水平荷载作用下沥青路面力学响应数值分析
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。
典型半刚性沥青路面结构车辆荷载动力响应指标分析与应用
典型半刚性沥青路面结构车辆荷载动力响应指标分析与应用摘要：沥青路面结构使用寿命不足是目前中国沥青路面在运营使用过程中存在的普遍现象，现有的沥青路面结构设计体系无法有效地反映实际交通荷载下路面结构力学行为是其重要原因之一。
目前我国的的沥青路面设计方法中，把车辆荷载视为静荷载或者近似等效静荷载，路面结构是为弹性体系结构。
随着高速公路建设的发展，高速公路运输实现高速重载化。
车辆运行速度越高，车辆震动越大，车辆对路面的振动冲击荷载越大。
运载重量越大，路面承受荷载越高，尤其是在夏天高温状态下，沥青路面表现出严重的黏弹性。
路面设计中仍使用静载模式已不能反应路面的实际受力状况，无法解释动态荷载作用下路面结构产生的各种现象。
因此，对于研究重型车辆作用下沥青路面承受的动荷载及路面结构产生的各种动力响应，具有一定的现实意义。
下面本文仅提出自己在沥青路面结构设计的一点建议，以供参考。
关键词：典型半刚性沥青路面荷载动力响应分析与应用Abstract: the asphalt pavement structure service life is China’s lack of asphalt pavement use in operation of the existence of the common phenomenon, the existing the asphalt pavement structure design system can’t effectively reflect actual traffic load pavement structure mechanics behavior is under the important reasons. At present our country of the asphalt pavement design method, the vehicle load as static load equivalent or similar to the static load, pavement structure is for elastic system structure. Along with the development of the highway construction, highway transportation ChongZaiHua realize high speed. The running speed of the vehicle, the higher the vehicle vibration, the road vehicle vibration impact load is bigger. Carry weight, the greater the pavement bear loads is high, especially in summer high temperature condition, the asphalt pavement show serious sticky elastic. Pavement design still use static load model has not reflect the actual stress condition, can not explain the dynamic load pavement structure to produce a variety of phenomena. So, for the heavy vehicles under the action of the asphalt pavement under dynamic loading and road surface structure to produce a variety of dynamic response, has some of the realistic significance. This paper put forward the only in the asphalt pavement structure design to a bit of advice for your reference.Keywords: typical semi-rigid asphalt road surface load dynamic response analysis and application常用沥青路面设计方法介绍路面的结构由路基、垫层、基层和面层组成。
不同层间状态沥青面层力学响应进行计算分析
不同层间状态沥青面层力学响应计算分析半刚性基层沥青路面由于其诸多优点在我国高等级公路中应用广泛。
但由于路面采用分层铺筑，同时，现行我国沥青路面设计规范[1]假定各层间完全连续不滑动，导致层间结合成为了路面使用过程中的薄弱环节。
本文以简化剪切弹性柔量作为层间状态的表征参数，利用沥青路面专用计算程序Bisar3.0对不同层间状态下的沥青面层力学响应进行计算分析。
1、路面形式选取和层间状态描述1.1 路面结构与计算模型结合我国沥青路面设计规范与工程实践，选取的沥青路面结构形式及材料参数如图1所示。
加载方式选用标准轴载BZZ-100KN的双圆均布荷载，并以图1中的A、B、C、D点位作为计算点位。
1.2 层间状态理论描述文章采用简化剪切弹性柔量作为层间状态的表征参数，它是将相邻层间的交界面看成是一个无限薄的内层，通过层间水平剪切应力与相对水平位移的关系来描述层间结合状态。
研究表明[2]，当从0到100r（r为当量圆半径）之间大量取值时就包括了层间完全连续到完全滑动的所有状态。
通过计算分析，文章选取的表征参数值见表1。
同时，为了更好的符合工程实际，文章假定其他各层间为完全连续状态，只考虑基-面层间状态的变化。
2、力学响应计算结果及分析2.1 层间状态对弯拉应力影响结果及分析用Bisar3.0对沥青面层各点位进行弯拉应力计算，通过对计算结果的统计分析可知，路表最大弯拉应力沿行车轴方向，而其他各层最大弯拉应力沿行车道方向；层间结合状态较好时，路表除外的其他各层均处于受压状态，随着层间状态的退化（≥0.25m），沥青层底率先出现拉应力，当层间完全光滑时，受拉范围已扩展至中面层底；同时，控制指标也由路表的逐渐变成沥青层底的。
2.2 层间状态对弯拉应变影响结果及分析基-面层间状态变化对沥青面层弯拉控制应变影响结果见图2，其中，控制指标为各层间状态下不同层位指标最大值（下同）。
由图2及对计算结果的统计分析可知，路表主要受行车轴方向的弯拉应变控制，而其他各层主要受行车道方向的弯拉应变控制；当层间结合状态较好时，弯拉控制应变先减小，再增大，最后再减小，路表和中面层底是主要控制层位；当层间状态逐渐变为光滑时，弯拉控制应变先减小，然后一直增大，沥青层底变为主要控制层位。
沥青路面多尺度结构的荷载响应分析
布 特征 ； 集料 与砂浆接 触处 的应 力 明显 高 于沥 青砂 浆 内部 的 应 力 ， 者 的 比值 随 着 沥 青砂 浆模 粗 两 量的 降低 而增 大 ； 考虑 材料 细观 结 构后 ， 集料 与砂 浆接 触 处 的荷 载 响 应 明 显 高 于宏 观路 面 结构 粗
沥 青 路 面 多 尺 度 结 构 的 荷 载 响 应 分 析
陈 俊 黄 晓 明 ，
（． 海 大学 土木 与交 通学 院 ，江苏 南 京 ２ ０ ９ ；２ 东 南大学 交 通学 院 ， 苏 南 京 ２ ０ ９ ） １河 １０ ８ ． 江 １ ０ ６ 摘 要 ：为 了从材料 细观结 构 角度 研 究沥 青路 面结构 的荷 载响 应 ， 用 离散 元 方 法 ， 立 了柔性基 层 采 建
Ｎｕ ｅ ｉ ａ ａ ｙ ｉ ｎ Ｍ ｕ ｔ’ ｃ ｌ ｔ ｕ ｔ ｒ ｆ Ａｓ ｈ ｌ ｎ ｒ ｔ ｖ ｍ ｅ ｍ ｒ ｃ ｌＡｎ ｌ ｓ ｓｏ ｌｉｓ ａ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｏ ｐ ａ ｔＣｏ ｃ ｅ ｅ Ｐａ ｅ ｎｔ
ＣＨ ＥＮ ｎ Ｊｕ 。 Ｈ Ｕ ＮＧ ｉｏ ｍｉ ｇ Ａ Ｘ ａ— ｎ
第 １ ５卷 第 １ 期
２１ ０ ２年 ２月 源自建筑材料
学
报
Ｖｏｌ １ Ｎ ｏ ｜ ５， ．１
Ｆｅ ｂ．。 Ｏ１ ２ ２
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｂ ＬＤＩ ＵＩ ＮＧ ＡＴＥＲＩ Ｓ Ｍ ＡＬ
文章 编 号 ： ０ ７ ９ ２ （ ０ ２ ０ — １ ６ ０ １ ０ — ６ ９ ２ １ ） １０ １ — ６
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 tomography[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2002，14（2）：122－129.[4]CUNDALL P A，STRACK O D L.A discrete numerical model for granular assemblies[J].Géotechnique，1979，29（1）：47－65.[5]CHANG K G，MEEGODA J.Micromechanical simulation of hot mix asphalt[J].Journal of Engineering Mechanics，1997，123（5）：495－503.[6]ZHONG X，CHANG C S.Micromechanical modeling for behavior of cementitious granular materials[J].Journal of Engineering Mechanics，1999，125（11）：1280－1285.[7]ROTHENBURG L，BATHURST R J.Numerical simulation of idealized granular assemblies with plane elliptical particles[J].Computers and Geotechnics，1991，11（4）：315－329.[8]LUIS E V，SEBASTIAN L G，KEVIN H.Degradation of a granular base under a flexible pavement：DEM simulation[J].International Journal of Geomechanics，2006，6（6）：435－439.[9]陈俊，黄晓明.采用离散元分析重复荷载作用下路面结构的疲劳特征[J].哈尔滨工业大学学报，2009，41（9）：100－104.CHEN Jun，HUANG Xiao－ming.Fatigue performance of asphalt pavement based on discrete element[J].Journal of Harbin Institute of 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.。
透水性沥青混凝土路面力学响应分析
透水性沥青混凝土路面力学响应分析郝渝军;苏定江;程菓【摘要】针对典型透水性沥青路面结构,该文采用ABAQUS有限元方法,分别改变路面结构面层厚度、底基层厚度以及土基模量,分析路面力学响应,并对所研究的透水性沥青路面结构进行工程试验段应用.结果表明:透水性路面竖向位移随路面含水量的增加而减小;随着面层厚度的增加,路表弯沉和土基顶面压应变随之减小;增加透水性沥青路面底基层厚度可以有效改善路面力学状况;路表弯沉和土基顶面压应变受土基模量影响较大.因此,推荐透水性沥青混凝土路面的面层厚度应大于12cm,底基层厚度取20～40cm,在有条件的地方优先采用土基模量高的砂性土.【期刊名称】《重庆建筑》【年(卷),期】2019(018)002【总页数】4页(P30-33)【关键词】透水性路面;结构层厚度;土基模量;力学响应分析【作者】郝渝军;苏定江;程菓【作者单位】重庆市市政设计研究院,重庆 400020;重庆市市政设计研究院,重庆400020;重庆市市政设计研究院,重庆 400020【正文语种】中文【中图分类】U416.2170 引言透水性路面相比非透水路面，具有缓解城市内涝、热岛效应和地表水径流等优势，同时还能保证行车安全、补充地下水资源和城市用水紧张的优点。
另外，透水路面能够与国家正在大力建设的海绵城市完美结合。
目前，国内对透水性路面的研究主要在透水性沥青混合料配合比设计及路用性能评价方面，而对透水路面各结构层组合对路面力学响应的研究较少[1]。
为此，本文以弹性层状体系理论为基础，借助ABAQUS有限元软件，对三种结构组合型式雨水渗入路面结构内部的情况，分别进行路面结构承载力分析，寻找荷载作用下透水路面结构层的力学响应，总结影响结构层承载力的主要因素，提出透水性沥青路面结构设计的参考建议。
1 建立有限元三维数值模型1.1 本构模型沥青混合料的性能受温度影响很大，在正常温度下沥青混合料表现为粘弹性体的特征，如果在低温情况下沥青混合料发生微小变形则表现为线弹性体的特征，但在温度较高情况下沥青混合料发生较大变形时又表现出粘塑性体的特征。
层间接触状态对沥青路面力学响应的影响分析
层间接触状态对沥青路面力学响应的影响分析当前我国的沥青路面设计是以弹性层状体系理论为基础的,然而在这一理论中有一重要假设:沥青路面各结构层间是连续的、完全弹性的、均匀的、各向同性的。
但实践证明,实际的沥青路面结构层之间并非是完全连续和完全光滑的,而是处于完全连续与完全光滑之间的接触状态。
如果继续假定沥青路面各结构层之间为完全连续的状态进行设计,那么计算的结果必然与实际不相符。
因此,为了能够更贴近实际的探究沥青路面的实际受力状态,就需研究在层间接触状态为不完全连续的情况下沥青路面的动力学响应。
论文采用大型有限元软件ABAQUS建立基本的沥青路面结构模型,在对模型进行单元尺寸、材料参数、边界条件、荷载施加以及层间接触状态等设定后,首先利用该计算模型分析了在匀速动态荷载作用下沥青路面连续模型与接触模型在剪应力与弯沉值等力学指标间的差异。
结果表明,采用接触模型进行分析能更好的反映出沥青路面的实际受力状态,对沥青路面结构的研究更有意义。
然后探究了当层间摩擦系数取值在0.3~0.7范围内变化时沥青路面的力学响应。
结果表明,不同的层间接触状态对沥青路面各结构层的剪应力、弯沉等影响均较大。
当层间接触良好时,路面各结构层产生的剪应力值和弯沉值相对较小,反之,这些指标都较大。
最后考虑了汽车在具有一定坡度的路段行驶和汽车采取水平制动两种行车情况下对沥青路面力学响应:(1)考虑路面坡度(水平制动系数)一定时,改变路面的层间接触状态,分析不同层间接触状态,其剪应力与弯沉值的变化情况。
(2)考虑层间接触状态良好时,改变路面坡度(水平制动系数),分析其剪应力与弯沉值的变化情况。
结果表明,在一定行车荷载作用下,坡度对沥青路面的力学影响相对较小,但沥青路面的力学响应受到水平制动的影响则很大。