重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

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重载作用下沥青路面的应力场分析

结合公式３４算不同轮载下轮胎接地压力和接地面积。、计其计算结果见表１表１轴重与轮胎接地压力、胎接地面积关系轮
轴重（Ｎ）ｋ４０６０
２２７
８０
３２１
１００
３２５
１２Ｅ＋３．００
１０Ｅ３．０＋０８０Ｅ２．０＋０
（）ｍ
０００．４
０００．５０００．６
式中：一轮胎接地面积（ｍＡｃ）：ｐ每一个轮胎的荷载（）一Ｎ。
￣０￣０７和９为保证率达到９％的离差范围０在此公式的基础上．定轮载Ｐ匀分布在相当该接触面假均积Ａ的圆面积上，圆半径为ｒ求得接地压力：，
降最大值发生在轮胎与路面接触面的中心附近。并向两侧逐
半径（ｍ）ｃ
１６１３１．８１．３１．５１７１．８３２３７４１４６５０５４５８０９０９Ｏ９０９３．５７．８１１０１
１Ｏ２
３２９
１０４
４２３
１０６
４２７
１０８
５２１
接地面积ｆｍ１２２ｃ３
ｌ
一
＼
｝２予一＼—／
半径（ｍ）ｃ
８５９
９３．Ｏ５．５２０２
５２９
９９．７０６．４２０４

动、静荷载下不同沥青路面结构力学响应分析

动、静荷载下不同沥青路面结构力学响应分析作者：何基雷罗资清傅松来源：《西部交通科技》2024年第03期作者简介：何基雷（1988—），工程师，主要从事道路工程、路面养护方面的研究工作。

为探究动、静荷载下沥青路面结构的应力响应，获取不同影响因素对路面的实际作用效果，文章利用ABAQUS软件构建了沥青路面结构应力响应模型，分析荷载形式、车辆轴载、行驶速度等因素对力学响应的影响。

研究表明：路面结构的应力应变与车辆轴载存在着一定的线性关系；相较于静荷载，动荷载在相同轴载下所产生的应力应变值较低，且存在最佳行驶速度使荷载对路面产生的力学响应最小。

由此证明，在道路使用时，控制车辆的行驶速度及车辆超载可减缓路面纵向位移及路表弯沉的产生，延长道路的使用寿命。

沥青路面结构；移动荷载；力学响应；使用寿命；应力应变U416.217A1906850引言随着我国机动车保有量及道路交通量的逐年上升，道路重载及超载现象的持续增长，使得已建道路在使用过程中暴露出使用寿命不足［1-2］，裂缝、坑槽、松散、剥落、车辙等病害出现频率较高的现象。

道路养护时运营成本增加，而且还影响了交通事业的发展［3］。

因此，为更好地了解路面结构在不同因素下的力学响应，需探究不同影响因素对路面的力学响应。

国内外专家学者针对沥青路面的应力响应从多方面展开了研究。

Assogba、Hu、李江等［4-6］通过建立三维有限元模型，研究了车辆速度、车辆超载对沥青路面的影响，证明较低车速会引起结构受载时间增加，扩大了载荷的冲击效应。

严战友、Ogoubi等［7-12］通过建立车辆模型和有限元道路模型，证明路面结构的动态应变应力峰值受分析点位、行車速度、沥青层厚度、车轴荷载、制动工况和道路粗糙度等因素的影响。

Liu［13］通过提出了一种将全尺度加速路面试验（accelerated pavement test，APT）、室内试验和有限元（finite element，FE）模拟相结合的方法，分析了车轮范围、温度及轴重对于沥青路面的动态响应。

非均布动荷载作用下沥青路面粘-线弹性有限元分析pdf

第34卷　第1期2010年2月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal of Wuhan U niversity of Technology(Transportation Science &Engineering )Vol.34　No.1Feb.2010非均布动荷载作用下沥青路面粘/线弹性有限元分析3 收稿日期:2009210229 高梦起(19802):男,硕士,主要研究领域为道路工程、城市交通 3国家自然科学基金项目(项目批准号:50708020),江苏省自然科学基金项目(批准号:B K2007566),东南大学优秀青年教师资助计划项目资助高梦起1,2)　何　杰1)　王鹏英3)　陈一锴1)(东南大学交通学院1)　南京　210096)　(河南省交通科学技术研究院有限公司2)　郑州　450006)(郑州市公路勘察设计院3)　郑州　450006)摘要:为探求非均布动荷载作用下粘/线弹性沥青路面模型之间的动态响应差别,结合我国当前半刚性基层路面特点,采用层状体系理论,建立ANSYS 32D 有限元模型,施加非均布动荷载,进行非线性求解计算,并对路面结构模型各层的动态力学响应进行比较分析和研究.关键词:半刚性基层路面;非均布动荷载;线弹性;粘弹性;有限元分析中图法分类号:U416.217DOI :10.3963/j.issn.100622823.2010.01.010 我国传统路面设计方法采用静力学弹性层状体系理论,不考虑车辆、路面结构和材料的动力特性.然而,在车轮与路面的相互作用中,路面结构承受的是动荷载作用.试验研究结果显示[1],轮胎作用于路面的形状更接近于矩形,作用面内的垂直力呈明显的非均匀分布特性.为探求非均布动荷载下粘/线弹性沥青路面模型之间的动态响应差别,利用ANS YS 有限元软件建立半刚性基层沥青路面结构模型,考虑矩形印迹及竖向动态力的作用,分别对线弹性和粘弹性沥青路面结构模型施加非均布动荷载,进行非线性求解计算,并对两种路面模型下的力学响应进行分析和比较.1　路面有限元瞬态动力学方程本文依据瞬态动力学进行动态分析,瞬态动力学求解的运动方程[2]如下.M ・¨u +C ・ u +K ・u =F (t )(1)式中:M 为路面系统总质量矩阵;C 为路面系统阻尼矩阵;K 为路面系统刚度矩阵;u 为路面离散节点位移向量;F (t )为车辆荷载矩阵.2　半刚性基层路面三维有限元分析模型2.1　路面结构模型在三维有限元分析中,将路面结构简化为4层:沥青面层、基层、底基层和土基,各层根据实际设计采用不同的材料属性.路面模型的参数见表1.表1　路面模型参数层层厚/m弹性模量/MPa泊松比密度/(kg ・m -3)阻尼率/%沥青面层0.1812000.3526130.05半刚性基层0.2011000.3520830.05半刚性底基层0.20　4000.4019320.05土基 1.00500.4019260.05 本文在计算中取路面模型的长、宽和高分别为6,4,1.58m.根据ANS YS 软件提供单元的材料属性,在线弹性分析中采用ANS YS 中的8节点solid45单元类型;在粘弹性分析中,采用AN 2S YS 中的8节点solid185单元类型.划分网格时,考虑到计算机效率和计算精度,在所研究路面车辆行驶区域内网格划分较密,而将其他区域网格粗化.单元数目为25714个,有限元模型如图1所示,X 正方向为行车方向.C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n图1　路面结构有限元模型2.2　边界条件及非均布动荷载为了便于有限元分析,对层状的路面体系作如下基本假定[3].(1)各层皆由均质、各向同性的线弹性/粘弹性材料组成,应力2应变呈线/粘弹性关系;(2)土基在水平方向和深度方向均为无限,其上各层厚度均为有限,水平方向仍为无限;(3)上层作用载荷,下层无限深处及水平无限远处应力和应变均为零;(4)各层之间的接触面为层间完全连续,其上位移完全连续.车辆行使在路面的中央时,路面两端较远处基本上没有响应,如同固定约束,因此本文中路面两端的边界条件采用固定约束.南非学者M ・Beer [4]对一些型号的轮胎作用于对路面的压力分布进行量测发现,轮胎在一定负荷范围内,其中部(约占整个轮胎宽度的60%)的接地压力是基本保持不变的,而增加的荷载被作用在轮胎的两侧,如图2所示.按测量结果回归出来的接地压力分布公式为P 1=-0.53F 2+57.46F -534.05P 0=0.86P +175(2)式中:F 为轮胎负载,kN ,且其适用范围为20～50kN ;P 为轮胎胎压,k Pa.且其适用范围为420～720kPa ;P 0和P 1分别为轮胎荷载接地印迹内的中心区压力和边缘区压力.图2　轮胎荷载接地印迹及压力分布图在有限元计算分析时采用CA1150P1K2L ZA80解放8t 载货车型,单轮负荷25.4kN ,轮胎接地印迹取为矩形,计算采用双轮辙作用,每个轮胎接地矩形面积为0.21m ×0.16m.根据80km/h 的车速计算,采用阶跃式载荷进行加载.求解时采用ANS YS 软件提供的Full 法,并用瞬态求解器进行动力方程的求解,分析点取取动荷载第40步时(路中央)路面最大受力位置处的垂直各层关键点.3　粘/线弹性计算结果比较及分析限于篇幅,这里仅选用了路面结构模型各层的垂直位移、垂直应力和水平剪应力等计算结果,进行比较和分析.3.1　路面各层动态响应的垂直位移比较图3为路面动态响应垂直位移时间历程曲线,由图形可知线弹性和粘弹性路面各层在垂直位移上非常接近,粘弹性路面略小于线弹性路面,沥青表面层顶部(曲线1)的位移最大,达到0.093mm ,其他各层垂直位移随着路面深的增加而减小,土基层中部(曲线10)的位移为0.038mm.图3　路面各层垂直位移时间历程曲线12沥青表面层顶部;22沥青表面层底部;32沥青中面层底部;42沥青底面层底部与半刚性基层结合处;52半刚性基层中部;62半刚性基层底部与底基层结合处;72半刚性底基层中部;82半刚性底基层底部与土基结合处;92土基上部;102土基中部(图4、5中编号与图3同)・04・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2010年　第34卷C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n3.2　路面各层动态响应的垂直应力比较路面各层动态响应的垂直应力时间历程曲线见图4所示,垂直应力随着深度的增加而减小.沥青层表面层(0～6cm )范围内的压应力最大,6cm 以下压应力减小得较快,到土基层后,压应力表现为一很小的值(曲线9,10).线弹性路面沥青层垂直应力较粘弹性路面大,沥青表面层顶部约是后者的1.3倍,中面层底部和下面层底部分别约是后者的1.1倍;粘弹性路面在基层与底基层结合处(曲线5)、底基层与土基结合处(曲线6)拉应力较线弹性路面大,约是后者的1.1倍,在其他各层垂直应力则均小于线弹性路面.随着荷载的逐渐消失,弹性路面应力的消散速度明显比粘弹性路面快.图4　路面各层垂直应力时间历程曲线3.3　路面各层动态响应的水平剪应力比较路面动态响应的水平剪切应力时间历程曲线见图5所示,轮载作用之前路面各层所受的水平剪切应力的作用方向与车轮行驶的方向相同,表现为正;轮载作用之后,水平剪切应力的作用方向变为与车轮行驶方向相反,表现为负.其中,在沥青层中,剪切应力随深度的变化较大,在0～6cm 时,剪切应力相对同层较小,6～15cm 之间剪切应力增长很快,在沥青底面层下部达到最大值.在沥青层上面层,粘弹性路面的水平剪应力比线弹性路面大,约是后者的1.05倍;在其他各层,粘弹性路面水平剪应力均小于线弹性路面.图5　路面各层水平剪应力时间历程曲线3.4　沥青面层应力实测验证研究证明,常温下沥青路面材料呈粘弹性质[5].根据对通车不久的上海A5嘉金高速5标段沥青路面层压力测试值[6],试验车型轮胎压力下的应力数据并分别与两种路面模型下的计算结果对比,发现实测数值在总体上更接近粘弹性路面模型计算结果,见表2.说明,粘弹性路面模型较线弹性路面模型更接近实际,更能反映路面在动荷载下的受力状态.表2　沥青层垂直应力实测值与仿真计算值对比表Pa测试位置测试点K1K2K3K4K5平均值线弹性解粘弹性解沥青表面层底部-65135-64536-62872-63276-64782-64120-70721-63768沥青中面层底部-44150-43178-41921-42563-43234-43009-47300-43674沥青底面层底部-32058-31213-31795-30394-30848-31261-32870-31415・14・　第1期高梦起,等:非均布动荷载作用下沥青路面粘/线弹性有限元分析3C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n4　结论1)考虑荷载的动态性和轮胎接地压力的非均布性,分别对线弹性和粘弹性三维有限元半刚性沥青路面结构模型施加了相同的动荷载,并比较分析了这两种路面模型的力学响应.2)两种路面结构模型具有一致的力学响应规律,时间历程曲线形式基本一致,但线弹性路面模型在路面主要部位的应力均大于粘弹性路面模型,且随着荷载的消失,路面各层应力的变化速度明显快于粘弹性路面模型.3)线弹性路面模型在力学响应分析中会使计算结果偏大,并存在一定的失真,而粘弹性路面模型相对更符合实际.参考文献[1]酒井秀男,管建民.关于橡胶及轮胎接触压力分布的测定和图像处理研究[J ].橡胶业,1995,42(11):6822692.[2]尚晓江.结构有限元高级分析方法与范例应用[M ].北京:中国水利水电出版社,2005.[3]朱照宏,王秉刚,郭大智.路面力学计算[M ].北京:人民交通出版社,1985.[4]de Beer M ,Fisher C ,Jooste F.Determination ofpneumatic tire.Pavement interface contact stresses under moving loads and some effects on pavements with thin asphalt surfacing layers[C].The 8th inter 2national Conference on Asphalt Pavement.Wash 2ington :1997:1792226.[5]张久鹏,黄晓明,赵永利.沥青路面车辙处沥青迁移规律及其粘弹性力学机理[J ].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2008,32(4):5962599.[6]上海市公路工程质检中心.上海A5嘉金高速公路5标段沥青层压力检测报告[R ].上海:上海市公路工程质检中心,2007.Finite Element Analysis of Visco 2elastic and LinearElastic Road Models Under Non 2uniform Distributed Dynamic LoadG ao Mengqi 1,2)　H e Jie 1)　W ang Pengying 3)　Chen Yikai 1)(College of T rans port ation Engi neeri n g ,S out heast U ni versit y ,N anj i ng 210096,Chi na )1)(Henan T rans portation Research I nstit ute ,Zhen gz hou 450006,Chi na )2)(Zhengz hou Hi g hw ay I nvesti gation and Desi gn I nstit ute ,Zhengz hou 450006,Chi na )3)Abstract :To st udy t he difference of dynamic response between t he linear elastic and visco 2elastic road model ,a 32D FEA model of semi 2rigid base asp halt pavement road was established on t he layered t he 2ory wit h ANS YS software ,and non 2uniform dist ributed dynamic load was loaded on t he two kinds of road models.By nonlinear calculating ,t he dynamic response in t he different layers of two kinds of road models were analyzed and st udied.K ey w ords :semi 2rigid base asp halt road ;non 2uniform distributed dynamic load ;linear elastic ;visco 2e 2lastic ;finite element analysis (FEA )・24・武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2010年　第34卷C A M E O 凯模C A E 案例库w w w .c a m e o .o r g .c n。

沥青路面结构力学响应分析研究

道桥建设2018年第13期121道路沥青路面须经受复杂多变的天气和作用力大且施加密集的车辆荷载反复作用。

过车之后容易出现路面品质逐年下滑从而显著降低道路使用寿命，而且造成资源浪费，不利于居民出行以及货物的中转运输，不能充分发挥道路功能。

研究在不同因素影响下的路面结构力学响应，有助于理解并掌握路面破坏机理，采取更加科学合理的应对措施，延长道路使用寿命。

基于此，文章系统阐述了荷载和气候因素对路面力学响应的影响，为公路养护部门和相关学者提供必要的参考。

1　荷载对路面力学响应的影响车辆荷载是路面需要承受的主要荷载，与道路的使用寿命直接相关。

研究车辆荷载对路面结构力学响应的影响，对了解路面破坏机理具有重要意义。

胡小弟等将荷载与路面之间的接触面近似为矩形，采用有限元计算程序ANSYS，分析x 及y 轴方向各为2.5m 范围内应力分布情况。

z 方向深度根据路面结构及所受车辆荷载的交通组成，并依据理论弯沉值进行调整。

计算结果表明，当车辆制动或启动时，所产生的水平力尤其是最大剪应力对路面结构具有较大影响，剪应力峰值作用位置不定，对柔性基层的影响比半刚性基层要明显，水平力作用下，面层层底的弯拉应力，尤其是y 方向引起横向裂缝的弯拉应力变化明显。

在上下坡等刹车频发地区路面容易破损，而曹卫锋对车辆动载作用下长大上坡沥青路面力学响应做了更加深入的研究。

利用大型有限元软件ABAQUS 建立车辆载荷作用下的长大上坡路段沥青路面结构的三维有限元模型，采用单侧双轮胎的加载方式，分析不同参数下的路面的力学响应。

理论计算表明：对于半刚性基层沥青路面，用沥青面层底部弯拉应变来评价其使用寿命是不合理的；较大的面层底部剪应变容易破坏面层与基层之间的粘结层，一旦粘结层破坏后，使面层结构的连接状态变为滑动状态，增加面层流动性，增加车辙发生的可能性。

因此，增强面层与基层之间的粘结强度，是抵制剪切破坏，提高路面寿命的有力措施。

2　气候对路面力学响应的影响2.1　温度对沥青路面结构动力响应的影响沥青面层材料是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性和使用性能随温度的变化而显著变化。

沥青路面结构响应的试验分析

Ｏｎｏｔｅｒｂｅｅｃｕｔｒｄｎｈｅａｋ — ｅｆｈｐｏｌｍｓｎｏｎｅｉｔｂｃ－ｅ
ｃｃｌｔｎｉｈｔｈｓｌｔｎｒｍｔｅａｋ — ｌａｕａｉｓａｔｅｏｕｉｆｏｈｂｃｏｔｏ
ｉｃｕｅｅｅｍｉａｉｎｏｈａｅｎａｅｓｍｏｕｉｎｌｄｓｄｔｒｎｔｆｔｅｐｖｍｅｔｌｙｒｄｌｏ
ａｄｃｌｕａｉｎｏｅｃｔａｔｓｅｒｓｒｉｓｕｄｒｎａｃｌｔｆｔｒｉｌｓｅｓｓｏｔｎｎｅｏｈｉｃｒａｔｅｄｓｇａ．Ｔｅｅａｅｓｖｒｌｔｅｒｔａｄｌｈｅｉｎｌｄｈｒｒｅｅａｈｏｅｉｌｍｏｅｓｏｃ
ｓｐｉｔａｅｏｈｓｉｔｄ” ｃ
ｔｅｒｔａｄｌｍｕｔｂｖｒｆｄｈｏｅｉｌｍｏｅｓｅｅｉｃｉｅ
ａａｎｔｅａｅｎｔｕｔｒ．ｇｉｓｒａｐｖｍｅｔｒｃｕｅｌｓ
Ｔｖｒｙｔｅｒｔａｍｏｅ，ｏｅｉａｈｏｅｉｌｆｃｄｌ
Ｔｅｏｔｕｆａｂｃ－ａｃｌｔｎｄｐｎｓｏｏｈｈｕｐｔｏａｋｃｕａｉｅｅｄｎｈｗｔｅｌｏ
ａａｌｂｅＡ１ｔｅｒｔａｄｌｉｖｌｅｓｍｐｉｃｔｎｖｉｌ．１ｈｏｅｉｌｍｏｅｓｎｏｖｉｌａｉｓａｃｉｆｏ
ｃｃｌｔｎｌａｕａｉｍａｏｅｕｉｕｗｈｎａｐｖｍｅｔｏｙｎｔｂｎｑｅ，ｅａｅｎ

非均布三向应力作用下CRC+AC复合式路面动力响应分析

第52卷第3期2021年3月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.52No.3Mar.2021非均布三向应力作用下CRC+AC 复合式路面动力响应分析李盛1,2，张豪1，程小亮3(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114；2.道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心，湖南长沙，410114；3.中冶南方城市建设工程技术有限公司，湖北武汉，430063)摘要：对CRC+AC 复合式路面动力响应进行分析，研究基于子午线轮胎考虑非均布动态荷载作用，运用Abaqus 有限元软件进行三维实体建模并进行数值模拟，分析CRC+AC 复合式路面结构的温度场及应力分布，并对非均布动荷载作用下CRC+AC 复合式路面表面拉应力的影响因素进行分析。

研究结果表明：路面结构深度越大，温度变化越小，当深度超过0.6m 时，温度几乎没有变化且与外界环境平均温度相差不大；在一定范围内，增加AC 层厚度可降低AC 层的最大温度梯度，有利于降低路面出现裂缝的风险，提高路面使用性能；最大横向拉应力出现在轮胎前端两侧，最大纵向拉应力和最大主拉应力出现位置一致，位于轮隙中心沿行车方向2~3cm 处；路面转弯处的最大主拉应力出现在轮胎前端左上角，在同等水平力作用下，转弯处的最大主拉应力是正常直线行驶时的1.48倍；沥青面层表面最大主拉应力随轴载呈线性变化；当轴载大于100kN 时，轴载每增加10%，拉应力增加8.5%；纵向水平力系数对横向拉应力影响显著。

研究成果可为CRC+AC 复合式路面的沥青层开裂、车辙等病害预防提供技术支持，并为材料选择和结构设计提供理论依据。

关键词：道路工程；复合式路面；数值模拟；温度梯度；拉应力中图分类号：U416.221文献标志码：A文章编号：1672-7207（2021）03-0971-12Dynamic response analysis of CRC+AC composite pavementunder non-uniform three-way stressLI Sheng 1,2,ZHANG Hao 1,CHENG Xiaoliang 3(1.Changsha University of Science and Technology,School pf Traffic &TransportatingEngineering Changsha 410114,China;DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2021.03.028收稿日期：2020−07−20；修回日期：2020−09−10基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51878076)；湖南省自然科学基金资助项目(2018JJ2433)；道路灾变防治及交通安全教育部工程研究中心开放基金资助项目(kfj180402)(Project(51878076)supported by the National Natural Science Foundation of China;Project(2018JJ2433)supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province;Project (kfj180402)supported by the Engineering Research Center of Road Disaster Prevention and Transportation Safety,Ministry of Education)通信作者：李盛，博士，教授，从事道路工程研究；E-mail ：******************引用格式：李盛,张豪,程小亮.非均布三向应力作用下CRC+AC 复合式路面动力响应分析[J].中南大学学报(自然科学版),2021,52(3):971−982.Citation:LI Sheng,ZHANG Hao,CHENG Xiaoliang.Dynamic response analysis of CRC+AC composite pavement under non-uniform three-way stress[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2021,52(3):971−982.第52卷中南大学学报(自然科学版)2.Engineering Research Center for Road Disaster Prevention and Traffic Safety,Ministry of Education,Changsha410114,China;3.MCC Southern City Construction Engineering Technology Co.Ltd.,Wuhan430063,China)Abstract:The dynamic response of CRC+AC composite pavement was analyzed,3D solid modeling and numerical simulation were conducted by using Abaqus finite element software based on radial tire to consider the function of non-uniform dynamic load,the temperature field and stress distribution of CRC+AC composite pavement structure were conducted,and the influencing factors of CRC+AC composite pavement surface tensile stress under non-uniform dynamic load were studied.The results show that the deeper the pavement structure,the smaller the temperature changes.When the depth exceeds0.6m,the temperature has almost no change and is not very different from the average temperature of outside environment.Within a certain range,increasing the thickness of the AC layer can reduce the maximum temperature gradient of the AC layer,and it is helpful to reducethe risk of cracks on the road surface and improve the performance of the road surface.The maximum lateral tensile stress occurs on both sides of the front end of the tire.The maximum longitudinal tensile stress and the maximum main tensile stress appear at the same position at the center of the wheel gap in the driving direction of 2—3cm.The maximum principal tensile stress at the corner of the road appears at the upper left corner of the front end of the tire.Under the same horizontal force,the maximum principal tensile stress at the corner is1.48 times of normal straight driving.The maximum principal tensile stress on the surface of the asphalt layer changes linearly with the axial load.When the axial load is more than100kN,the tensile stress increases by8.5%for every 10%increase in the axial load.The longitudinal horizontal force coefficient has a significant effect on the magnitude of the transverse tensile stress.The research results can provide technical support for the prevention of cracking and rutting of the asphalt layer of the CRC+AC composite pavement,and provide theoretical basis for material selection and structural design.Key words:road engineering;composite pavement;numerical simulation;temperature gradient;tensile stress连续配筋混凝土刚柔复合式路面(CRC+AC)是由高强度的刚性基层与柔性的沥青混凝土面层进行复合的一种路面结构，其中CRC(continuously reinforced concrete)层作为承重结构层，AC(asphalt concrete)层作为表面功能层，可以提高路面的行车舒适性，降低CRC层中的荷载及温度疲劳应力，减小雨水对基层和钢筋的损害。

高温重载下泡沫沥青冷再生路面响应分析

Vol. 37 No. 4

Jul. ,2021

第37卷第

4期

2021年7月

森林工程FOREST ENGINEERING

高温重载下泡沫沥青冷再生路面响应分析李宇1，孙雪强2，高建芳'，李秀君

“

(1 •上海理工大学环境与建筑学院，上海200093 ；2,嘉兴市秀洲区交通建设投资有限公司，浙江嘉兴314000

；

3.嘉兴市永宏建设工程有限公司，浙江嘉兴

314000)

摘要

：

为解决高温与重载作用下泡沫沥青冷再生路面易产生车辙病害等问题，了解再生混合料分别作为下面层与上基

层路面时的动力响应，设计一种高抗剪密实型泡沫沥青冷再生混合料(F-B),结合区域气候特点以及黏弹性理论，通过有限单元法获得了不同结构层的温度场与移动轴载下的应变变化，并与常规级配进行对比。结果表明：路面温度场具有明显的非

线性特征,可通过改进级配的方式提高材料的抗剪切性能；卸载后路面存在约

10%的残余应变，而采用黏弹性模型能够获得

路面的残余变形，更好地反映车辙的形成；泡沫沥青层层底纵向应变呈现正负交替特点，易引发路面疲劳损伤；低速重载下，

采用高抗剪密实型级配可以减少面层的最大剪应力，减少流动型车辙的产生

；

泡沫沥青作为下面层使用时，重载作用下路面

具有更好的抗竖向变形能力。关键词：泡沫沥青冷再生;有限元模拟;黏弹性;动力响应；高温重载

中图分类号:U416.26 文献标识码:A

文章编号：

1006

- 8023(2021)04 - 0117 - 09

Dynamic Response Analysis of Foamed Asphalt Cold Recycled Pavement under

High

Temperature and Heavy

Load

LI YU1, SUN Xueqiang2, GAO Jianfang3,

LI Xiujun1

(1. School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China ； 2. Jiaxing Xiuzhou District Transportation Construction Investment Co. , Ltd. , Jiaxing 314000, China

高模量沥青混凝土路面力学响应数值分析李媛媛

高模量沥青混凝土路面力学响应数值分析李媛媛发布时间：2023-05-27T02:11:27.418Z 来源：《中国科技信息》2023年6期作者：李媛媛[导读] 随着交通量的不断增加、重载交通的形成，公路路面出现了一系列的病害问题。

与我国建筑传统使用的普通沥青混凝土相比，高模量沥青混凝土具有着许多优势，具有着更好的水稳定性，更好的抗车辙性能，良好的抗疲劳性能，提高结构抗永久变形能力。

重庆交通大学土木工程学院重庆 400074摘要：随着交通量的不断增加、重载交通的形成，公路路面出现了一系列的病害问题。

本文通过有限元方法对高模量的沥青混凝土路面结构的力学响应进行讨论，采用不同结构强度层位厚度设计的高模量的沥青混合材料对沥青路面结构及内部剪应力、路表面弯沉的力学响应。

结果试验表明，将高模量沥青混凝土材料直接设置在路面的中面层结构位置，能极大有效的降低高速公路路面结构层内部的剪应力，改善受力分布情况，有效延长了公路路面的使用寿命。

关键词：高模量沥青混凝土；力学响应；车辙；有限元方法1 HMAC路面的发展与其他传统沥青混凝土相比，高模量沥青混凝土具有其许多优势，如提高抗永久变形能力和增加路面疲劳寿命[3，4]。

高模量沥青混凝土于20世纪80年代起源于法国，旨在提高沥青基层的抗车辙性能和刚度。

一般认为有下面三种施工方法是可以获得很高模量沥青混凝土的最佳粘结剂，这下面三种施工方法是对获得高模量沥青混凝土有较高的刚度贡献也最大：使用低渗透、高软化点的硬级沥青粘结剂；使用聚合物改性剂；使用高模量剂。

然而，高模量沥青混凝土在较恶劣气候条件下的力学性能，尤其是低温性能，仍是研究人员十分关注的问题。

西班牙研究人员进行了高温反复加载轴向试验，发现高模量沥青混凝土的永久变形抗力与沥青等级、空隙率含量高度相关。

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第23卷第1期长　沙　交　通　学　院　学　报Vol.23No.1

2007年3月JOURNALOFCHANGSHACOMMUNICATIONSUNIVERSITYMar.2007

文章编号:1000-9779(2007)01-0056-07

重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

谢　军1,2,郭忠印2(1.长沙理工大学公路工程学院,湖南长沙　410076;

2.同济大学教育部道路与交通工程重点实验室,上海　200092)

摘　要:选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;

在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据.

关键词:重载;非均布;动态模量;力学响应中图分类号:U416.217 文献标识码:A

收稿日期:2006-11-14

作者简介:谢　军(1975-),男,长沙理工大学讲师,博士.

目前,在国内重载现象普遍存在.重载不仅表现为交通量的增大,更表现为运输车辆普遍超载、超限,

交通量大和汽车普遍超载是重载交通的主要特征[1].在重载交通条件下,沥青路面在使用过程中产生早期

破坏的现象日益严重,路面使用寿命大大缩短、使用性能衰减加快,严重影响了道路的使用功能和服务质量.在本研究中,针对不同沥青路面典型结构,考虑不同荷载作用条件,进行了路面结构力学响应分析,以了解重载条件下路面结构的应力、应变规律,并为重载条件下沥青路面设计指标提供理论依据.

1　沥青路面的典型结构选取在沥青路面修建过程中,由于土基条件、交通量、轴载及气候环境条件的不同,在各地区采用了不同的沥青路面结构,同时,根据具体实际情况,相应地制定了本地区的沥青路面典型结构.在不同地区的沥青路面典型结构中,考虑到结构层组合、结构层厚度等因素,选取其中8种典型路面结构进行力学计算分析(见表1).

表1　8种路面结构组合cm

路面结构沥青面层

基层沥青碎石级配碎石上基层6%水稳碎石透水性水稳碎石贫混凝土下基层5%水稳碎石底基层水稳粒料稳定土垫层

级配粒料4#106/24///24/20

24#10//20////40/

41#5//18///1820/

58#15//18//1820//

59#15///16/2020//

60#16////201620//

61#15/916//1616//

62#12//20//2020//

其余均为半刚性基层沥青路面结构.在半刚性基层中又包括单基层、双基层及双底基层等,且不同路面结构的沥青面层具有不同的厚度.被选取路面结构具有较好的代表性.

2　路面结构层典型材料参数由于路面结构实际上受到来自车辆、气候、人文等因素不断变化的影响,因此,其实际工作状态(包括力学模型、材料性质)与现行的静态力学体系存在着较大的差距.对于路面材料本身而言,由于路面材料大多是粘弹塑性的组合体,对时间因素的影响十分敏感.当荷载作用时间不同时,材料所表现出的力学性质是完全不一样的,同时,材料设计参数的选取对路面设计结果有着很大的影响.考虑到这些原因,在本研究中,采用动态参数进行典型路面结构力学计算分析,以反映实际路面的受力状况.同时,为使计算结果具有一定的代表性和可比性,不同路面结构的相同材料结构层参数取值及同一类材料参数取值都应一致.

2.1　沥青混合料动态模量由于沥青混合料是一种粘弹性材料,其力学性能与温度、荷载作用时间及材料本身性能有着密切的关系,根据AI研究结果,沥青混合料的动态模量平均值在4000MPa左右.而Shell研究结果表明:在高温或荷载长时间作用下,动态模量为1～100MPa;在低温或荷载短时间作用下,动态模量为100～5000

MPa.在温度为20℃、频率为5Hz条件下,英国推荐的动态模量设计值为3100MPa(密级配沥青碎石)或3500MPa(热碾沥青混凝土);在法国的设计中动态模量取值(温度30℃、频率10Hz)为:沥青混凝土为3000MPa,沥青碎石为4000MPa;黄仰贤[2]也推荐了沥青混合料的动态模量常用范围.

通过沥青混合料在动态荷载条件下的间接拉伸实验,在本研究中,研究了沥青混合料的动态模量,

得出了沥青混合料劈裂动态模量回归模型和推荐值[1].采用回归模型进行计算,得到动态模量大约为

3000MPa,这与国内外已有研究成果中动态模量推荐值接近.因此,取沥青混合料动态模量为3000MPa,沥青碎石动态模量的取值为2500MPa.2.2　其他材料动态模量在国外,采用的土基回弹模量大约为30～100MPa

[2,3]

,本研究中取土基回弹模量为50MPa.同时

为便于结构分析,不同路面结构的土基模量取值一致.对于级配碎石、砂砾等未处治粒料的回弹模量,级配碎石和砂砾模量的取值分别为200,150MPa.

根据动态模量常用范围[2],取水泥稳定类基层和二灰稳定类基层的动态模量为6900MPa.王旭

东[4]认为:水泥剂量为6%的水泥稳定类基层和水泥剂量为4%的水泥稳定类基层的动态模量值相差约1.1～1.8倍.考虑水泥剂量的差异,5%水泥剂量的水稳基层取值为6300MPa.而比较透水性水泥稳定碎石基层和常规水稳基层,后者更密实,强度更高,因而取透水性水泥稳定碎石基层动态模量为6000

MPa.同时,对于采用相同材料的底基层,考虑到材料配比、施工要求的差异,其动态模量比相应材料的基层模量低.结合国内外的研究成果,取水泥稳定碎石和二灰稳定碎石类底基层动态模量为5000MPa、二灰土类为3450MPa、石灰土类底基层为2000MPa.

3　路面力学计算模型3.1　荷载条件目前,在路面计算中,大多采用的是圆形均布荷载形式,但有关研究人员[5,6]认为:①路面和轮胎之间接地形状不完全是圆形,更大程度上表现为矩形,且随着荷载增大而益发趋向于矩形;②作用力分布也不是均匀的,随荷载的增加及胎压的不同发生很大的变化;③轮胎花纹形式的多样性也决定了接触应力的非均布特点.因此,路面和轮胎之间呈现出明显的非均布效应,圆形均布荷载的简化和路面实际情况有很大区别.

75　第1期谢　军,等:重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 根据Groenendijk,RonaldBlab及相关人员[7～9]的研究结果,采用的荷载分布形式如图1所示,即仅考虑竖向接触应力,不考虑水平向接触应力,轮胎与路面为矩形接触形式.荷载分布在宽度方向上将接触面分为3个区域:两边20%宽度范围的边缘区和中间60%宽度范围的中心区.中心区与边缘区内竖向接触应力平均值的回归方程表达为:

qzc=a0+a1pi+a2pz;

qze=b0+b1pi+b2pz.

式中:qzc为中心区平均竖向压应力;qze为边缘区平均竖向压应力;pi为轮胎内压力;pz作用于轮胎的竖向荷载;ai,bi为回归系数.

对于计算代表车型,则采用现行沥青路面设计规范中[10]规定的标准车型,即黄河JN-150型汽车,

轮胎宽为26.3cm,双轮中心间距为34.6cm.考虑25,50,80,100,120,150kN6级荷载,可得具体轮载条件(见表2).由于轮胎实际宽度会随轴载不同而发生变化,因此,在本研究中,认为轮胎宽度不变,为定值.

表2　轮载及轮胎接地尺寸计算结果轮重/kN轮胎内压/MPa中心区轮压/MPa边缘区轮压/MPa矩形宽度/cm矩形长度/cm

250.70.470.5126.319.6500.750.600.6326.331.1800.90.810.7726.338.41001.00.940.8726.341.61201.11.080.9626.344.11501.21.261.1126.347.6

3.2　有限元模型在路面力学计算时,采用目前通用的ANSYS有限元程序、8节点六面体实体单元,在沥青层和基层之间设置接触单元,网格划分遵循上密下疏的原则.为保证计算结果的可靠性和准确性,模型的长度和宽度均取为6m,土基深度取为6m.

其中y为行车方向,x为路面横向方向,z为垂直于路面向上方向.模型边界条件假设为:底面没有z方向的位移,左、右两面没有x方向的位移,前、后两面没有y方向的位移,面层表面为自由面.按照现行规范[10]要求,各结构层之间视为完全连续.路面结构有限元模型如图2所示.

4　计算结果及分析4.1　联结层、基层及底基层层底水平横向应力、应变分析部分结构联结层、基层、底基层底面轮隙中心水平横向(垂直于行车方向)应力及应变结果见表3.

1)根据计算结果可以看出:24#为半刚性单基层结构,其基层、底基层底面轮隙中心均受拉应力和

拉应变的作用;41#为半刚性双底基层结构,其上底基层及下底基层底面轮隙中心均受拉应力、拉应变作用,其基层底面轮隙中心受压应力作用;58#,59#,60#和62#为半刚性双基层结构,其中58#,59#和62#结构的下基层、底基层底面轮隙中心受拉应力、拉应变的作用,但其上基层底面轮隙中心受到的是压应力的作用;因此,对于目前普遍采用的半刚性基层路面结构,各结构层底面轮隙中心主要承受拉应力和拉应变的作用,当超过路面材料抗拉强度后会引起结构层层底开裂,从而更易使路面发生早期破坏.