基于有限元法的彩色半柔性路面结构力学响应规律分析

陈向阳 金俊杰 周四军

(无锡市政建设集团有限公司 无锡 214000 )

随着我国车辆增长较快，轴载增大，传统的半刚性基层沥青路面在重载或渠化交通路段的适用性不强，较易出现结构性车辙等问题。而随着交通水平的提高，驾驶人也越来越重视行驶过程中的视觉舒适性，因此也就对路面色彩与环境融合的协调性提出了更高的要求[1-2]。彩色路面能够利用色彩区分车道功能、引导车流，但现有的彩色路面主要应用于公交车道等渠化交通路段，在高温及重载条件下不仅结构性变形病害突出，还会出现色彩耐久性不足等问题，进一步制约城市道路交通功能服务水平的提高。

彩色水泥半柔性路面通过在水泥胶浆中掺入颜料进行着色，然后将其灌入到大孔隙开级配沥青混合料里，经过养生后，形成灌入式彩色半柔性沥青路面[3]，具备突出的高强度、高耐久性、高抗变形能力。王文杰[4]利用车辙试验等评价彩色半柔性混合料的一系列路用性能，结果表明其具有优良的高温稳定性、疲劳性能及水稳定性。刘长翛[5]通过室内性能试验研究得出，彩色灌浆复合材料的高温稳定性能比热拌沥青混合料好，低温性能略有一定程度降低，水稳定性能基本符合要求。曹朋辉等[6]对不同色粉种类、配比的水泥胶砂开展强度、干缩和水流动度试验，结合胶砂试件性能并考虑造价，确定最佳色粉掺量。武汉市市政建设集团有限公司[7]提出一种应用于公交专用车道的低噪声彩色半柔性路面结构，包括由上至下设置的透水彩色沥青面层、半柔性铺装层、沥青混合料面层和水泥稳定碎石基层，具有降噪、排水、抗滑等多重功能，具有较好的耐久性。此外，对于提升渠化交通沥青路面抗车辙性能还可以通过添加抗车辙剂来进行改性[8]，但相对不如彩色半柔性路面效果好。据此，当前针对彩色半柔性路面的研究相对较少，且相对集中于材料路用性能的室内试验研究，对于彩色半柔性路面结构整体的力学性能分析研究相对较少，而力学分析可以探究路面结构的不利受力条件，更好地指导彩色半柔性路面结构设计。本文从弹性层状体系出发，借助三维有限元分析软件ABAQUS建立彩色半柔性路面结构三维仿真有限元模型，分析在标准轴载作用下的水平拉应力、拉应变、最大剪应力、压应变及路表弯沉的空间力学响应规律，接着选择3种不同荷载工况,并确定接地压强，对于关键力学响应指标进行轴载变化性分析，并基于上述两部分分析，对彩色半柔性路面结构的结构特点与适用性进行总结归纳。

1 彩色半柔性路面结构计算模型

1.1 弹性层状体系假定

研究采用弹性层状体系理论，基本假定[9-10]如下。

1) 各结构层为均质、连续、各向同性的弹性体。

2) 各路面结构层间连续，无位移及相对滑动，各层间应力传递连续。

1.2 路面结构组合及材料参数

彩色半柔性路面结构组合：面层采用4 cm彩色半柔性沥青混凝土(SFAC-13)+6 cm中粒式沥青混凝土(AC-20C)+8 cm粗粒式沥青混凝土(AC-25C)+20 cm水泥稳定碎石基层+15 cm水泥稳定碎石底基层，其结构示意见图1。

图1 路面结构组合

采用的彩色半柔性路面结构层参数见表1。

表1 路面结构层的材料参数表

1.3 荷载条件

采用BZZ-100单轴双轮组标准荷载，轮胎充气压力为0.707 MPa，双轮轮胎荷重为50 kN，轮印采用正方形，单个轮胎作用面积近似尺寸为18.9 cm×18.9 cm，双轮间距为34 cm，两侧轮隙间距为180 cm。

1.4 单元类型及边界条件

本文采用的计算模型为路面三维模型，尺寸为6 m×4.5 m×3 m。为保证模型计算结果的准确性，同时提高软件运算效率，采用三维八节点减缩积分单元，选取0.02 m作为近似全局网格布置尺寸，并根据空间尺度需要在路面结构各层进行加密。

边界条件：X(行车方向)、Z(路幅方向)均为轴向约束，结构底面土基底部为固定约束，路面顶层完全自由。路面结构有限元模型、单元划分情况、载荷施加位置与边界约束条件见图2。

图2 路面结构三维有限元模型、网格划分模型及边界约束

2 标准轴载下的力学响应规律

2.1 最大剪应力

彩色路面结构的最大剪应力沿深度方向分布情况见图3。由图3可见，最大剪应力呈现先增大后减小的趋势，最大剪应力峰值出现在路面结构4 cm处，最大剪应力峰值为0.402 MPa，到达水稳基层后迅速降低，为0.181 MPa，到路基处最大剪应力水平骤降，最大剪应力为0.014 MPa，随后逐渐趋于0。相比于传统的半刚性基层沥青路面，本研究分析的彩色半柔性沥青路面最大剪应力峰值位置基本一致，但应力水平在经过峰值之后，数值大小迅速降低，这是因为彩色半柔性层模量较大，与下层结构模量差较大时，剪应力消散主要由半柔性层承担，且消散水平较快，与传统半刚性基层沥青路面相比，可有效避免因剪应力累积作用而造成结构性车辙等问题。

图3 路面结构最大剪应力分布图

2.2 水平拉应力

选择沿行车方向的纵向水平拉应力作为分析指标，其应力分布与路面深度关系见图4。

图4 路面结构纵向拉应力分布图

由图4可见，彩色半柔性层及沥青层处于受压区，拉压交界处位于水泥稳定碎石基层，水平拉应力最大值位于水泥稳定碎石底基层层底，数值大小为0.103 MPa，相比于水泥稳定碎石基层层底的水平拉应力0.061 MPa，增大了68.8%，随后在路基处进入压应力区，应力水平约为0.01 MPa，影响较小。彩色半柔性路面对于降低半刚性基层、底基层层底的拉应力水平效果明显，应力水平数量约为0.1 MPa，说明其比传统的半刚性基层沥青路面更不容易出现基层开裂，从而造成沥青层反射裂缝等。因为半柔性层的介入，其具有良好的抗弯拉性能，刚度接近于半刚性材料，使得拉应力传递至中性面位置后早已得到有效降低。

2.3 水平拉应变

选择沿行车方向的纵向水平拉应变作为分析指标，其应力分布与路面深度关系见图5。

图5 路面结构纵向水平拉应变分布图

由图5可见，其分布规律与纵向水平拉应力分布形态基本一致，彩色半柔性层处于受压区，进入沥青层后处于拉应变区，拉压交界处为彩色半柔性层层底位置，拉应变最大值位于底基层层底，为0.000 102，相比于基层层底增大了76.5%，在路基处位于拉应变区，并逐渐降低，进一步验证了彩色半柔性路面整体具有较好的抗拉性能。

2.4 压应变

路面结构的压应变随深度方向分布图见图6。

图6 路面结构的压应变分布示意图

由图6可见，压应变峰值位于彩色半柔性层层底，数值大小为0.000 31，由于半柔性材料模量较大，能够较好地承受竖向荷载，随后在半刚层底基层层底降至最低，数值大小为0.000 069，进入路基后压应变数值增大，数值大小为0.000 19，路基顶面竖向压应变应作为控制路基不产生过大变形的关键指标。

2.5 路表弯沉

图7为路表弯沉随深度方向分布情况，该弯沉值可以反映路面结构的整体强度。选取轮载作用下的竖向变形弯沉值最大值，其路表弯沉为37(0.01 mm)，处于较低水平，相较于普通沥青路面，彩色半柔性层在面层部位为全断面高模量，而不是逐渐递减，在同等荷载水平下，彩色半柔性路面使得整体竖向变形较小，表明该路面结构强度足够。

图7 路面结构的竖向变形分布示意图

3 重载条件下关键力学指标响应规律

3.1 荷载工况及分析指标选取

选择3种不同荷载工况下(单轴双轮轴重分别为100,150,200 kN)确定的接地压强，在进行荷载设置时，通常有如下3种设计：荷载作用模式1：轮胎与路面的接地压强随轴载按比例增加，接地面积及其中心间距保持不变；荷载作用模式2：接地压强保持为0.7 MPa，轮胎与路面的接地面积随轴载按比例增加，但接地面积中心间距保持不变；荷载作用模式3：接地压强和接地面积随轴载的增加而增加，但接地面积中心间距保持不变。

本研究为静力分析，荷载幅值仅增加1倍，因此单元类型、边界条件与接地面积对荷载变化相对不敏感，为简化计算，提高运算效率，采用了荷载作用模式1。此外，为充分反映数值规律，选择车辆荷载下方正中心力学特征作用路径作为空间力学响应规律分析主路径。通过上述路面结构力学响应规律来看，综合考虑SFAC层的受力特性与材料层位，选取作为最大剪应力峰值、半刚性基层层底拉应力、路基顶面竖向压应变、路表弯沉关键力学指标的分析群体。

图8a)为不同荷载工况下彩色半柔性路面结构最大剪应力峰值变化规律图。由图8a)可见，随着轴载作用增加，整个路面结构的最大剪应力峰值增长较快，峰值位置均位于4 cm处，数值变化由0.4 MPa、0.6 MPa增长至0.8 MPa，彩色半柔性层由于具备水泥混凝土路面优良的高强特性，其抗剪性能优于传统的半刚性基层沥青路面，最大剪应力峰值变化幅值低于SFAC层所能承受的最大剪应力。

图8b)为在3组轴载作用下力学指标情况。从图中可见，SFCG路面为彩色半柔性层及沥青层处于受压区，拉压交界处位于水泥稳定碎石基层，水平拉应力最大值位于水泥稳定碎石底基层层底，随着轴载增大、水平拉应力最大值变化相对较小，从0.1 MPa、0.15 MPa增长至0.2 MPa。

如图8c)所示，路基顶面竖向压应变在3组轴载作用下，数值大小分别为：6.87×10-5、-1.03×10-4、1.37×10-4，相对来说数值较小，说明SFCG路面对于保护路基作用较为突出。

图8d)为路表弯沉的示变化意图。由图可见，随着轴重增大，路表弯沉由36、54(0.01 mm)增至71(0.01 mm)，整体弯沉增长与轴载变化保持一致，说明SFCG路面在2倍标准轴载作用下的结构抗力水平较好，与传统半刚性基层沥青路面相比整体强度较大，可用于重载或者渠化交通路段。

图8 不同荷载工况下的彩色半柔性路面结构关键力学指标响应规律

4 结论

本研究通过分析彩色半柔性路面的力学响应规律，总结出关键力学响应指标，设置3组不同轴载的分析工况，进一步对分析变化特征进行了规律总结，阐述了彩色半柔性路面结构的结构特点与适用性，研究结论如下。

1) 彩色半柔性最大剪应力峰值出现在路面结构深度4 cm处，最大剪应力峰值为0.402 MPa，到达水稳基层后迅速降低，与传统半刚性基层沥青路面相比彩色半柔性路面结构最大剪应力峰值位置基本一致，剪应力应力水平及影响深度、拉应力水平较小，并且具有良好的整体结构强度。

2) 归纳选择最大剪应力峰值、水泥稳定碎石层层底拉应力、路基顶面竖向压应变、路表弯沉作为关键力学指标。

3) 彩色半柔性路面结构在2倍标准轴载作用下的结构抗力水平较好，关键力学指标响应相对可控，相比于半刚性基层沥青路面整体强度较大，可用于重载或者渠化交通路段。