面層材料的模量時(shí),結(jié)構(gòu)較為經(jīng)濟(jì)。參考文獻(xiàn):1石寧,周福杰.長(zhǎng)壽命瀝青路面概述J.國(guó)外公路,2000(1.2劉黎萍,管紅梅.在重交通地段修建長(zhǎng)壽命、少養(yǎng)護(hù)的公路路面J.國(guó)外公路,2001(4.3Asphalt Pavement Alliance.Perpetual pavements a synthe2sisZ.Asphalt Pavement Alliance Order Number APA 1011/02,