加纤维稀浆封层材料路面结构数值模拟分析

宫贺田

(中铁十九局集团第三工程有限公司，辽宁辽阳 111000)

0 引言

随着城市交通的快速发展，沥青路面被广泛的应用于城市各种服务类型的路面。但是随着城市交通量的急剧增加，车辆荷载对路面的影响越来越严重，加之沥青路面常年受到风吹、雨淋等自然气候的影响，使沥青与矿料成分不断产生老化现象，沥青的塑性变形能力降低，经常会出现龟裂、车辙等现象，并逐渐降低其适应气候变化的能力［1］，并且会引起路面基层结构承载能力受到影响，使路况变坏，降低车辆的行驶速度，增加车辆的磨损和油耗。因此，对沥青路面材料组成及改进是面临的新问题，同时，通过对沥青路面进行预防性养护是保护沥青路面、延长道路使用寿命的重要环节［2］。稀浆封层是一种非常好的预防性养护技术，稀浆封层是由连续级配集料、填料、乳化沥青、水拌匀后摊铺在路面上的一层基层顶面上的下封层，它不仅可以解决由于气候环境的风化作用而引起的沥青老化、油分损失、基质脱落和混合料的脆化等防护性的养护问题，而且可以矫正诸如轻微的裂缝、剥落、车辙等损伤性的伤害，提高路面的防水性能，改善由于路面泛油、集料磨光而恶化的抗滑性能［3］。

本文通过建立加纤维稀浆封层材料路面结构数值模型，并对路面结构进行加载，分析路面结构的力学性能，为以后稀浆封层材料的数值研究提供参考。

1 加纤维稀浆封层材料加筋路面结构力学模型

加纤维稀浆封层材料的原理是混合料中加入纤维，使纤维在材料中起到加筋的作用，同时加纤维稀浆封层材料的厚度较小，一般不大于4 cm，并主要铺设于基层之上，沥青路面之下，其主要功能是形成一种复合材料对沥青路面的强度进行改进提高，主要表现在加纤维稀浆封层材料与路基填料之间的受力和垂直变形的相互作用关系。

1.1 路面结构参数

根据辽宁省道库二线公路现场实测的数据及实际路面情况提出了加纤维稀浆封层路面结构，其结构参数如表1所示。

表1 路面结构计算参数

1.2 计算模型及边界条件

本文采用ANSYS有限元软件对加纤维稀浆封层路面结构进行数值模拟分析，模型中路基及路面材料选用ANSYS单元中的三维实体单元(Solid45)进行计算，为提高计算精度，采用了ANSYS有限元软件中的8节点三维块体单元，有裂缝模型层厚度方向采用了较密的单元划分。计算模型如图1所示，其中路面厚度取32 cm，土基厚度取3.5 m，路面纵向长度为6.5 m，路面横向宽度为7.5 m。将模型左右两侧面的Y方向进行约束，整个模型的X方向进行约束，底部Z方向完全约束，面层表面作为自由面，不进行任何约束。模型计算单元数量为33221个，节点总计为51082个。

1.3 施加荷载方法

在路面结构施加汽车荷载时，采用施加单轴双轮双圆荷载，其中轴重为65 kN，两圆中心距离为9.75 cm，模型施加的接触压力采用均布荷载，由于在ANSYS软件中，面压力默认为是按追随力计算，而节点力默认为恒定力［4］，所以该模型加载方式采用在25个单元20个节点上施加等效节点力。其中轮胎压强为0.75 MPa，单轮传压面当量圆直径为19.20 cm。荷载施加位置如图1所示。

图1 有限单元划分示意图

2 计算结果分析

路面结构施工中，检测项目中的主控项目就是路面结构的压实度及弯沉值。其中弯沉变形指在车辆荷载作用下路表面的竖向变形，它能够较为直观和简单的反映路面整体承载能力的高低及相关技术指标［5］。路面的弯沉变形是由路面各结构层各自变形相互累加相互影响的结果，因此弯沉值在一定程度上反映了路面各结构层的力学性质。因此，对路面结构的弯沉变形分析，主要就是分析路表面车轮轮隙中心处的弯沉变形值。本文通过有限元软件ANSYS进行了分析，得到了车辆荷载作用下路面结构的弯沉值及路基横断面上的位移曲线，如图2，图3所示。

图2 路面沿纵向各点的弯沉值

图3 路基底层沿纵向各点的应力值

经计算可知，通过对比在未加纤维和加入纤维的稀浆封层材料路表弯沉计算曲线(见图2)，两种计算条件下的竖向最大位移分别为1.0145 mm，0.9858 mm，均小于设计弯沉值1.35 mm。由图3可知，车轮载荷作用于路面时，轮中心路表处产生的弯沉值最大，距离轮隙中心较远处路表处弯沉逐渐减小。通过分析可知，在加铺纤维稀浆封层材料的路面最大弯沉值比未加纤维的最大弯沉值减小0.07 mm。

由图4，图5可知，未铺设加纤维稀浆封层材料时，在车轮荷载作用下基层底面产生的拉应力为0.034 MPa，而加铺纤维的路面底基层的拉应力为0.02 MPa，可见，由于加纤维稀浆封层材料具有良好的抗弯拉性能，所以能够有效减少基层底面的应力集中现象。

图4 路面模型Z方向位移图

图5 轴载作用中心处的剖面Z方向位移图

3 结语

1)通过ANSYS中的等效节点力施加方法，将恒转变为追随力，该方法能够更加真实的反映车轮荷载的施加效果。2)应用大型有限元软件ANSYS，对加纤维稀浆混合料作为路面结构的路基模型进行模拟计算，得出了在加纤维与未加纤维的两种情况下的差距，为加纤维结构的路面性能的提升提供了理论计算依据。

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