高模量沥青混凝土路面力学数值模拟.pdf

2 5 8 科技研究 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 1 年 6 月第 6 期 高模量沥青混凝土路面力学数值模拟 邱 自萍 ， 郑木 莲 2 , 3 ( 1 广东省公路勘察规划设计院股份有限公司， 广东广州5 1 0 5 0 7 ； 2 特 殊地区公路工程教育部重点实验室， 陕西西安 7 1 0 0 6 4 ； 3 长安大学公路学院， 陕西西安 7 1 0 0 6 4 ) 摘要 ： 高模量沥青混凝土( H M A C ) 作为一种新型路面材料 ， 具有模量高、 抗车辙性能好 、 对低温开裂及温度疲劳开裂敏感性 不强等优点 ， 对于提高路面抗车辙能力非常有效。该文利用通用有限元软件 A N S Y S ， 对设置高模量沥青混凝土层 的半刚性基 层沥青路面的荷载响应进行数值模拟分析 ， 结果表明高模量沥青混凝土可显著抑制车辙的产生 ， 并推荐出高模量沥青混凝土 层 的模 量和 厚度 的合理 范 围 。 关键词 ： 高模量沥青混凝土； 车辙 ； 剪应力； 数值模拟 中图分 类号 ： U 4 1 6 2 1 7 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 2 5 8 0 3 0前言 随着公路 交通量增加和重 载车辆增多 ，沥青 路面车辙损害现象越来越 突出 ，严重影响路面行 车 的安全性 和舒适性 ，防治 车辙问题 已成为迫切 需 要 解 决 的 问题 。 近 年 来 高 模 量 沥 青 混 凝 土 ( H M A C ) 的出现 ， 为解决车辙损坏提供了一个新的 方案 。 H MA C作为一种新型路面材料 ， 具有模量高 、 抗车辙性能好 、 对低温开裂及温度疲 劳开裂敏感 性 不强等优点，对于提高路面抗车辙能力非常有效。 本文通过力学数值模拟 的手段 ， 利用大型有 限元软 件 A N S Y S 建立合理的计算模型，对高模量沥青混 凝土路面结构进行分析， 研究高模量沥青混凝土路 面结构的应力、 应变分布规律 ， 分析了应用高模量 沥青混凝土对路面力学性能的改善作用， 并推荐出 高模量沥青混凝土层 的模量和厚度的合理范围。 1 计算模型与考察指标的确定 本文利用 A N S Y S有限元计算程序 ， 采用 8 节 点各向同向实体单元 S O L I D 4 5 ，建立空间三维模 型进行路面结构的力学响应计算 ，建立的模型见 图 1和图 2所示 。 由于车辙产生 的主要原 因为结构剪应力 和压 密 变形 ，所 以本 文 中选取 剪应 力 ( 变 ) 、压应力 ( 变 ) 作为考察指标 。 2 高模量沥青路面结构受力有限元分析 2 1 高模 量层位的确定 根据有关研究I2 j ， 从路面结构力学性能及降低 工程造价两方面综合考虑 ，将高模量层位设置在 路面 的中面层 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 3 0 4 作 者简介 ： 邱 自萍 ( 1 9 8 1 一) ， 女 ， 山东 人 ， 硕 士 ， 从事 道 路 工 程 设 计及 科研 工作 。 图 1 几何 模型 透视 图 图 2网格 划分 透视 图 2 2 沥青 中面层模 量的影响 本文分析高模量沥青混凝土模量的提高对路面 抗车辙能力的影响。故只考虑 中面层模量的变化对 各项指标的影响， 上、 下面层仍然采用普通沥青混合 料。 取标准轴载 B Z Z 一 1 0 0 ， 采用表 1 所列的主要计算 参数计算路面结构的受力状态，分析沥青中面层模 量对沥青路面应力、 应变的影响。计算中， 固定沥青 中面层厚度取值为5 c m， 计算结果如表 2 所列。 由表 2可以看出：模量的变化会使得剪应力 和压应力略有增大，但同时会使得应变产生大幅 度的降低 ， 其中剪应变减小尤为明显。应变随中面 层模量变化的趋势， 开始阶段减小较快， 随后变化幅 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 6 月第 6 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 2 5 9 表 1 计算参数表 度趋于缓和。当模量从 1 2 0 0 MP a 增加到 2 4 0 0 MP a 时 ， 剪应变减 小 了 4 0 1 3 。模量从 1 2 0 0 MP a增 加到 2 0 0 0 M P a时， 模量每增加 4 0 0 M P a ， 剪应变 减小 的幅度从 1 9 4 4 减 小到 1 5 1 9 ，模量继 续 增 加 到 2 4 0 0 MP a ，剪 应 变 减 小 的 幅度 减 小 至 1 2 3 7 。模量再继续增大到 3 6 0 0 M P a ，每增加 4 0 0 M P a ，剪应变减小幅度均小于 1 0 。可以看 出，中面层模量存在一个较佳的取值范 围而不是 一 味增大。 适当增大中面层模量对减小永久变形十 分有效， 但再继续增加 ， 对于减小永久变形的效果 便不再明显 ， 而且从经济角度也不适用。根据计算 结果分析， 高模量取值范围在 2 0 0 0 M P a 一 2 4 0 0 M P a 之间时， 能够有效减小结构层的剪切变形 ， 降低沥 青路面的车辙损坏。 2 3 高模量层厚度的影响 高模量层厚度变化将影响路面内的应力应变 情况 ，下面分析高模量沥青混凝土的厚度对荷载 应力的影响。为了分析其影响规律 ，取标准轴载 B Z Z 一 1 0 0 ， 中面层模量取值 2 0 0 0 M P a ， 其他材料 参数不变 ， 采用表 l 中取值进行计算。 计算结果如 图 36所示 。 从 图 3 6可以得 出： ( 1 ) 随着高模量层厚度的增加 ， 沥青路面内剪 应力最大值逐渐减小， 而且最大值的位置上移。 当 中面层厚度小于 7 e m时，剪应力峰值位于中面 层 ， 随着 中面层厚度 的继续增大 ， 剪应力最大值所 在位置 由中面层 开始上移至上中面层交界处 。 ( 2 ) 剪应变的变化趋势基本上随高模量层厚度 的增 大而逐 渐减小 。 上面层 内的剪应 变变化微小 ， 随高模量层厚度的变化 ，剪应变沿上面层分布图 基本重合。中面层剪应变随中面层厚度的增大而 逐 渐减 小 ，当中面层 厚 度从 2 c m增 大 至 1 2 e m 时 ， 剪 应 变从 2 1 7 7 4 t z e减 小 至 1 6 5 3 1 8， 减 小 了 2 4 0 8 。 下面层的剪应变随着 高模量 层厚度 的 增加而逐渐减小 ， 且减小 的幅度逐渐减缓 ， 当厚度 从 2 c m增大到 8 c m时， 剪应变最大值在下面层 ， 其值从 3 3 0 1 3 减小到 2 3 9 4 3 ， 当厚度继续 增大时， 下面层剪应变仍然继续减小 ， 并开始小于 上面层 的剪应变 ， 即剪应变最大值转至上面层 。 随 着高模量层厚度的继续增大 ， 中、 下面层剪应变继 续减小 ，而路面结构内的最大剪应变即上面层的 剪应变基本不变 。 ( 3 ) 随着高模量厚度的增大 ， 路面结构内的压 应力基本上没有变化 ， 但是 中、 下面层 的压应变减 小很快 ， 尤其在开始阶段减小得更为明显， 继续增 大后， 减小速度变缓。中面层厚度从 2 e m增大到 1 2 e m， 下面层压应变减小 了 5 4 2 6 ， 但是压应变 最大值在上面层且并 无 明显变化。 由此可见 ，高模量层厚度增加能减小路面结 构 内剪 应力 。对上 面层的剪应 变和压应变几乎没 有影响， 但可以很大程度地减小中、 下面层的剪应 变和压应 变。 而且 剪应 力 、 剪应变和压应变随高模 量层厚度的增大减小的趋势逐渐变缓。当高模量 层厚度增 大到一定程度后 ，整个路 面结构 内的最 大剪应 变转 至上 面层 ，且 随着 中面层 厚度的继续 增大 ， 路 面结 构 内的最 大剪应 变基本不 变 。所 以 高模量层厚 的增加有利于提高路面抵抗永久变 形的能力 ，但若一味地单纯增大中面层厚度 ， 并 不能一直有效地减小整个路面结构的剪应变和 压应变， 同时由于高模量层造价相对较高， 过厚的 高模量层也必将导致工程不经济。 综合上述分析， 考虑工程经济性要求 ， 高模量层厚度取为 5 8 c n q 比较合理。 2 4 轴载对不同中面层模量下剪应 力和剪应变 的 影响 重载交通更容 易使半 刚性基层沥青路面产生 较大的剪切变形 和压缩变形 ，路 面产生流动性车 辙 和压密型车辙 的机率大大增加 。 以下分析轴载对 不同中面层模量下剪应力和剪应变的影响。 采用单 轴双轮轴载进行力学分析，以标准轴载 1 0 0 k N 为 表 2中面层模量对沥青路面应力应变的影响一览表 中面层模量 M P a 1 2 0 0 1 4 0 0 1 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 0 0 2 4 0 0 2 6 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0 3 2 0 0 3 4 0 0 3 6 0 0 剪畦_， 3 a 剪应变 We 压应力 k P a 压应变 W e 1 4 4 7 8 3 0 1 6 3 8 3 0 2 1 3 8 1 8 8 1 48 1 9 2 68 53 8 3 1 6 9 3 2 98 8 1 6 4 Ol 1 6l - 8 7 8 3 7 3 4 1 6 5 7 1 5 4 2 3 8 37 8 4 1 6 38 9 1 6 7 3 1 4 7 4 8 8 3 8 3 l 1 5 4 9 I 6 8 8 3 l 41 4 6 8 3 8 7 4 1 4 6 9 8 1 7 03 l 3 6 o 6 8 3 9 1 4 1 3 9 9 6 4 7 9 8 2 5 7 O 2 0 6 6 6 7 3 8 1 l 8 1 5 O 9 9 3 6 l 9 O 0 6 9 6 8 3 9 1 l o 0 l 3 8 2 7 3 2 5 4 8 2 5 6 5 9 3 l 1 l 8 2 6 9 6 7 l O 7 2 弘 l 2 8 2 8 8 9 l 7 6 8 5 3 2 3 O 5 2 3 6 l 2 8 2 5 O 9 5 1 0 8 8 l 3 2 0 5 4 3 9 l 2 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 6 0 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 1 年 6 月第 6 期 、 J 1_嘲囊h 0 0 0 0 1 0 0 2 O 03 0 04 0 0 5 0 路面深 度， m 图 3不 同中面层 厚 度下 剪应力 沿路 面深 度变 3 5 0 3 o o 2 5 0 轰2 0 0 l 5 o 1 0 0 5 0 0 酱 】 ， 阉 鞫 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 04 0 0 5 0 0 6 0 路面深度， m 图 4不 同中面 层厚 度下 剪应 变沿 路面 深度变 化 图 II I p- - _ l l r 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 路面深度， m 图 5 不 同 中面层 厚度 下压 应 力沿路 面深 度变化 图 - 5 0 一I o0 一l 5 O 一2 o 0 呈一 2 5 0 一3 0 o 出一 3 5 0 4 o o -45 0 5 0 0 5 5 0 一 、 ， 【 f、 厂 f 1 I l I I l 0 0 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 路面深度， m 图 6不同 中面层 厚度 下压 应变 沿路 面深 度变 化图 底限， 按 2 0 k N逐级递增 ， 轴载 2 6 0 k N为最高值 ， 计算路面结构在各级车辆荷载作用下 的受力状 况。计算参数取中面层的厚度为 5 o n ,1 ， 其他参数 参 照表 l取值 。计算 结果如图 78所示 。 45 0 4 o o 3 5 0 - R 3 o o 2 5 0 2 0 0 1 5 O 1 O O i 一 _、 P t二 ： = = = 二 _* ? ? - _ _一一一一 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 模 M P a 图 7 不同轴载在不同中面层模量下剪应力图 S ： = 三 毫 l I I I I 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 模量, M P a 图 8不同轴 载在 不 同中面 层模量 下剪 应变 图 从 图 7可 以看 出 ，路 面结 构 内的剪应力 随着 轴载的增大而增大。任一轴载下路面结构内的最 大剪应力均随着 中面层模量的增加而增加 ，但随 着 中面层模量 的不断增加 ，剪应力增大 的幅度逐 渐变缓 。 从 图 8可 以得 到 ，路面结构 内的剪 应变均随 轴载的增大而增大 。任一轴载下路面结 构内的剪 应变 ， 随着中面层模量的增加均减小 ， 并 且减小 的 幅度 随中面层模量的增大而逐渐变缓 。轴载越 大 ， 中面层模量 的增加对剪应变的削弱作用就越 明显 。 可见 ， 增大 中面层模量 ， 可 以有效 地减小重载 作用 时路 面结构 内部的剪应变 ，当模 量增大 到一 定值后 ， 再继续增大 ， 减小的作用逐渐减弱 。 3 结 论 本 文通过三维有 限元 方法分析 了静载作用 下 高模量沥青混凝土路面结构的力学响应，分析了 剪应力 、 压应 力 、 剪应 变 、 压应变 等各 因素 的影 响 规律 。主要得 出以下结论 ： ( 1 ) 中面层模量的增加使得应力略有增大， 但 应变会产生大幅度降低，其中对剪应变的减小尤 为 明显 。 剪应变 随着 中面层模量变化 的趋势 ， 开始 阶段减小较快 ， 随后变化幅度趋于缓和， 所以中面 层模量存在一个较佳的取值范 围而不是一味增 瑚唧 枷 姗瑚 加 鲫 加 O 钕 O 4 矗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 6月第 6 期 城 市道桥 与防洪 成果应用 2 6 1 预应力土层锚杆加固在海河护岸治理工程中的应用 胡汝兰 ， 艾连永 z ( 1 天 津市 市政 工程设 计研 究 院 ， 天 津 市 3 0 0 0 5 1 ； 2 天 津市 安居工 程办 公室 ， 天 津市 3 0 0 0 5 0) 摘要 ： 预应 力 土层锚 杆加 固在海 河护 岸治 理 工程 中的成功 应 用 ， 总结 了 实施 土层锚 杆 技术 过程 中的设 计 ， 施工 和试 验 的三 大环节 ， 提出了在不同的环节中特别要注意的事项。说明使用预应力土层锚杆技术为海河护岸治理工程带来的社会 、 经济 和 环境效益。有关经验可为同类工程设计和施工提供参考。 关 键词 ： 土层 锚杆 ； 护 岸 ； 预应 力 中图分 类号 ： T V8 6 文 献标 识码 ： B文 章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 2 6 1 0 3 1 概述 2土层锚杆设计 天津海河干流治理工程是天津市的一项重点 工程。实施海河护岸的修建工程必然会对原有的 建筑景观有所破坏 ，如果采用传统 的立式板 桩明 开槽的工程设计和施工工艺 ，将增加海河岸边 的 拆迁工程量。 许多生长了几十年的树木将被破坏， 大量的地下电缆， 给水排水管道 ， 煤气热力管道将 要迁移。 昔 日的海河公园会荡然无存， 因此造成的 社会 影响环境影响是无法弥补的。 针对该工程的特殊地理位置和环境因素 ， 采 用预应力土层锚杆作为永久性措施应用于海河护 岸景观构造 ， 将对工程的安全 、 工期、 投资产生积 极影响， 社会 、 经济和环境效益显著。 海河护岸治理工程地处饱和软土地层中， 为预 应力土层锚杆技术 的设计实施提出了新的课题。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 3 2 2 作者简介： 胡汝兰( 1 9 6 0 一 ) ， 女， 天津人 ， 高级工程师， 从事给 排水 结 构设计 工作 。 目前 常见 的土层锚杆有 3种基本类型 ： ( 1 ) 圆柱型锚杆 ， 最简便 、 最常用 的锚杆类型。 ( 2 ) 扩大圆柱体式锚杆。 ( 3 ) 端部或局扩孔式锚杆。 实 施 时要 根据 具 体 工程 特 点 如锚 杆 的抗 拔 力 ， 现场 的土层地质情况 ， 工程 的规模 ， 可供使 用 的机 械设 备 ，锚 杆 的孔径 及 长度 等来 确定 哪 种形式 。 海河护岸治理 工程采用 了主桩加挡土板 的结 构形式。 土层锚杆锁定在主桩上做为持力构造 ， 因 为该工程是永久结构， 根据 土层锚杆设计与施工 规范 规定锚杆最小安全系数取 2 。 2 ， 锚杆与土体 间的粘结 强度 取 4 0 k P a 。 由海河西岸 的地质报告 可以得知地面 以下约 1 6 m内大部分是砖头、 白灰 、 炉灰等 ， 在临近岸 边的局部有旧护岸工程回填的灰土 ， 这些局部灰 土 已经 历 了几 十 年 ， 非 常坚 硬 ， 向下 约 3 - 4 m 厚 大。 综合分析高模量取值范围在 2 0 0 0 2 4 0 0 M P a 之间时 ， 能够有效地减小结构层的剪切变形 ， 降低 沥青路面的车辙损坏， 尤其对于重载情况， 效果更 为明显 。模量超过这一范围时 ， 再继续增加 ， 对 于 减 小永久变形的效果便不再 明显 ，而且从经济 角 度 也不适合 。 ( 2 ) 增大高模量层的厚度能起到减小路面结构 内剪应力的功效 ，对上面层 的剪应变和压应变几 乎没有影响， 但可以很大程度地减小中、 下面层的 剪应 变和压应变 。当中面层厚度增 大到一定程度 后 ， 整个路面结构内的最大剪应变转至上面层 ， 且 随着中面层厚度的继续增大 ，路面结构内的最大 剪应变基本不变。综合考虑中面层厚度取值为 5 8 e n l 较 为合理 。 ( 3 ) 增大中面层模量 ， 可以有效地减小重载作 用时路面结构内部的剪应变， 减小路面的永久变形。 综合以上结果，高模量沥青混凝土的路面结 构 ， 在力学指标上具有 明显的优势 。 为防止夏 季高 温天气面层模量逐渐降低，荷载产生的巨大剪应 变使沥青混合料发生剪切流变破坏 ，增大高模量 层的模量是提高结构抗剪性能的有效措施 ，高模 量沥青混凝土模量大约在 2 0 0 0 2 4 0 0 M P a ， 厚度 为 5 8 c m时效果最优 。 参考 文献 【 1 1 郑传超 ， 王秉纲 道路结构力学计算【 M 北京 ： 人 民交通出版 社 ， 2 0 0 4 【 2 邱 自萍 高模 量沥青混凝土路面抗车辙行为数值模拟【 D 西 安 ： 长 安大 学 ， 2 0 0 9 【 3 】 张登 良， 李俊 高等级道路沥青路面车辙研 究【 J 】 中国公路学 报 ， 1 9 9 5 ， ( 0 8 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m