某高速公路沥青路面维修处治方案有限元分析

王必贤 赵 婷

(1.长沙理工大学，湖南长沙 410076;2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430100)

1 概述

我国已经基本完成高速公路网的建设，沥青路面以其行车舒适，维修方便和通车快等特点成了中后期高速公路的主要形式，由于我国超载超限问题十分严重且普遍，新建公路很快便产生了早期破坏，最具代表性的就是车辙，路面产生车辙后使得车辆行驶时难以操控，威胁行车安全，而且会导致路面积水，渗入基层造成路面结构破坏，缩短沥青路面使用寿命。现在车辙已经成为路面养护工程中最重要环节之一。车辙深度达到一定程度时，就只能铣刨后重新罩面，但对罩面的日后的效果和维持时间没有进行定量的分析与预测，因此采用有限元方法研究分析对沥青路面车辙采取处治措施之后的效果，为日后的养护工作提供参考和借鉴，具有十分重要的意义。

2 加铺层路面结构类型选择

对高等级沥青路面进行养护，一般常用的方法是以公路等级、交通量、公路技术状况评定结果(路面破损PCI、路面平整度RQI、路面车辙RDI、抗滑性能SRI和结构强度PSSI)等为依据，同时以路面结构强度指数PSSI为控制指标，再结合具体情况(如抗滑性能，车辙深度等)制定养护维修方案。本文采用某高速公路的8种典型路面结构形式进行数值计算，其结构形式如表1所示。

表1 8个路面车辙处治方案

3 路面材料参数选择

本文采用ABAQUS有限元软件的蠕变分析方法，对路面结构的车辙的产生过程进行模拟。加铺沥青混合料的蠕变参数和弹性模量均通过试验得到，如表2所示，而对于不加铺部分，则认为该层不参与路面结构的车辙变形，故只用弹性模量进行模拟。

4 荷载作用时间

建立有限元模型时，按照荷载应力等效原则，将双圆均布荷载换算成矩形荷载:轮迹长×宽=19.2 cm×18.6 cm，间隙12.8 cm，荷载的累积作用时间按下式计算:

式中:t——荷载累积作用时间，s;

N——轮载作用次数，次;

P——车辆轴重，kN;

nw——轴的轮数，个;

p——轮胎接地压力，MPa;

B——轮胎接地宽度，cm;

v——行车速度，km/h。

根据上述公式计算，可得一次轴载作用时间为0.008 64 s。

表2 沥青混合料的蠕变参数和弹性参数

5 车辙深度数值模拟结果分析与比较

5.1 有限元分析结果

本文采用等参数四节点四边形来构建二维路面结构模型，同时设置合理的边界条件即左右无横向位移，土基底面无竖向位移。同时采用杨氏弹性模量和蠕变特性来综合模拟路面结构的车辙变形，计算车辙深度。

图1～图4给出了加铺AC-20和AC-25不同厚度中面层经历不同作用次数后的车辙深度，并建立关系式，如表3所示。

表3 沥青重铺厚度与车辙深度关系式

图1，图2关系曲线关于加铺层厚度(cm)与车辙深度(mm)的关系曲线和相关系数如下。

图1 沥青铣刨层加铺厚度与车辙深度关系曲线图（AC-20中面层）

图2 沥青铣刨层加铺厚度与车辙深度关系曲线图（AC-25中面层）

同时比较不同工况下的曲线系数A和系数B如图3，图4所示。

图3 系数和轴次关系曲线图（AC-20）

图4 系数和轴次关系曲线图（AC-25）

由此可见，车辙深度为加铺厚度、作用次数两个参数共同作用的结果，对三者进行回归分析，得到它们之间的数学模型为:

式中:H——车辙深度，mm;

h——加铺中面层的厚度，cm;

N——标准轴载作用次数。

5.2 维修后车辙深度最小的最优方案

对于8个不同的方案，作用1 500万次后，其对应的车辙深度如图5所示。

图5 1 500万轴次作用于不同路面方案的车辙深度图

可以看出，所加铺沥青层越薄，车辙深度越小，车辙深度随着加铺厚度的增加而增加。同时加铺AC-20方案的效果优于AC-25方案和AC-20+AC-25的组合方案。

6 结语

1)本文通过有限元分析方法对8个不同加铺方案的路面结构进行车辙模拟，分析车辙深度，作用次数和加铺中面层厚度三者之间的关系，得到数学模型为:

其中，H为车辙深度，mm;h为加铺中面层厚度，cm;A=a ln N+b;B=c ln N+d，N为标准轴载作用次数。

2)对经历过1 500万次作用的8个加铺方案进行计算，得到不同的车辙深度。结果表明，铣刨后加铺沥青层越薄，车辙病害越轻，随着沥青层厚度的增加，车辙反而越严重。而且加铺AC-20中面层方案的抗车辙效果优于AC-25和AC-20+AC-25的组合。

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