土工格栅加筋路面半刚性材料的数值模拟

王晓华 陈天骄 孙 闯

0 引言

“土工格栅”是聚合物材料经过定向拉伸形成的具有开孔网格,较高强度的平面网状材料。它以聚丙烯,高密度聚乙烯或其他高分子聚合物为原料,加入一定量的抗紫外线助剂,经热熔,挤出拉伸等新工艺生产而成。土工格栅在制造过程中经过定向拉伸,使聚合物分子沿拉伸方向排列,加强了分子链间的联接力。它与其他土工合成材料相比,具有重量轻、变形小、抗拉强度高、延伸率低的优点。同时它具有较好的耐酸、耐碱、耐腐蚀和抗老化等性能。玻璃纤维土工格栅是以高强度无碱玻璃纤维通过国际先进的精编工艺织成基材,经表面涂覆处理而成的半刚性制品。具有经、纬双向很高的抗拉强度和较低的延伸率,并具有耐高温、耐老化、耐低寒、耐腐蚀等优良性能,广泛应用于沥青路面、水泥路面及路基的增强和铁路基、机场跑道、防沙治沙等工程项目。

1 有限元分析方法

1.1 有限元方法

有限元分析是使用有限元方法来分析静态或动态的物理物体或物理系统。在这种方法中一个物体或系统被分解为由多个相互联结的、简单、独立的点组成的几何模型。在这种方法中这些独立的点的数量是有限的,因此被称为有限元。40多年来,各种商业通用软件陆续登入市场,它们的应用范围越来越广泛,能处理的问题越来越多,涉及的问题越来越大。目前国际著名的通用程序有几十种,针对不同的领域,它们有各自不同的特点,但是基本思路是一致的。常用的软件有:SAP,ABAQUS,ANSYS,LSDYNA,NASTRAN,ASKA,ADIAN等等。本论文的数值模拟部分,采用大型有限元软件ADINA进行模拟分析。

1.2 Drucker-Prager(DP)材料介绍及其计算准则

1.2.1 DP材料介绍

Mohr提出的强度理论认为,材料的剪切破坏,在发生剪切破坏的剪切面上的最大剪应力τmax就等于该面上的抗剪强度S,而抗剪强度S又与该面上的法向应力有关,即:

根据大量试验资料,Coulomb把它简化成线性方程:

其中,c为土的粘聚力;σ为作用在剪切面上的有效法向应力;φ为土的内摩擦角。

根据该准则,判断一点的应力是否达到了极限平衡状态,主要看这个点的应力圆是否与强度线相切。

1.2.2 土工格栅加筋路面基层结构力学分析

前面已经对有限元软件ANSYS进行了介绍,下面将结合现场的工业性试验运用三维空间有限元法进行路面结构的三维空间力学响应分析。

1.2.3 典型路面结构

本论文根据阜新市彰武县某公路实际情况提出典型路面结构,其结构参数如表1所示。

1.2.4 单元类型与边界条件

路基结构模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸。模型设计中,路面纵向长为6.0 m,横向宽为7.0 m,路面厚度为33 cm,土基厚度3 m。路基材料选用ANSYS单元中的三维实体单元(Solid单元),土工格栅选择壳单元(Shell63)对模型体进行网格划分。对模型路面结构的侧面即左右面Y方向进行约束,整个模型的前后面X方向进行约束,底部完全约束,面层表面作为自由面,不进行任何约束。

为保证计算结果的精度并不致使计算过于复杂,在采用ANSYS有限元软件进行分析计算采用了8节点三维块体单元,并对结构中预计将产生最大应力的部位适当加密了单元网格的划分,远处网格逐步扩大,有裂缝模型层厚度方向采用了较密的单元划分。单元总计:23925个,节点总计:5087个。

表1 模型计算参数

1.2.5 荷载

汽车荷载施加在结构层中可能产生最大应力或结构层最可能损坏的位置,按对称荷载作用位置加载计算。根据《公路沥青路面设计规范》取单轴双轮(轴重 60 kN),双圆荷载,双圆中心距离3δ(δ=9.75 cm)保持不变,接触压力采用均布荷载,轮胎接地压强为ps=0.7 MPa,单轮传压面当量圆直径ds=19.50 cm。

由于在ANSYS中,把面压力规定为追随力,而节点力规定为恒定力,所以模型加载方式采用在路表相应加载位置处的24个单元19个节点上施加等效节点力。

2 有限元计算结果分析

路表弯沉是指在一定荷载作用下路表面的竖向变形,是反映路面整体承载能力高低和使用状况好坏的最直观、最简单的指标。它是由路面各结构层(包括土基)各自变形的综合结果,因此该变形在一定程度上反映了路面各结构层及土基的力学性质。根据我国现行规范要求,以双轮组车辆荷载作用下,在路表面轮隙中心处的弯沉作为路面整体抗变形能力的指标。因此,对位移的分析,主要就是分析路表面轮隙中心处的弯沉。

经ANSYS计算可知在未加格栅和加入格栅的路表轮隙中心处的竖向最大位移分别为1.0533 mm,0.9756 mm,都小于路面设计弯沉值(1.32 mm)。双轮载荷作用于路面时,在两车轮中心路表处产生最大弯沉,而轮隙中心路表处弯沉略有减小。加铺土工格栅的车轮中心的最大弯沉值比未加格栅的最大弯沉值减小0.077 mm,在轮隙中心处弯沉值基本没有变化。

在原路面未铺设土工格栅时,基层底面产生的拉应力达到了0.03 MPa～0.04 MPa,加铺格栅的路面底基层的拉应力降到0.015 MPa～0.02 MPa,可见加铺的土工格栅减少了基层底面的应力集中现象。这是因为土工格栅具有一定的抗弯拉能力,减少基层变形从而降低拉应力集中的现象出现。

通过有限元软件ANSYS进行了模拟分析,得到了标准车辆荷载作用下左右轮隙中心处的弯沉值及道路横断面上的位移云图。

在原路面未铺设土工格栅时,裂缝上面的基层底面产生了较大的拉应力集中,拉应力达到0.05 MPa～0.06 MPa,加铺格栅的路面裂缝处的拉应力降到0.03 MPa～0.04 MPa,使裂缝处的拉应力降低了1倍左右,消除了基层底面的应力集中现象,这是因为土工格栅使开裂断面具有一定的抗弯拉能力,减少裂缝张开变形从而降低裂缝尖端的拉应力集中,土工格栅起到了应力吸收膜的作用,它会吸收下底基层的很多水平运动,分散了裂缝处的应力集中从而阻止裂缝通过基层底面反射到沥青混合料面层。铺加土工格栅发挥了其强度高,变形能力好的优点,使粘结层形成应力吸收膜,在加铺层与基层之间构成缓冲层避免应力集中,增加路面整体刚度,减小和延缓反射裂缝产生,控制路面开裂,延长路面使用寿命,提高了路面的路用性能,也会节省养护开支。

3 结语

1)经ANSYS计算可知在未加格栅和加入格栅的路表轮隙中心处的竖向最大位移分别为1.0533 mm,0.9756 mm,都小于路面设计弯沉值(1.32 mm)。双轮载荷作用于路面时,在两车轮中心路表处产生最大弯沉,而轮隙中心路表处弯沉略有减小;2)加铺土工格栅的车轮中心的最大弯沉值比未加格栅的最大弯沉值减小0.077 mm,在轮隙中心处弯沉值基本没有变化。在原路面未铺设土工格栅时,基层底面产生的拉应力达到了0.03 MPa～0.04 MPa,加铺格栅的路面底基层的拉应力降到0.015 MPa～0.02 MPa,可见加铺的土工格栅减少了基层底面的应力集中现象。这是因为土工格栅具有一定的抗弯拉能力,减少基层变形从而降低拉应力集中的现象出现;3)旧路改造时,在有裂缝的路面加铺土工格栅,可以降低裂缝处基层底面的应力集中。土工格栅起到了应力吸收膜的作用,它会吸收底基层的很多水平运动,分散了裂缝处的应力集中从而阻止裂缝通过基层底面反射到沥青混合料面层控制路面开裂,减小和延缓反射裂缝产生。

[1]陆鼎中,程家驹.路基路面工程[M].上海:同济大学出版社,1990:251-275.

[2]韩 冰.土工格栅在公路路面改建工程中的应用研究[D].西安:长安大学硕士论文,2005.

[3]邓学钧,张登良.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2001.

[4]周志刚,郑键龙.公路土工合成材料设计原理及工程应用[M].北京:人民交通出版社,2001.

[5]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1998.

[6]李凤双.土工合成材料在铁路软基处理中的应用[J].山西建筑,2009,35(7):290-291.

[7]张起森.道路工程有限元分析法[M].北京:人民交通出版社,1983.

[8]陆瑞年.土工格栅加筋结构的三维有限元分析[J].大连理工大学学报,2006(5):390-394.