车辆荷载作用下沥青路面的动力响应研究

兰家泉

(广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530029)

0 引言

近年来,随着我国交通工程的不断推进,高速公路的总里程数迅速增加,其覆盖范围得到了巨大的改善。然而,高速公路建设中的问题也显露出来,例如道路的使用寿命较短。因此,对工程质量提出了越来越高的要求。沥青路面因其具有整体强度高、低振动、良好的稳定性等优点,得到了广泛应用。但沥青路面的劣化问题随着高速公路里程的增加变得更加明显,导致高速公路常常无法达到预期的使用寿命。沥青路面的劣化原因通常被认为是长期的车辆荷载与日照、降雨等外部环境因素的共同作用导致的[1]。

本文基于离散元方法,利用PFC 3D软件建立沥青路面的三维数值模型,考虑车辆与路面之间的相互作用,施加车辆荷载,对车辆与道路之间的相互作用进行模拟,为高速公路沥青路面的细观力学响应特征和劣化机制的研究提供了借鉴。

1 离散元方法基本理论

目前常用的离散元软件主要为PFC 2D/3D和UDEC/3DEC,其中PFC 2D/3D基于颗粒流离散元方法,其基本单元为圆盘形和球形,而UDEC/3DEC则基于块体离散元方法,其基本单元为块体,考虑到沥青路面的基本组成及其相关性质,本文采用PFC 3D软件进行相关建模和计算分析。

颗粒之间的接触关系是直接决定计算结果的,因此正确选择PFC的接触本构模型是提高计算结果可信度的关键。PFC常用的接触本构模型包括线性接触模型、平行黏结接触模型以及接触黏结模型等。

相对于其他模拟分析方法,PFC程序在模拟岩土体材料的力学特性方面优势突出:(1)具有潜在的高效率,因为圆形颗粒间的接触相比于角状物体间的接触更简单;(2)PFC可以模拟大变形,对位移的大小没有限制;(3)由于颗粒之间是相互粘结的,不像一个整体,故在PFC中试样可以发生破裂。同时,虽然PFC软件的交互性较差,但软件内置外接程序的FISH语言可以满足很多用户特定需求,从而大大提升软件的灵活性,使其能更广泛地解决各种各样的复杂岩土工程问题。

2 沥青路面模型的建立

2.1 细观参数的标定

本文研究的沥青路面从上至下共分为4层,其中第一层为沥青混凝土层AC-13,厚度4 cm;第二层为沥青混凝土层HMAC-20,厚度6 cm;第三层为沥青稳定碎石层ATB-25,厚度8 cm;第四层为水泥稳定碎石基层,厚度18 cm。

室内力学试验可直接获得宏观力学参数,包括抗压强度、内摩擦角、粘聚力等。而PFC的数值试验与之不同,是通过各种细观参数来表达试样的宏观力学性质。通过前期进行的室内力学试验,主要为单轴压缩试验,数据可作为标定PFC细观参数参考的宏观力学参数。

PFC 3D建模中涉及的细观参数很多,主要包括:(1)表征试样物理性质的参数,包括颗粒的粒径范围和级配、颗粒体系的堆积密度、空隙率等;(2)表征颗粒本身的力学性质的参数,包括颗粒有效模量、颗粒刚度比等;(3)表征相邻颗粒接触处粘结的力学参数,包括平行粘结模量、平行粘结刚度比等。这些参数共同作用,决定了数值试样在试验中的宏观力学性质。一般情况下,无法通过室内岩石试验得到的岩石宏观力学参数确定PFC中所需的细观参数,对于细观参数的标定方法,通常为进行大量的数值试验,通过试错法不断调整细观参数,使试样的宏观力学特性不断接近室内试验得到的结果。路面各结构层的细观参数拟合曲线如图1所示。通过细观参数标定得到的PFC细观参数见表1和表2。

表1 面层细观参数表

表2 基层细观参数表

图1 细观参数拟合曲线图

2.2 离散元路面模型的建立

根据路面的几何尺寸和材料的级配,以及已标定的材料细观力学参数,采用分层生成的方式建立沥青路面模型,最终路面模型如图2所示。

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图2 沥青路面模型图

2.3 荷载施加

沥青路面的劣化原因通常被认为是车辆荷载与外界环境因素的共同作用导致的,其中车辆荷载是导致沥青路面变形破坏的主要原因。本文分别施加静载、振动荷载以及移动荷载,来模拟路面在车辆荷载长期作用下的力学响应特征。

3 静态荷载作用下的路面响应

3.1 静载作用下的路面响应

本文将荷载作用区域简化为正方形,在静载的作用下,得到了加载不同阶段下道路的位移云图如图3所示。

(a)加载初期

由图3可知,在静载的作用下,颗粒位移在颗粒之间的相互作用下逐渐增大且向四周扩散,颗粒位移随着颗粒与荷载作用面的距离增大而减小。

荷载作用面正下方的竖向正应力的时程曲线如图4所示。

图4 路面各结构层纵向正应力时程曲线图

由图4可知,应力值为负值时表示其处于受压状态,应力值为正值时表示其处于受拉状态。其中路面模型的上面层和中面层受到压力,且上面层的压应力值最大,下面层和基层受到拉力,下面层的拉应力值最大。

3.2 振动荷载下的路面响应

对路基模型施加半正弦振动荷载。其中峰值为25 kN,作用时间为0.6 s,频率10 Hz,如图5所示。

图5 半正弦振动荷载图

监测荷载正下方的应力与位移,得到路面各结构层位移以及不同深度的应力,如图6、图7所示。

图6 各结构层垂向位移时程曲线图

图7 不同深度垂向正应力时程曲线图

路面垂向位移可以反映出路面各结构层的整体强度与刚度,是设计中的重要力学指标。由图6可知,各个结构层位移分布趋势基本一致,垂向位移随着路面深度的增加而减小,其中上层面的垂向位移最大,基层的垂向位移最小。

由图7可知,不同深度的垂向正应力分布趋势与位移分布类似,也呈现半正弦分布,不同深度的垂向正应力均为压应力,随着路面深度的增加而减小,其中路表压力最大,达到了0.72 MPa。

4 移动荷载作用下的路面响应

本文中施加的移动荷载假设车辆沿着直线匀速行驶,作用面为正方形(如图8所示),以研究路面各结构层的响应。

图8 移动加载模型图

计算得到移动荷载作用下的路面各结构层的垂向位移时程曲线和垂向正应力时程曲线如图9、图10所示。

图9 各结构层垂向位移时程曲线图

图10 不同深度垂向正应力时程曲线图

由图9可知,各个结构层位移分布趋势基本一致,垂向位移随着路面深度的增加而减小。随着荷载向测点逐渐移动,各结构层的垂向位移增加,当荷载移动到测点正上方时,对应的垂向位移达到最大值。

由图10可知,各个结构层的应力分布趋势基本一致,沥青路面的各个结构层均承受压应力。但对于不同结构层,其对移动荷载的响应时间不同,即随着深度的增加,垂向正应力逐渐减小,但应力响应时间逐渐延长。

5 结语

本文基于离散元方法,利用PFC 3D软件建立沥青路面的三维数值模型,考虑车辆与路面之间的相互作用,施加车辆荷载,对车辆与道路之间的相互作用进行模拟,主要结论如下:

(1)通过PFC 3D建立沥青路面几何模型,并通过单轴压缩试验结果进行细观参数标定,可得到符合实际情况的沥青路面离散元数值模型。

(2)沥青路面在静载作用下,颗粒位移在颗粒之间的相互作用下逐渐增大且向四周扩散,位移随着颗粒与荷载作用面的距离增大而减小。路面模型的上面层和中面层受压,且上面层的压应力值最大,下面层和基层受拉,下面层的拉应力值最大。

(3)沥青路面在振动荷载作用下,垂向位移随着路面深度的增加而减小,其中上层面的垂向位移最大,基层的垂向位移最小。不同深度垂向正应力呈现半正弦分布,随着路面深度的增加而减小。

(4)沥青路面在移动荷载作用下,随着荷载向测点移动,垂向位移逐渐增大,当移动荷载移动至测点正上方时,对应的垂向位移达到最大值。随着深度的增加,垂向正应力逐渐减小,但应力响应时间逐渐延长。