车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析
半刚性沥青路面动荷载力学响应数值分析
维普资讯
第 ６期
２ ２ 动 态荷 载 的 模 拟 ．
邓昌宁 ： 半刚性沥青路面动荷载力学响应数值分析
・４ １９・
Ｏ ｏｏ
把行 车 荷 载模 拟 为 稳 态 简 谐 振 动模 型 ， 以振 动
．
Ｏ 。Ｓ
增 大后 减 小的 变化 规律 ， 当动 荷载 周期 为 ０ ５０ ．０ ｓ时 ， 弯沉 比静 弯沉 大 ２ ％ ， 动 １ 因此 ， 车辆 速 度 过低 会 缩短路 面的使 用 寿命 。
关键词
动荷载
半 刚性沥青路面 数值分析
力学响应
长期 已来 ， 国沥青路面设计一直沿用均布垂 我
直荷 载作 用 下 的弹性层 状连 续 体 系理论 模 型 。众 所 周 知 ， 面结 构的 动 路
１ １ 基 本假 设 ．
（） １ 沥青 混 凝 土 面 层 、 刚 性 基 层 材料 为 线 弹 半 性 材料 ， 基 为 弹 塑 性 材 料 ， 从 Ｄｕｋｒ－ｒｇｒ 土 服 ｒｃｅ－Ｐａｅ 屈服 准 则 ； （） ２ 模型在 ｘ、 ｚ三个 方 向均为有 限（ 型尺寸 Ｙ、 模
时采用 映射网格划分的方法 ， 以解决计算精度与计 算时间的矛盾 ， 因此 ， 在荷载 的施加方法上采取利用 双矩形加载面代替双 圆形加载面的方法 ， 据相关 依 文献计算确定 加载 面为 ２６ ５ｘ ５ ｍ 两加载 面 ２ ． ６ ｍ， １ 间距为 ３９５ ｍ， １．ｍ 荷载值为 ０７２ Ｐ 。 ．０ Ｍ ａ １４ 单 元 网格 的划分 ． 因为在数值模拟过程 中我们仅关心荷载作用面 附近的计算结果 ， 以整个模型不 同区域 的网格划 所 分 应该 是 不 同 的 ， 模 型 通 过采 用 工 作 平 面 切 割 体 该 的方法 ， 为 的将 荷载 面 附近 的单元 格加 密 ， 于整 人 对
沥青路面的Top—Down纵向裂缝在交通荷载下的力学响应
２０１３年第６期 （总第２３２期） 黑龙江交通科技
ＨＥ ＬＬＯＮＧＪＩＡＮＧ ＪＩＡＯＴＯＮＧ ＫＥＪ Ｎｏ．６，２０１３
（Ｓｕｍ Ｎｏ．２３２）
沥青路面的Ｔｏｐ—Ｄｏｗｎ纵向裂缝在交通荷载下的力学响应 刘琬展。丁贝 （东南大学交通学院）
摘要：为了研究沥青路面上面层的自上而下纵向裂缝随着交通荷载变化而产生的力学响应，利用ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件对沥青路面结构进行三维建模，观察并记录随着荷载位置的改变，裂缝尖端区域的应力强度因子 变化情况。结果显示，荷载距离裂缝由近到远的过程中，裂缝区域应力强度因子 的数值先上升再下降。且 使裂缝产生最不利应力场的荷载与裂缝的位置与裂缝几何状态（深度，长度）、路面结构（层数，层厚，材料参 数）以及荷载形式（大小，尺寸）等有关。 关键词：沥青路面；Ｔｏｐ—ｄｏｗｎ裂缝；纵向裂缝；ＡＢＡＱＵＳ；应力强度因子 中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标识码：Ｃ 文章编号：１００８—３３８３（２０１３）０６—０００１—０３
１引 言 道路工作者对于沥青路面ＢｏＳｏｍ—Ｕｐ的疲劳裂缝的研 究已有很多，而且规范中亦多以层底拉应力为设计指标。然 而，近年来，有研究报告显示，出现在轮迹带附近的源于表面 而向下扩展的Ｔｏｐ—Ｄｏｗｎ纵向开裂已经成为高等级沥青路 面的主要损坏类型之一。断裂力学中的应力强度因子 可 以较好地描述裂缝区域的应力状态，进而分析裂缝扩展机 理。结构体中裂纹在一定条件下失稳扩展，按照它们在荷载 作用下扩展形式的不同，可以分为Ｉ张开型，ＩＩ划开型和Ｉ、ＩＩ 撕开型三种基本类型。通过沥青路面裂纹扩展行为的分析 表明，裂纹扩展的机理主要是拉应力，无论荷载的位置如何， 剪应力对控制裂纹的生长并不重要。虽然裂纹尖端处于ＩＩＩ 复合型应力状态下，但拉应力仍然是裂纹扩展的主要驱动 力。 综上，将重点对沥青面的Ｔｏｐ—Ｄｏｗｎ纵向裂缝进行分 析，并记录随着荷载作用位置的变化，裂缝区域的张开型应 力强度因子的变化情况。 ２模型描述及荷载布置 ２．１路面结构及参数 路面模型整体尺寸为４ ｍ（ 轴）Ｘ４ ｍ（Ｙ轴）Ｘ ８ ｍ（： 轴），由面层、基层、底基层和土基组成。有限元个数为 ７４ ３０４，节点个数为７９ ８４１。见表１。 表１路面结构参数 ２．２裂缝区域 将模型沿ｚ轴方向的长度分成三段，分别为ｆｒｏｎｔ，ｍｉｄ． ｄｉｅ，ｂａｃｋ（总长８ ｍ，三段长度分别为３．５ ｍ，１ ｍ，３，５ ｍ），纵 向裂缝位于中间段的表面层。 为了较精确地得到裂缝区域的应力强度因子值，需对裂 缝区域的网格进行更细致的划分，而且由于裂纹尖端的应力 和应变是奇异的，因此必须在裂纹尖端位置定义应变奇异 收稿日期：２０１３—０４—１６ 点，而且围绕裂纹定点的有限单元是奇异单元，见图１，它是 把单元边上的中间点放到１／４边处。
沥青路面主要病害及力学机理分析
沥青路面主要病害及力学机理分析我国现行规范根据损坏模式和对路面使用性能的影响程度，将路面上常见的损坏分为4大类型：（11类21项）（1）裂缝类：路面结构的整体性因裂缝或断裂而受到破坏；（2）松散类：主要表现为路面表层出现的局部缺陷；（3）变形类：路面结构虽仍保持其整体性，但结构性状在各种因素的作用下产生了较大的变化；（4）其他类：主要指沥青路面的泛油和沥青路面的修补损坏。
裂缝类包括龟裂、不规则裂、纵裂和横裂。
横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝。
按其成因不同，横向裂缝又可分为荷载型裂缝与非荷载型裂缝。
荷载型裂缝是由于车辆严重超载，致使拉应力超过其疲劳强度而断裂。
荷载型裂缝首先在路面的底面发生，逐渐向上扩展至表面。
非荷载型裂缝是横向裂缝的主要形式。
这种裂缝又有两种情况：沥青面层缩裂和基层反射裂缝。
沥青面层缩裂多发生在冬季。
当沥青面层中的平均温度低于其断裂温度，产生的拉应力超过其在该温度时的抗拉强度时，沥青面层即发生断裂。
基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂，在荷载应力与温度应力的共同作用下，在基层开裂处的面层底部产生应力集中而导致面层底部开裂，尔后逐渐向上扩张致使裂缝贯穿面层全厚度。
非荷载型横向裂缝一般比较规则，每隔一定的距离产生一道裂缝，裂缝间距的大小取决于当地气温和沥青面层与半刚性基层材料的抗裂性能。
气温高、日温差变化小、面层和基层材料抗裂性能好的路段，一般间距较大，且出现裂缝的时间也较晚。
纵向裂缝产生的原因有两种：一种情况是沥青面层分路幅摊铺时，两幅接茬处未处理好，在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂；另一种情况是由于路基压实度不均匀或由于路基边缘受水浸蚀产生不均匀沉陷而引起。
网状裂缝主要是由于路面的整体强度不足而引起，也可能是由于路面出现横向或纵向裂缝后未及时封填，致使水分渗入下层，加剧了路面的破损。
沥青在施工期间以及在长期使用过程中的老化也是导致沥青面层形成网裂的原因之一。
对较小的纵缝和横缝，一般用灌入热沥青材料加以封闭处理。
车辆动载、水、温度耦合作用的沥青路面响应分析
03
水作用下的沥青路面响应分析
水对沥青路面的影响
1 2
水损害
水通过沥青路面的孔隙和裂缝进入路面结构， 可能导致内部沥青混合料的剥落和路面的损坏 。
降低路面性能
水进入沥青路面会导致路面的抗滑性能、平整 度和承载能力下降。
3
加速路面老化
不足
尽管单一因素的研究成果丰富，但缺乏对多因素耦合作用的系统分析和实验 研究。因此，开展车辆动载、水、温度耦合作用的沥青路面响应分析是必要 的。
研究内容与方法
研究内容
本研究旨在分析车辆动载、水、温度耦合作用下的沥青路面响应，包括路面形变 、应力分布、裂缝扩展等路面性能指标的变化规律。
方法
采用理论分析和实验研究相结合的方法，首先建立车辆动载、水、温度耦合作用 的沥青路面模型，然后通过实验验证模型的正确性，最后利用模型分析耦合作用 对沥青路面性能的影响规律。
展望未来，可以进一步深入研究车辆动载、水、温度等 因素的相互作用机制和沥青路面的长期性能演化规律， 为实现沥青路面的智能化设计和维护提供支持。
THANKS
感谢观看
沥青路面低温开裂的防治措施
为了防止沥青路面产生低温开裂，可以采取提高沥青材料的韧性、优化混合 料的级配和空隙率、设置防裂层等措施。
05
《车辆动载、水、温度耦合作用的沥青路
面响应分析》的研究成果与结论
研究成果概述
01
建立了车辆动载、水、温度耦合作用的沥青路面响应模型，该模型考虑了车辆 动载、水、温度等多因素耦合作用，为研究沥青路面的响应提供了有力工具。
水分的侵入会加速沥青路面的疲劳损伤和形变 累积，而温度的变化则会影响路面的应力和应 变状态。
黏弹性沥青路面在行驶车辆下应变力研究
Ｕ ４ １ ６ ． ２ １ ７ ；
传 统 的沥青 路 面 设 计 中 ， 把 移 动 车 辆 载荷 看 成 双 圆垂 直 均 布 荷 载 ， 把路面看 成多层弹性体 ， 以 双 轮 组单 轴 载 １ ０ ０ ｋ Ｎ（ Ｂ ｚ ｚ —ｌ ｏ ｏ） 为 标 准 轴 载 Ｉ ２ Ｊ 。 该 设计 方 法 在 一 定 程 度 上 反 映 了路 面 的 应 力 应 变
１ ． １ 模 型 尺寸
变化规律 ； 但是将荷 载假定 为静载荷 ， 在车辆行 驶
速度较 低 的情 况 下是 合 理 可行 的 。然 而 ， 随 着 高 速 公 路 和汽 车工业 的发 展 ， 高速 公 路 上 行 驶 车 辆 的 时
速均在 ８ ０ ｋ ｍ ／ ｈ以上 ， 这 时仍用静载代替动载必将
算经验 ， 取路面结构为 １ ／ ２对称模型 ， 几何结构尺寸
为２ ０ ｍ（ 纵 向 ）× ５ ｍ（ 横 向）×５ ｍ（ 垂向） 。
１ ． ２ 边界 条 件
模型 的边界 条 件设 为 ： 模 型 的底部 （ ｚ＝ 一５
立半 刚性 基 层粘 弹性 路 面 的三 维 有 限元 模 型 ， 分 析 了移 动荷 载 作用 下路 面 三 向应 变 动 力 响应 规 律 ， 最
虽然 在 假 设 中认 为路 面 各 层 平 面 方 向为 无 限 大， 深 度方 向为无 限大 ， 但 在 实 际 有 限 元 计算 时 ， 无 法将 模 型尺 寸取 为 无 限大 。选 择 合 适 的模 型 尺 寸 ， 不 仅 能保 证 分 析 的 精 确 度 ， 又能减少计 算工作量 。 由于路 面结构 和 载荷 均 具 有 对 称 性 ， 参 考 以往 的计
ｍ） ， 约束 ｚ 方 向 的位移 ； 模 型 的前 后 （ ＝ ５ ｍ 和 ＝
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。
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。
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。
沥青路面多尺度结构的荷载响应分析
沥青路面多尺度结构的荷载响应分析陈俊;黄晓明【摘要】In order to explore the stress and strain relation in the pavement layers under traffic load from a meso-structural perspective, the single-scale discrete element model of asphalt pavement structure was built using discrete element method (DEM). The stress and strain at the bottom of the asphalt concrete layer under vertical load were calculated. The validation of discrete element model of asphalt pavement structure was conducted by the comparison of discrete element prediction with the results from the classical program. The distribution and volumetric fraction of coarse aggregate, asphalt mastic and air voids were taken into consideration at the bottom of the asphalt layer in the validated discrete element model to build the multi-scale structure of asphalt concrete pavement. The tensile stress and strain in asphalt mastics and interface between aggregate and mastic were obtained and compared with the results from the single-scale model. Results show that the stress and strain in multi-scale structure is heterogeneous distribution. The tensile stress at the interface between aggregate and mastic is much higher than that in mastic. The ratio of stress at interfaces to the stress in mastics increases as the mastic stiffness decreases. The pavement design based on single-scale model may underestimate the tensile stress at interface between aggregate and mastic and overestimate the tensile stress in mastic.%为了从材料细观结构角度研究沥青路面结构的荷载响应,采用离散元方法,建立了柔性基层沥青路面典型结构模型,并进行了竖向荷载作用下沥青混凝土层应力和应变的计算,通过与经典路面响应程序计算结果的比较,验证了路面结构离散元模型和离散元计算方法的正确性.以验证过的路面结构模型为基础,采用较小的细观尺度描述了沥青混凝土结构层底部位置处粗集料、沥青砂浆和空隙的分布和体积大小,从而建立了路面结构的多尺度模型,并计算了荷载作用下多尺度模型的响应.结果表明,荷载引起的路面结构应力和应变在沥青混凝土内呈现显著的不均匀分布特征；粗集料与砂浆接触处的应力明显高于沥青砂浆内部的应力,两者的比值随着沥青砂浆模量的降低而增大；考虑材料细观结构后,粗集料与砂浆接触处的荷载响应明显高于宏观路面结构响应,而沥青砂浆内部的荷载应力小于不考虑细观结构时的宏观路面结构应力.【期刊名称】《建筑材料学报》【年(卷),期】2012(015)001【总页数】6页(P116-121)【关键词】道路工程;沥青混凝土;多尺度;离散元方法;细观结构【作者】陈俊;黄晓明【作者单位】河海大学土木与交通学院,江苏南京210098;东南大学交通学院,江苏南京 210096【正文语种】中文【中图分类】U414.217沥青混凝土路面各结构层的车辆荷载响应是路面设计的重要指标.长期以来，在进行路面结构荷载响应计算时，人们通常把路面结构按材料属性的不同分为多个结构层次，以模量和泊松比来描述各层材料的力学特征，并采用包括Bisar，Ansys和Abaqus在内的多种分析软件，计算沥青混凝土路面各结构层的荷载响应，由此作为路面厚度设计和检验的依据.由于上述方法力学概念简单明了、涉及到的力学参数简单易测，在一定程度上满足了路面结构设计的需要.然而，沥青混凝土作为由集料、沥青胶浆和空隙组成的一种多相复合材料，其力学性能在很大程度上取决于各相材料的体积分数和分布特征[1－2].因此，采用统一的力学参数来描述沥青混凝土的宏观力学性能，必然会引起较大的误差，从而导致路面结构响应预测的不精确；而且采用宏观力学参数进行路面结构响应的计算，对于人们深入理解和准确把握沥青混凝土内部细观结构的受力特征，进而指导沥青混合料设计也不能起到积极作用.目前，在路面结构设计和荷载响应分析中未能考虑材料的细观结构，主要受到以下几方面因素的制约.第一，对于沥青混凝土三维细观结构或者其内部结构进行识别需要大型的CT扫描设备和相应的三维结构建模技术，而目前CT扫描设备在中国还十分缺乏[1，3]；第二，即使通过 CT扫描设备获得了沥青混凝土的三维空间结构，或者通过数码照相和图像处理技术获得了沥青混凝土的二维平面结构，当采用Bisar，Ansys和Abaqus等计算软件时，如何把这些三维和二维的细观结构导入软件内，并实现考虑集料不规则形状及其与砂浆接触的网格划分目前尚不成熟；第三，若在整个路面结构内，把各层材料都进行尺度细化，必然需要大量的计算单元，由此也会导致计算效率过低.上述问题通过采用近年来发展起来的离散元和多尺度方法可以得到合理解决.首先，离散元方法可以考虑集料的不规则形状、集料与砂浆之间刚柔接触问题以及沥青混合料内部不连续的应力场，它比较适合于模拟沥青混凝土类多相复合材料的细观结构[4－7].其次，多尺度方法对于容易把握的宏观性能常采用较大的尺度加以划分和分析，对于“敏感点”位置处的力学性能则可采用较小的尺度加以分析，这就解决了单元过多引起的计算效率过低的问题.然而，如何结合离散元和多尺度方法进行路面结构的响应分析目前尚未见正式报道.为此，本文以离散单元颗粒流程序PFC为计算工具，根据柔性基层沥青路面典型结构型式，建立单一尺度的离散元模型；并以此模型为基础，在人们普遍关心的沥青混凝土层底，采用尺度较小单元来描述粗集料、沥青砂浆、空隙的分布和体积大小，从而建立路面结构的多尺度模型.同时采用离散元计算软件PFC，计算了静止荷载下沥青混凝土层底内粗集料与砂浆接触处、砂浆内部的拉应力和拉应变，并与单一尺度下沥青层底的拉应力和拉应变进行比较分析，得到了对路面设计有益的结论.1 路面结构的离散元模型1.1 路面结构的离散元分析模型考虑到半刚性基层和刚性基层沥青路面结构中的沥青层通常情况下并不承受拉应力作用，沥青结构层疲劳破坏并不是这两种路面结构主要的损坏型式，本文选择柔性基层沥青路面作为研究对象，分析沥青层的受力情况，并参照Luis等[8－9]建立的柔性路面二维离散元模型和相关假定，以沥青稳定碎石基层下卧石灰土的结构型式为基础，利用PFC3D建立了路面结构的二维离散元分析模型，如图1（a）所示.需要说明的是，PFC3D是三维离散元颗粒流程序，但是为了保证较好的计算效率，本文仅建立了x和z方向的二维路面结构模型.图1 柔性基层沥青路面结构的离散元模型Fig.1 Discrete element model of pavement structure图1（a）所示的模型水平向长度为5m，模型深度为1.1m，共由5层材料组成，由上至下分别是：10cm厚的沥青混凝土面层、20cm厚的沥青稳定碎石基层、20cm厚的级配碎石、20cm厚的石灰土底基层和40cm厚的土基.整个路面结构模型共由38 750个单元构成，考虑到计算效率因素，路面结构采用了大小不同的2种球形单元，土基以上结构层由半径为5mm的35 000个球形单元组成，土基采用半径为1cm的3 750个球形单元描述.图1（b）为面层和基层黏结部位的离散单元分布形式.1.2 微观参数的确定与有限元相同，采用离散元分析路面结构响应时，也需要对结构层材料赋予相应的材料参数.根据15℃时路面材料模量的经验值，对图1所示的各结构层模量按表1取值，按照Liu等[10－11]建立的材料宏观模量与离散单元微观参数的关系，计算得到各层材料的微观参数，如表1所示.此外，考虑到沥青面层、沥青碎石层是路面结构最主要的受力层，而级配碎石材料间没有黏结，因此对于沥青层按照弹性、平行黏结加以考虑，而级配碎石以下结构层单元则采用弹性、接触黏结模型.同时，材料的黏结强度取较大值，以防止材料出现破坏即可，而不需通过测试获取.表1 各类材料的细观参数Table1 Meso－parameters of each materialLayer Macromodulus／MPa Contact normal stiffness／（N·m－1）Parallel－bond stiffness／（Pa·m－1）Asphalt concrete surface 1 800 3.6×1011 Asphalt stabilized macadam base 1 200 2.4×1011 Unbounded graded base 4008×106 Lime soil 400 8×106 Subgrade 50 2×1062 静载作用下单一尺度路面结构响应2.1 离散元计算结果对图1（a）所示的路面结构施加0.7MPa的恒定静止荷载，荷载作用范围为10cm，利用PFC采集荷载作用位置处路表顶面弯沉和竖向压应力、沥青面层底部和沥青稳定碎石底部应力，以及沥青层不同深度处的水平剪应力.图2是荷载作用于路面结构后，路面结构的上述荷载响应与时间的关系曲线.由图2可见，当荷载作用于路表的瞬间，路表弯沉、沥青面层底部和沥青稳定碎石底部应力和应变都经历先快速增大、后缓慢变小直至稳定的过程，整个变化过程大约为0.01s，也就是说静止荷载作用于路面结构后，路面结构响应需要一小段时间才能稳定.另一方面，观察图2（b）可以看出，竖向压应力随着路面结构深度的增大而降低，由图2（e）中沥青层水平剪应力与荷载作用时间的关系曲线可以发现，随着深度的增大，水平剪应力先增大后减小，最大剪应力出现在路表以下5cm左右.上述荷载响应与路面结构深度的关系都与以往研究结论相符，初步说明了离散元分析结果的正确性.关于离散元分析结果的正确性将在下文进一步验证和说明.图2 静止荷载下路面结构响应Fig.2 Responses of pavement structure to static loading2.2 离散元计算结果与Bisar计算结果的比较为了验证上文所建模型以及离散元计算结果的正确性，采用Bisar 3.0计算图1所示结构的静载响应，各结构层模量按表1取值，计算结果见表2.由表2数据不难看出，离散元计算结果要大于Bisar计算结果，这可能是由于本文所建立的路面结构为二维模型所致.不过，考虑到本文并不追求各结构层的精确响应，只是以获得路面结构在荷载下的响应规律为目的，因此，可以认为离散元计算精度满足要求. 表2 荷载响应的计算结果Table2 Results of pavement structure response to static loadingSoftware MPa Bisar 0.042 0.022 Horizontal tensile stress at the bottom of surface／MPa Horizontal tensile stress at the bottom of asphalt stabilized macadam base／PFC3D 0.058 0.0313 路面结构的多尺度模型以图1（a）的路面结构为基础，在受力较大的沥青稳定碎石基层底部，设置由尺度较小的、半径为1 mm的单元构成的沥青混合料梁式试件.梁式试件由沥青砂浆和粗集料组成，对于梁式试件之外的路面结构其他位置，以半径为5mm的球单元加以描述，由此建立路面结构的两尺度分析模型.关于梁式试件的生成可以通过对室内成型的沥青混合料小梁试件切片、数码照相和图像处理获得，或者根据笔者在文献[12－13]中关于沥青混合料数字试件的生成方法直接获取，在此不再赘述.图3为采用此方法生成的AC－20型沥青混合料的二维小梁试件.图3 沥青混合料的二维小梁试件Fig.3 Two－dimensional sample of asphalt mixture beam把图3所示的梁式试件导入PFC内，放置于路面结构内沥青稳定碎石基层底部位置，从而构成了如图4所示的沥青路面结构多尺度模型，该模型长5m，厚度1.1m，共由44 000个单元所组成.图4 沥青路面多尺度分析模型Fig.4 Multi－scale discrete element model of pavement structure需要说明的是，从理论上来讲对于图4所示的多尺度模型，当梁式试件的单元越小，分析结果应当越精确.但是，由此会带来两个问题：（1）梁式试件单元设置得过小，必然要求与之接触的“外界”单元半径需要相应的适当降低，因为如果两者差异太大，那么在梁式试件与“外界”接触点处有可能出现应力集中现象，从而影响分析结果的准确性[14]；（2）对于重复多次荷载作用的情形，由于荷载作用周期多，较高的计算效率是十分关键的因素，而单元设置得过小，必然会带来计算效率的下降.因此，梁式试件的单元不宜设置得过小.4 多尺度路面结构的荷载响应4.1 细观结构内部的荷载响应对图4所示的沥青路面结构多尺度模型，施加0.7MPa的竖向荷载，荷载作用位置为模型的顶部、梁式试件的跨中位置，并且采集沥青稳定碎石层底（尺度较小的梁式试件内）水平拉应力和水平拉应变.值得注意的是，梁式试件包含沥青砂浆单元和集料单元，因此需要对它们分别赋予力学参数.考虑到15℃时沥青砂浆的模量一般为500～800MPa，本文取750MPa，集料模量取50GPa[11]，而路面结构其他层位材料属性依然按照表1取值.另外，与沥青混凝土宏观尺度上的应力和应变不同，考虑细观结构后的应力和应变需要区分砂浆内部、集料内部和砂浆与集料接触处的应力和应变.考虑到车辆荷载作用下路面结构内集料本身断裂的可能性不大，裂纹主要出现在砂浆内部或者砂浆与集料的接触界面处，因此以梁式试件跨中7cm和小梁底部以上1cm的矩形范围内砂浆内部以及砂浆与集料接触处的拉应力和拉应变作为PFC数据采集的对象.表3为荷载作用下梁式试件矩形测试范围内，PFC采集到的砂浆单元之间和砂浆与集料接触单元之间平均拉应力和拉应变.从表中数据可以看出，在该矩形范围内荷载响应在空间上并不是均匀分布，沥青砂浆内部的应力明显小于砂浆与集料界面处的应力.由此可见，当砂浆与集料界面强度和砂浆强度相同时，砂浆与集料界面处将是裂纹起始位置.另一方面，与宏观单一尺度下沥青稳定碎石层底的拉应力和拉应变比较可见，不考虑材料复合特征的宏观计算结果介于砂浆内部和砂浆与集料界面的荷载响应之间，亦即宏观计算结果低估了集料与砂浆界面处的应力，而高估了砂浆内部的应力.表3 基层底部细观结构内的荷载响应Table3 Response of base mesostructure to static loadingAverage tensile Region Number of element Average tensile stress／kPa strain Asph alt mastic 98 21 1.16×10－5 Interface between mastic and aggregate 34 52 0.97×10－54.2 沥青砂浆模量对细观结构内部荷载响应的影响上述分析是以沥青砂浆模量为750MPa为基础的，考虑到沥青为温度敏感性材料，外界环境温度的变化会引起沥青和沥青砂浆模量的较大改变，为此本文人为设定了不同沥青砂浆模量，并进行了静止荷载下路面结构响应分析，得到了路面结构内沥青混凝土材料中集料界面处应力、砂浆内部应力以及两者间比值与沥青砂浆模量的关系，如表4所示.从表中数据可以看出，随着沥青砂浆模量的增大，沥青砂浆内应力和集料界面处应力都有较大程度的增大，而集料界面与砂浆内部应力比值有较大程度的降低，不过即使砂浆的模量增大到1 250MPa，集料界面与砂浆内部应力比值依然达到了1.63.这就表明，环境温度的降低虽然会导致沥青混凝土内部应力不均匀性有所降低，但是这种不均匀性仍然存在.因此，考虑沥青混凝土材料的多相复合特征，以及由此引起的荷载响应在混凝土细观结构内的不均匀性，应当是沥青混凝土路面结构设计今后需要努力的方向之一.表4 不同沥青砂浆模量下基层细观结构的静荷载响应Table4 Response of base mesostructure to static loading at different modulus of masticHorizontal tensile stress／Mastic modulus／MPa Ratio of tensile stress at aggregatemastic interface to that in mastic 250 2 14 7.00 500 7 28 4.00 750 21 52 2.48 1 000 39 73 1.87 kPa Asphalt mastic Interface between mastic and aggregate 1 250 56 91 1.63另一方面，上述路面结构响应分析采用的荷载形式为静止荷载，没有考虑到荷载的移动特征，其主要原因是本文对离散元模型和计算方法的验证建立在Bisar计算结果与离散元模拟结果比较的基础上，而Bisar计算软件不能有效地考虑荷载的移动特征，因此本文在离散元分析过程中采用了静止荷载形式.关于移动荷载下路面结构内部应力和应变的分布将是本文后续研究的重点.5 结论（1）采用离散元方法，建立了柔性基层沥青路面典型结构的离散元模型，并计算了竖直荷载作用下路面结构的响应，通过与Bisar计算结果比较，验证了离散元模型和计算方法的正确性.（2）考虑到沥青混凝土材料为一种多相复合材料，在离散元内采用尺度较小的单元描述粗集料、沥青砂浆和空隙的大小和分布，由此建立了沥青混合料梁式试件的离散元模型，并与较大尺度的宏观结构相结合，建立了路面结构的多尺度模型. （3）荷载作用下路面结构内部的应力和应变呈现明显的不均匀性，表现为沥青砂浆与集料接触处的响应明显大于沥青砂浆内部的荷载响应；当沥青砂浆模量为750MPa时，在沥青混凝土结构层底部位置处，砂浆与集料界面处的拉应力是砂浆内部应力的2.48倍；沥青砂浆模量的增大或者温度的降低可以在一定程度上减小砂浆与集料界面处应力与砂浆内部应力的差异.（4）由于没有考虑沥青混合料的细观结构特征，经典的计算程序低估了砂浆与集料界面处的应力，高估了沥青砂浆内部的荷载响应.参考文献：[1]胡霞光.沥青混合料微观力学分析综述[J].长安大学学报：自然科学版，2005，25（2）：6－9.HU Xia－guang.Review on asphalt mixture micromechanics analysis[J].Journal of Chang'an University：Natural Science，2005，25（2）：6－9.（in Chinese）[2]陈俊，黄晓明.集料分布特征对混合料疲劳性能的影响分析[J].建筑材料学报，2009，12（4）：442－447.CHEN Jun，HUANG Xiao－ming.Research on influence of distribution characteristics of aggregate on fatigue performance of asphalt mixture[J].Journal of Building Materials，2009，12（4）：442－447.（in Chinese）[3]MASAD E，JANDHYALA V K，DASGUPTA N，et al.Characterization of air void distribution in asphalt mixes using X－ray computed 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Technology，2009，41（9）：100－104.（in Chinese）[10]LIU Y，DAI Q L，YOU Z P.Viscoelastic model for discrete element simulation of asphalt mixtures[J].Journal of Engineering Mechanics，2009，135（4）：324－333.[11]YOU Z P.Development of a micromechanical modeling approach to predict asphalt mixture stiffness using the discrete elementmethod[D].Illinois State：Department of Civil and Environmental Engineering，University of Illinois at Urbana－Champaign，2003.[12]CHEN Jun，HUANG Xiao－ming.Virtual fracture test of asphalt mixture based on discrete element method[J].Journal of Southeast University：English Edition，2009，25（4）：518－522.[13]陈俊，黄晓明.基于离散元法的沥青混合料虚拟疲劳试验方法[J].吉林大学学报：工学版，2010，40（2）：435－440.CHEN Jun，HUANG Xiao－ming.Virtual fatigue test of asphalt mixture based on discrete elementmethod[J].Journal of Jilin University：Engineering and Technology，2010，40（2）：435－440.（in Chinese）[14]KIM H，BUTTLAR W G.Multi－scale fracture modeling of asphalt composite structures[J].Composites Science and Technology，2009，69（15－16）：2716－2723.。
典型沥青路面结构力学响应对比分析
水稳碎石 水稳碎石
天然砂砾
２ ０ ２ ０
２ ０
ｌ ４ ０ ０ １ １ ｏ ｏ
１ ７ ９
０ ． ２ ０ ． ２
０ ． ３ ５
沥青 路面结构 ， 而对于柔性基层或一些 改进型 的复合结 构路 面来 讲， 采用 以前 的设计指 标就不甚合理 。即使 对半 刚性基层 路面结 构， 传统设计方法也忽 略了剪应力 的重要 影 响。随着 国家经济实 力 不断增强 ， 各地 高等级公路交 通量在逐 年增加 ， 重载、 高轮压 的 车辆在整个 交通量 中比重也越来 越大 ， 各条 高速公 路均大量 出现 超载现象。而新建沥青路面的破坏 时间也大大提前 ， 在行车荷载和 环境 因素共同作用下 ， 路面结构会 出现 多种多样 的破坏 类型 ， 反 映
典 型 沥 青 路 面 结 构 力 学 响 应 对 比 分 析
张 立 李婉华
（ １ ． 重庆 中设工程设计股份有 限公司 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ２ ３； ２ ． 重庆市设计院 ， 重庆 ４ ０ ０ ０ ０Fra bibliotek０ ） 摘
要： 以多层弹性 层状体 系理论为基础 ， 对高等级公路沥青路面 的典 型结构进 行 了分析 ， 研究 了沥青路 面典型 结构 的应 力应 变
Ｙ坐标 Ｏ ． １ ０ ６ ５ Ｏ ． ３ ｌ ９ ５
— Ｏ ． １ Ｏ ６ ５
各结构层层间处
根据应变响应分析各 种典型破 坏类型 ， 根据不 同路 面结构 提出准 ２ 力学 响应 分析
２ ． １ 力 学响应 指标
采用 力学 一经验法进行路面结构设 计 ， 需要首先 确定材 料参
０ 。 １ ０ ６ ５ ｍ， 双 圆中心距 １ ５ ． ９ ８ ｃ ｍ。在 计算 中假 定 向为道 路行
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车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析
发表时间：
2019-05-22T16:56:02.993Z 来源：《防护工程》2019年第3期 作者： 林井权
[导读] 半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论，本文采用
Ansys10.0建立静载模型的形式，来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。
核工业西南勘察设计研究院有限公司
摘要：半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论，本文采用
Ansys10.0
建立静载模型的形式，来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。结论表明：路面结构的变形主要由上面层承担，其余各层
竖向位移较小。底基层层底为该类结构最不利受力层位。
摘要：刚性基层，静载，有限元
Analysis of Asphalt Pavement Response under Static Loading
NUCLEAR INDUSTRY SOUTHWEST SURVEY&DESIGN INSTITUTE CO., LTD LIN Jing-quan
Abstract:Semi-rigid asphalt pavement is one of the main structure forms of asphalt pavement at present. Nowadays layered elastic theory with
vertical dead load applied to elastic multi-layer system is used. The large-scale finite element analysis software Ansys10.0 is used to build the static
load pavement model, in order to discuss the stress of the pavement under vertical static load characteristics. The results showed that: Deformation of
the pavement structure is mainly composed of upper slab that the rest of the each layer of the vertical displacement is smaller. The bottom of subgrade
is the largest stress location.
Key words: semi-rigid base; vertical static load; finite element
引言：
随着我国国民经济的迅速发展，公路修建里程也在不断增加，加之车辆的不断增多，路面因行车荷载的作用而引起的破坏已是路面破
坏的主要形式之一。虽然目前越来越多的研究开始偏重于行驶中的车辆即动载对路面的影响。但我国现行路面设计方法仍采用竖向静荷载
下弹性多层体系理论，且在收费站、停车场、飞机场路面主要承受静载的作用。研究静载对路面的影响仍然具有很大的意义。鉴于此，本
文采用大型有限元分析软件
Ansys10.0建立静载路面模型，研究路面受力变形特性。
1
弹性理论体系基本假设
由不同材料组成的路面结构受荷载的作用，结构将产生变形。虽然应力随时间变化而变化，且卸载后有部分变形不能恢复。但是变形
量小，且对于厚度较大、高强度的高等级路面来说，将路面视作线性弹性体，应用弹性层状体系理论分析是合适的。假设如下：
（1）路面材料是均匀的，各项同性的。完全连续的线弹性材料。
（2）土基在水平方向与向下的深度方向均无限大，其上面各层厚度有限，水平方向无限大。
（3）各层在水平方向无限远处及最下一层无限深处，应力、变形和位移均为零。
（4）层间接触应力和位移连续，或层间仅竖向应力和位移连续，无摩阻力。
（5）不计自重。
2
行车荷载的选择
实际轮胎作用在路面上的形状和垂直压力是很复杂，并非多层弹性理论体系中的圆形均布荷载。据大量实验，轮胎形状接近矩形。为
便于建立模型，对其进行简化，简化为矩形。
按照面积等效的原理将轮胎作用于地面形状进一步简化为正方形即车轮与路面接触面为189mm189mm的正方形，接触面积为35633。计
算荷载采用沥青路面现行设计中的标准双轮轴载
100KN，轮胎压强0.7MPa。双轮中心距为28.9cm，荷载作用于路面中心。
3
静力学有限元模型建立
通常路面结构可视为半无限弹性多层体系，但在有限元的计算中，土基只能取为有限尺寸。
路面模型的尺寸（X、Y、Z）为8m7.5m6m。
有限元模型单元采用八节点的SOLID 45 单元，模型采用布尔命令保证层间完全连续。
网格划分时采用映射网格划分方式，具体划分格网后的路面静载模型见图1。
5
力学响应分析
5.1
竖向荷载
（1）竖向位移分布云图
图3 结构在静载条件下竖向位移变化图
1
图2为半刚性路面在静载条件下的竖向位移分布云图。由该图可知，在所计算的道路三维实体范围内，结构在静载条件下竖向位移以
轮载中心为峰值向四周以同心圆形式递减，并在路表形成一个过渡和缓的弯沉盆，即在单圆荷载中心处路表的竖向位移达到最大，离轮载
作用处越远，竖向位移值衰减得越快。
2
图3结构在静载条件下竖向位移变化图，对称荷载作用下的竖向位移变形也是对称的，以轮隙中心为对称轴。各结构层来看，上面层
变形量大，往下各层变形逐渐减小，虽然还是以单圆荷载中心处变形最大，但从总体上看，各点变形值相差不大。可见路表最容易产生压
密变形。
5.2
弯拉应力分布
(1)
层底弯拉应力变化图
图 5 结构在静载条件下剪应力分布云图
(2)
结果分析
①为了更全面地反映轮载作用处剪应力的分布情况，在剪应力分布云图中采用三个窗口加以显示，其中窗口1 为路面结构整体剪应力分
布图，窗口
2 为轮载作用平面(路表平面)的分布显示，窗口3 为路表平面单圆荷载中心处的放大云图。
2
在所建的路面三维模型范围内，在静荷载形式的作用下，以轮载作用矩形面积的四个对角(外侧)为起始点，在路表形成两个形如树叶
的反对称的分布区域，其中，图中红色部分为路表剪应力低受剪区
(剪应力为负值且较小)，蓝色部分为路表剪应力高受剪区(剪应力为正值
且相对较大
)。由分布图可发现，在模型外侧，除了单轮荷载中心处的分布特征较为突出外，其余各处均处于较低的剪应力水平下，可见在
所建路面模型的尺寸边缘及更远处，车辆的荷载效应已经较不明显。
③在静载作用下，路表高受剪区域明显大于低受剪区。
结论：
①路表最容易产生压密变形，在表、中、底三层沥青混凝土的力学性质和压实度均相同的情况下,表面层产生的压密形变最大,底面层产
生的压密形变最小，亦即路面结构的变形主要由路表承担，其余各层竖向位移较小。
②各结构层结合部为主要应力集中区。对于半刚性路面而言，底基层层底为该类结构最不利受力层位。
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