基于不同工艺沥青路面坑槽修补结构受力分析＊

李炜光经冠举 田智仁 肖 燕 延丽丽 吕振北 田耀刚

（长安大学材料学院1） 西安 710064） （交通铺面材料教育部工程中心2） 西安 710064） （中交通力公路勘察设计工程有限公司3） 西安 710075）

0 引 言

沥青路面以行车平稳、舒适、噪声低、维修养护方便、可再生利用等优点在各类公路和城市道路中得以广泛应用.但公路交通存在着流量大以及超载现象严重等问题，同时由于道路结构在使用过程中质量监控的不足，在环境与荷载耦合作用下，致使路面结构在开通后短时间内就会出现车辙、泛油、开裂、坑槽等不同程度的破损，严重影响车辆行驶的安全性和舒适性［1－3］.本文在已有沥青路面坑槽修补技术研究的基础上，运用ANSYS大型有限元仿真分析软件，通过计算机模拟仿真，对坑槽修补后不同修补厚度、不同修补结构尺寸进行仿真模拟.

1 有限元模型建立

1.1 材料参数设定

在进行道路结构分析时，通常把路面的各层结构假定为平面无限大的弹性体，而一般把路基假定为弹性半空间体［4－8］.为了便于比较分析，通过对比路面经验模型尺寸选取的道路结构尺寸为路面板宽4m、长4m、深5m.各结构层的材料性能指标及厚度见表1.

表1 不同结构层的材料参数

本文采用标准轴载BZZ－100，轮胎内压0.7MPa，矩形压印［9］.将车轮荷载简化为正方形均布荷载，经过换算的正方形荷载作用面积为0.189m×0.189m，2轮内缘间距为0.13m，即2轮中心距为0.319m.此外，由于不同结构层的受力大小不同，若单位尺寸划分较小则计算结构复杂，如尺寸划分较大则不能够很好模拟道路各层受力状态，因此，采用典型结构模型，网格划分的单元尺寸为面层0.1m×0.1m×0.05m，基层为0.1m×0.1m×0.1m，土基为0.1m×0.1m×0.2m.

1.2 有限元分析模型

在计算机仿真分析中，模型的建立不可能达到无限区域.在具体建模过程中，必须考虑模型的尺寸大小.因此，应该合理的选择道路结构模型尺寸，尽量保证选择的模型大小既能满足计算结果的精度要求又不至于过大而增加计算量［10］.单元划分采用SOLID45，有限元模型见图1.

图1 荷载作用模型

2 修补结构尺寸对坑槽受力的影响

2.1 坑槽长宽度变化对结构的受力影响

为了分析坑槽的长度和宽度变化对坑槽结构受力的影响，分别采用以下几种尺寸（x×y×z）：120cm×100cm×10cm，100cm×100cm×10 cm，100cm×120cm×10cm.由于当坑槽尺寸变化时，若荷载仍作用在中心位置，则坑槽壁缝处离荷载的位置也随之变化，此时无法对比分析坑槽的尺寸对结构受力的影响，因此荷载位置采用作用在沿坑槽纵向壁缝内侧中心处，见图2.且对于坑槽的同一深度处，经分析可知纵向壁缝所受的应力值要比横向壁缝处大，所以计算主要选取纵向壁缝进行分析.

图2 荷载作用下坑槽结构应力分析云图

由于道路在行车过程中主要受拉压应力和剪应力作用，坑槽纵向壁缝处各方向剪应力值中τz最大，且坑槽底缘（z＝10cm）处剪应力大于坑槽表面处，因此在以下分析中，以剪应力τz为例，分析坑槽尺寸对其影响，计算结果见图3和图4.拉应力值选取较大的沿道路方向y 计算，计算结果见图5和图6.

图3 不同宽度纵向壁缝处剪应力τz对比图（z＝0cm）

图4 不同宽度纵向壁缝处剪应力τz对比图（z＝10cm）

图5 不同宽度纵向壁缝处拉应力对比图（z＝0cm）

图6 不同宽度纵向壁缝处拉应力对比图（z＝10cm）

由图3～图6可见：（1）不同尺寸坑槽壁缝表面处的剪应力均小于坑槽底缘10cm 处，表面拉应力负值大于底缘拉应力值；（2）当保持坑槽纵向尺寸不变增大横向宽度时，随着横向宽度的增加，当横向宽度由100cm 增加到120cm 时，坑槽壁缝10cm 深度处剪应力明显减小，但随着横向宽度的增加，坑槽纵向壁缝处的拉应力负值逐渐减小，出现由压向拉的变化趋势，且坑槽壁缝附近出现拉应力；（3）当保持坑槽横向尺寸不变增大纵向宽度时，随着纵向长度的增加，当纵向宽度由100cm 增加到120cm 时，坑槽壁缝处剪应力略有增加.拉应力值变化也不明显，且在坑槽范围附近未出现拉应力值.

2.2 不同坑槽修补厚度的坑槽结构受力分析

根据道路结构产生坑槽破损程度的不同，选择了2，6和10cm 3种深度的坑槽修补结构进行计算分析，目的在于在施工过程中能够根据不同的坑槽破坏尺寸确定较合理的修补层厚度.荷载作用仍取为标准轴载0.7 MPa，作用位置取荷载作用在坑槽正中央.建模过程中保持坑槽水平方向尺寸不变，改变修补层的厚度，分别采用以下几种尺寸：100cm×100cm×2cm，100cm×100cm×6cm，100cm×100cm×10cm，坑槽修补材料弹性模量为5000 MPa，针对上述3个模型对坑槽横向底缘、纵向底缘的应力进行分析，计算结果见图7、图8.

图7 不同厚度纵向壁缝底缘剪应力对比图

图8 不同厚度纵向壁缝底缘拉应力对比图

从图7和图8中不同坑槽修补深度坑槽底缘应力曲线变化情况可以看出，不同深度情况下，坑槽表面和底缘拉应力均为负值，即都处在受压状态，且表面压应力大于坑槽底缘深度处；随着修补厚度的不断加深，坑槽纵向壁缝处的竖向剪力τxz逐渐增大，最大值均出现在纵向壁缝底缘中间处；当修补厚度加深时，坑槽壁缝的拉应力均为负值，且逐渐减小.

3 结 论

1）不同尺寸坑槽壁缝表面处的剪应力均小于坑槽底缘10cm 处；坑槽横向宽度的增大使坑槽结构壁缝处的剪应力值减小，但使拉应力值增大；纵向宽度的增加对坑槽结构受力的影响较小.

2）随着修补深度的不断加深，坑槽纵向壁缝处竖向剪力τxz逐渐增大，最大值均出现在纵向壁缝中间处；当修补厚度加深时，坑槽壁缝的拉应力负值逐渐减小，但不同厚度的坑槽底缘都只处在受压状态.

3）通过不同坑槽尺寸及修补厚度分析可得，当坑槽尺寸为120cm×100cm×10cm 且修补厚底越薄时，坑槽壁缝所受到的剪应力最小，这将为坑槽修补工艺的选择提供理论支撑.

［1］高 菲.基于有限元的沥青路面坑槽修补结构力学特征研究［J］.河北工业大学学报，2012（4）：92－100.

［2］马 新.基层模量对沥青混合料路面性能影响的力学分析［J］.中外公路，2008（8）：46－48.

［3］茅 荃.沥青混凝土路面坑槽修补技术研究［J］.公路，2004（10）：158－163.

［4］GRÉNMAN H，INGVES M，CORANDER J，et al.Common potholes in modeling solid－liquid reactionsmethods for avoiding them original research article［J］.Chemical Engineering Science，2011，66（20）：4459－4467.

［5］郑传超.轮胎接触压力对沥青路面结构都影响［J］.长安大学学报：自然科学版，2004，24（1）：12－16.

［6］KOCH C，BRILAKIS I.Pothole detection in asphalt pavement images original research article［J］.Advanced Engineering Informatics，2011，25（3）：507－515.

［7］时小梅.ANSYS沥青混凝土路面结构力学分析［J］.低温建筑技术，2009（8）：66－67.

［8］郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2005.

［9］邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册［M］.北京：人民邮电出版社，2007.

［10］胡德亮.三维有限元法在沥青路面力学计算中的应用［J］.交通科技，2004（6）：118－120.