基于ANSYS的设缝沥青路面结构力学行为研究

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　　摘要：为了研究在沥青路面横向和纵向设置变形缝后的抗变形能力和影响路面附加应力的主要因素。基于ANSYS技术建立了路面结构与地基相互作用的有限元模型，通过正交实验分析了路面结构在地基差异沉降时的受力性能和影响路面附加应力各因素的敏感性。结果表明：地表正负曲率变形时，设缝路面基层差异沉降、面层和基层底部最大水平附加应力较不设缝路面均有显著减小；建议在设缝沥青路面结构优化设计中以路面宽度、差异沉降量和基层厚度作为控制要素。
　　关键词：附加应力；敏感性；沥青路面；变形能力；ANSYS
　　中图分类号：U 416.217　文献标识码：A　文章编号：1671―4431(2011)02-0087-04
　　
　　目前，地基差异沉降区新建道路或道路治理仍然采用传统的路面结构。存在地基差异沉降的采空区路基路面治理一般采用常规的基础处理方式或者在路面结构层铺设土工格栅来控制路基路面变形过大而破坏路面，其抗变形能力有限。可以通过在沥青路面结构中设置横向和纵向变形缝吸收变形能来提高沥青路面的抗变形能力。基于ANSYS技术建立了路面结构与地基相互作用的有限元模型，研究了设缝沥青路面结构的力学性能。
　　
　　1　计算模型
　　
　　1.1　计算模型假定
　　考虑路面路基层间连续条件，进行有限元分析，计算假定如下：1)路面各结构层为连续均质、各向同性的线弹性材料，力学特性用弹性模量E和泊松比μ表征；2)路面各结构层在垂直方向上完全连续，即路基不均匀变形随使用时间缓慢增长，路面各结构层在交通荷载与自重作用下随之下沉，层间不会出现脱空现象；沥青面层、基层为连续接触条件3)按平面应变问题分析；4)填充橡胶材料与路面接触为光滑接触，路面横断面两侧垂直，忽略道路边坡影响；5)因为填充材料弹性模量远远小于路面材料的弹性模量(其两者模量之比大于1／10)，故可忽略变形缝水平应力对路面结构的影响。
　　
　　1.2　计算模型
　　计算区域的选取直接关系到计算结果的准确性和计算的效率。计算区域的选取需要考虑两方面的因素，既要满足计算精度的要求，又要满足计算的硬件要求，使模型尽可能小，提高计算的效率。考虑道路为线性工程，在长轴线方向上可以认为应变为0，因此此次数值模拟采用平面应变模型，模型的尺寸以基础引起的附加位移不足以影响模型边界为原则。确定基础模型长150m，高10m，路面顶部宽15m，道路填高1.2m，边坡坡比为1:1.5。有限元网格划分见图1。
　　
　　1.3　计算材料参数和计算单元选取
　　计算中选用的材料本构模型如下：路面面层、基层、底基层：弹性模型；路基层、基础：D-P模型。
　　弹性模型输入的参数包括材料的弹性模量、泊松比；D-P模型需输入的参数包括材料的弹性模量、泊松比μ、粘聚力c、剪胀角φ等。材料均采用PLANE82单元进行离散处理。材料参数见表1。
　　
　　1.4　模拟方案
　　数值模拟分别对地表不同半径正负曲率变形时进行模拟，并计算在不同曲率变形时路面各层的不均匀变形量和应力大小。数值模拟方案设计如下：1)地表正负曲率半径：考虑路面的宽度和不均沉降量对路面结构附加应力的影响，分5种工况进行模拟计算，半径分别取400m、600m、800m、1000m和1200m；2)设缝时路面与不设缝时路面附加应力分析：考虑不加载和加载两种工况，分析基层、面层差异沉降以及路面各层应力变化规律。
　　
　　2　数值模拟结果分析
　　
　　2.1　差异沉降分析
　　该数值模拟在路面中央根据不同地表变形曲线半径设置不同缝宽的变形缝进行数值计算。路面不加载计算结果见图1，由图2可以看出对于相同地表变形，负曲率变形设缝路面基层不均匀变形比不设缝路面减小了70.1％，正曲率变形设缝路面基层差异沉降比不设缝路面减小了70.9％。在相同的地表变形下，要减小路面差异沉降可以通过减小路面宽来实现，设缝后路面结构差异沉降有了大幅降低。
　　
　　2.2　附加应力分析
　　根据不加载模拟方案分别进行了仿真模拟得图3、图4，可以看出，路面设置变形缝后，基层和面层水平附加应力均有显著降低，设缝有利于减少差异沉降区路面破坏的几率。由图3和图4可以看出，路面结构面层和基层底部水平附加应力随地表变形曲率半径的增大而减小。设缝模型在地表正曲率变形时，由图4可以看出，路面结构设缝后面层和基层底部最大水平附加应力有了明显的减小，面层减小了约59.9％，基层减小了约59.7％；设缝模型在地表负曲率变形时，由图4可以看出，路面结构设缝后面层和基层底部最大水平附加应力有了显著的减小，面层减小了约63.3％，基层减小了约63.8％，设置变形缝后路面结构内部附加应力明显降低，其附加应力的减小有利于减少路面破坏。
　　
　　
　　
　　
　　
　　
　　根据加载模拟方案分别进行了仿真模拟得图5～图8，设置变形缝后，加载后设缝模型基层和面层水平附加应力比不设缝模型均有大幅降低。地表在正曲率变形时，其变形近似于给路面结构施加了一“预应力”，在车辆的作用下有利于保护路面结构，但路面结构内部产生的附加剪应力有可能造成路面结构各层错层，使路面开裂，不利于路面结构受力；地表负曲率变形时，荷载在路面各层产生的附加应力和地表变形产生的附加应力同号，负曲率变形对道路结构明显不利。
　　
　　2.3　敏感性分析
　　路面附加应力是在多因素影响下的综合表现。不均匀沉降量、面层基层弹模、面层基层厚度和路面宽度等因素都不同程度地影响路面各层附加应力的大小，由于影响因素较多，通过正交实验可以找到起控制作用的主要因素。
　　路面附加应力主要与不均匀沉降量、面层基层弹模、面层基层厚度和路面宽度有关。在分析路面附加应力时主要考虑以上6个因素，并把每个因素取3个水平，各因素及其水平取值见表2。
　　由数值模拟结果方差分析得出，6个因素对面层底部附加应力的影响程度大小依次为：路面宽度>不均匀沉降量>基层厚度>基层模量>面层厚度>面层模量；6个因素对基层底部附加应力的影响程度大小依次为：路面宽度>不均匀沉降量>基层厚度>基层模量>面层模量>面层厚度。因此，对于面层和基层底部水平附加应力，路面宽度和不均匀沉降量对路面结构内部附加应力为主要影响因素。对减小路基差异沉降对沥青路面结构的附加力学响应而言，影响路面结构层的附加力学响应的主要因素为路面宽度和不均匀沉降量，所以可以在不影响道路行驶能力的前提下，可在道路的中线处设置变形缝来提高路面的抗变形能力。
　　
　　3　结论
　　
　　在相同地表变形条件下，数值模拟研究了不设置和设置变形缝沥青路面结构内部附加应力的变化规律和路表不均匀变形量的变化规律，主要得到以下结论：
　　a.在相同的正负曲率变形条件下，设缝模型比不设缝模型的差异沉降平均分别降低了79.99／6和78.8％，说明在路面结构设置变形缝后路表差异沉降量有了明显的降低，其有利于减小路面结构内部附加应力。
　　b.在相同的正负曲率变形条件下设置变形缝后其附加应力得到大幅降低。正曲率模型，对于设缝模型轮载产生的基层层底应力和附加应力方向相反，使得基层的底部应力状态由受压变为受拉，相当于给基层施加了一受压“预应力”，而在轮载的作用下其受一拉应力，其受力状态有利于保护路面结构。
　　c.通过正交试验分析得出：路面宽度、不均匀沉降量、基层厚度、基层模量、面层厚度和面层模量6个因素对基层底部附加应力的影响程度大小依次为：路面宽度>不均匀沉降量>基层厚度>基层模量>面层模量>面层厚度，在路面结构层的优化设计中应以路面宽度、差异沉降量和基层厚度作为控制要素。
　　
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