FLAC3D模拟荷载对路面结构的影响

徐广富

摘   要：本文研究路面结构在荷载下的影响。路面结构的分析道路设计的一个传统的课题，弹性层状体系是目前应用较为广泛的理论，但是该理论也存在较为明显的缺点，例如土基是弹塑性模型等，沥青砼也可以考虑采用蠕变模型，传统的力学分析在应对这些变化的时候的灵活性较差。本文采用较为数值分析软件进行路面结构分析。FLAC3D软件可以采用多种模型组合，受力分析合理，也是一种较为可靠的力学分析方法。FLAC软件采用有限差分法计算，本次分析为简化模型，采用弹性模型模拟各路面结构层。本次模拟了单轴双轮、单轴四轮载对路面结构的影响，并研究弹性范围内路基深度的变化对路面结构的影响。模拟的结果较好的反应了各种反应状况，取得了较好的试验结果。FLAC3D软件是一种有效分析路面结构的软件。路面结构是一种随荷载数量、路基深度变化较为明显的结构体系。

关键词：路面结构分析  FLAC3D软件  数值分析

中图分类号：U416                                  文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）12（a）-0051-03

沥青混凝土路面指的是采用连续式或分批式拌合成的沥青混凝土作面层的路面。经人工选配具有一定级配组成的矿料（碎石或轧碎砾石、石屑或砂、矿粉等）与一定比例的路用沥青材料，在严格控制条件下拌制而成的混合料。

路面結构分析道路设计中较为重要的部分，目前的路面结构设计和分析一般采用的弹性层状体系理论，受该理论假设的影响，目前的力学分析一般局限于传统的弹性力学范畴。

本次采用FLAC3D软件模拟路面、路基在车辆车载受水平、竖向荷载时的受力状态。为简化计算，本次数值分析采用弹性模型。

1  模型分析

本次分析路面结构在车辆水平和竖向荷载条件下的受力情况。如图1所示。

2  程序分析过程

本次分析分别对单周双轮组、单轴单轮组荷载进行了分析和模拟，模拟车辆在静止状态及路口急刹车的状态。

3  沥青砼路面计算理论研究分析

3.1 沥青砼计算原理

沥青砼目前的计算均以弹性层状体系理论为依据，将车辆荷载简化为双圆垂直均布荷载，对沥青砼面层和整体材料的基层、底基层进行层底拉应力验算，必要时进行沥青面层剪应力验算。

单轮承压面当量圆直径d=21.3cm，两轮中心距1.5d，标准轴载100kPa，接地压强0.7MPa。如图2所示。

3.2 沥青砼计算模型假设

半刚性基层沥青砼路面结构计算时进行了如下的简化：

（1）各层连续、均质、各向同性弹性体，位移及形变微小;（2）水平及垂直向下方向无限大;（3）无限远处，形变、位移、应力变化值均为0;（4）不计自重。但本次数值分析考虑材料自重。

3.3 其他影响因素

合理选择相邻结构层之间的模量比，以各层模量比控制在3左右为最好。考虑沥青砼的工作性，尽量按照强度和刚度自上而下逐层递减原则设计。

4  数值分析原理

FLAC3D作为一款优秀的岩土专用分析软件，具有12种岩土本构模型、八种蠕变模型、三种流体、两种热力学模型。该软件可以同时融合静力、动力、温度、渗流的耦合计算，同时也可以模拟较为复杂的工程力学行为。同时FLAC3D的大变形的计算能力也较为突出，故选用FLAC3D进行数值分析是较为合适的。

数值分析可以有效的揭示各层材料的受力状态，同时可以在不增加较多费用的情况下多状态、反复的数值分析，深刻揭示路面结构的受力状态，变形规律等。

5  数值分析

5.1 数值分析

（1）模型分析。

分析标准轴载状态下的路面结构的受力云图。

（2）数值分析取值。

为简化分析，本次模拟中仅考虑路面、路基在弹性范围内的变形特点，对模型中各层材料均采用弹性模型。下表中数据为本次模拟采用的数据。

对模型的边界均进行了约束，对材料按照密度进行赋值。

模拟的荷载采用车轮荷载，模拟轮胎的接地面积0.2m2×0.2m2，竖向荷载采用-0.707e6MPa;根据文献的研究成果，水平荷载与轮胎形状、路面特性、路基干湿状态、车速等有关，甚至可以达到竖向荷载的95%，本次分析根据该成果进行荷载取值。

（3）网格划分。

考虑网格划分尺寸对受力分析的影响，第二个影响因素是考虑划分的网格对加载面的影响。目前的弹性层状理论将车辆荷载考虑为圆形荷载，但是车辆轮胎是矩形，受力呈现中间高，两侧低的特点，采用矩形模拟该受力分布更加合理，但是考虑到本次研究的特点，采用了均布矩形荷载的方式。故对应荷载的特点，网格划分采用了矩形划分的方式。如图3所示。

长宽各采用4m，各划分为40个网格。深度根据分析深度适当简化网格，总厚度1.76m和3.76m两种。

对于侧面和底面均进行了模型约束。

（4）竖向受力状态分析，如图4、5所示。

通过模拟双轮和四轮状态的受力分析模型，可以看出在静止状态下的SZZ受力云图（见图4和图5），四轮受力是互相影响的，并且四轮对沉降变形的影响比双轮状态高，应考虑四轮叠加影响的作用。

图6通过对比土基深度1米和3米状态，可以看出同样是四轮状态，处于弹性状态的路基的沉降受土层深度影响较大，沉降量明显增大。

（5）水平荷载影响

考虑到停车和启动时候的荷载影响，特别是考虑紧急刹车状态下，车辆荷载对路面结构的影响，根据相关文献记载，刹车时产生的水平荷载可以达到车辆竖向荷载的95%，根据该研究成果，竖向荷载采用-0.707e6 MPa，水平向荷载采用0.672e6 MPa。本次分析竖向和水平向荷载同时作用下的道路路面变形特点。

根据竖向位移（变形）云图（图7、8）显示，路面结构在车辆荷载作用下，路面结构产生了明显的变形，车轮前后较大范围均产生了较大变形。

6  结论与展望

6.1 结论

①FLAC3D软件可以较好的分析路面结构在车辆车载作用下的变形特点。

②数值分析过程中同样分析了X、Y、Z方向的单向位移影响，最大、最小应力等多种受力状态等，都表现出了同样的趋势，本次的模拟是较为成功的。

③采用数值分析可以较为可靠的多工况、多方案比选，优化设计参数，对比应力云图得出合理的方案。

6.2 展望

①由于篇幅限制，对于本次模拟、计算过程中的多处环节进行了省略。

本次模拟限于条件限制，对车辆车载产生的动荷载没有进行模拟分析，可以根据现场调查的动荷载或相关资料的研究成果展开动荷载分析研究。

②由于工地、试验等条件限制，本次数值模拟采用了最简单的弹性模型，实际上土体本身可以可以考虑多种模型组合，例如摩尔-库伦模型、粘塑性模型、修正剑桥模型等其他的优秀弹、塑性模型等，更加合理的模拟工程变化的规律。

参考文献

[1] 苏丹.公路桥梁施工合同管理跟踪管理要点研究[J].工程建设与设计，2019（18）：207-208.

[2] 曹航.基于抗车辙功能的高模量沥青混凝土路面结构力学分析[D].石家庄铁道大学，2018.

[3] 延丽丽.基于ANSYS的沥青路面坑槽修补结构仿真分析[D].长安大学，2012.