农村公路结构组合有限元分析

宋焕宇

(平顶山市公路管理局，河南 平顶山 467000)

农村公路虽然设计交通量较低，但实际损害现象也非常严重，很多农村公路早期损害显著。造成这种现象的原因很多，有结构设计的原因，有材料设计的原因，也有荷载超载的原因。本文针对农村公路中典型的沥青路面结构和水泥路面结构进行结构分析，着重探讨车辆荷载作用下路面的结构性能。

1 湖北省农村公路典型路面结构

湖北省在长期的农村公路建设中积累了丰富的实践经验，形成了一些典型的农村公路路面结构型式［1～5］。这些路面结构经济实用，符合本地的施工工艺水平。湖北省农村公路的路面结构形式主要包括面层和基层，只有少数设置了垫层，有的地区基层又细分为基层和底基层。其中，面层包括如下几种类型:水泥混凝土、沥青混凝土、沥青表处、沥青贯入;基层(底基层)包括如下几种类型:水泥稳定碎石、级配碎石、填隙碎石、石灰或水泥稳定土、石灰稳定砂砾、水泥稳定石屑、石灰土、石灰土碎石。

本文路面结构分析包括两个阶段，从湖北省典型农村公路结构中优选一种结构，第二阶段，对优选的结构进行进一步的优化，最终确定面层厚度或基层厚度。其中，沥青路面首先确定基层厚度，然后在基层厚度确定的情况下优化其面层厚度;水泥路面首先确定其面层厚度，再在此基础上确定其基层厚度。

根据对湖北省农村公路的调查研究，第一阶段两组路面结构如表1和表2所示。

表1 沥青混凝土路面典型路面结构

表2 水泥混凝土路面典型路面结构

2 有限元模型的建立

鉴于农村公路的特殊性，根据对湖北省农村公路交通组成的调查研究，结合国内外同类型路面研究成果，以及建模方便，荷载选用均布荷载，平均轴载P=61 kN［6］。选用ADINA 8.3进行路面结构分析［7］。

本文建模采用典型的层状弹性体系，假定各层都是均质各向同性的弹性材料，不考虑结构自重的影响，为更好的模拟空间半无限体［8］，土基在水平方向和向下的深度方向均为无限，整个路面结构层的水平方向位移为零。宽度方向为Y轴，深度方向Z轴。路面结构计算模型见图1。

图1 农村公路结构计算模型

根据规范要求对相关材料的试验确定，不失一般性，并更好地反映试验段的力学性能，计算模型中各结构层弹性模量均按试验路实际参数取值。AC-13的弹性模量为1450MPa，2%水泥稳定粒料的弹性模量为800MPa，3%水泥稳定粒料的弹性模量为1300MPa，二灰土的弹性模量为550MPa。取路基和沥青面层的泊松比为0.35，水泥面层泊松比为0.2，水泥稳定层的泊松比为0.2，层间摩擦系数取0.5。

选用ADINA 8.3 2-D Solid Plane Stress进行路面轮载应力的计算。经过收敛性分析，路面结构共划分为9400个单元，37989个节点，如图2。

图2 网格划分示意图

3 沥青路面结构分析

3.1 沥青路面结构第一阶段结构分析

3.1.1 路表弯沉的影响

荷载作用下路表的各向位移曲线如图3，为了得到准确的弯沉值，这里取两轮中心处节点在荷载作用下的竖向位移作为路表计算弯沉值。分析结果如图4所示。

图3 垂直荷载作用下的竖直方向位移云图

图4 路表弯沉

从图4可以看出，对于拟订轴载61kN，不同的路面结构下，弯沉值的变化方式并不是完全按照基层厚度线性变化;对于结构A和结构B，路表弯沉值明显较其它结构类型高。

3.1.2 各层层底最大主应力的影响

基层底面最大的主应力和底基层底面的最大主应力的值如图5所示。

图5 面层和基层层底最大主应力

从图5可以看出，层底的最大主应力随结构层厚度变化而变化。不同路面结构基层底面的最大主应力变化曲线相差不大。D结构的面层底最大主应力最小。E结构虽然面层较厚，但是对面层底最大主应力的改善贡献不显著。

3.1.3 土基顶面最大压应变

土基顶面最大压应变计算结果如图6所示。

图6 土基顶面最大压应变

由图6可以看出，结构D的土基顶面最大压应变最小。

3.1.4 底基层底面的最大弯拉应力

计算所得的底基层层底最大弯拉应力如图7所示。

图7 底基层的最大弯拉应力

由图7可以看出，结构D的底基层层底最大弯拉应力最小。

综合路表弯沉、各层层底最大主应力、土基顶面的最大应变和底基层底的最大弯拉应力的分析结果，推荐D结构类型为最合理基层厚度，由此在下一阶段继续确定沥青路面结构的面层厚度。

3.2 沥青路面结构第二阶段结构分析

由于第一阶段确定了基层承载力D结构类型最为合理，本阶段采用有限元方法，对不同面层厚度的结构进行分析，比较分析结果，确定面层厚度。考虑到路面面层厚度变化对弯沉值等其它指标的影响不会太大，确定面层厚度主要以面层层底最大弯拉应力为要参考依据。

第二阶段路面结构建模如表3所示，在基层、底基层保持不变的情况下，对面层厚度进行优化。

通过数值分析，得出以上五种面层厚度下，面层层底最大弯拉应力如图8所示。

由图8可以看出，随着面层厚度的增加，面层的层底最大弯拉应力减小。面层层底的最大弯拉应力在D1结构和D3结构之间的减小幅度非常显著，而在D3结构后减小幅度相对较小。因此，考虑到经济性，推荐D3路面结构为最合理面层厚度。

表3 沥青混凝土路面结构

图8 面层底最大弯拉应力

4 水泥路面的路面结构分析

4.1 水泥路面结构第一阶段结构分析

4.1.1 路表弯沉的影响

水泥路面数值分析的路表弯沉计算结果如图9所示。

从图9可以看出，对于拟订轴载61kN，不同的路面结构下，弯沉值的变化范围虽然不是很大，但是基本显示出弯沉与面层厚度的对应关系，即面层厚度增加，弯沉有少量减少。

4.1.2 土基顶部的最大压应变

水泥路面数值分析的土基顶部的最大压应变结果如图10所示。

图10 土基顶部最大压应变

从图10可以看出，对于拟订轴载61 kN，不同的路面结构下，土基顶面的最大压应变的变化范围虽然不是很大，但是基本显示出土基顶部的最大压应变与面层厚度的对应关系，即面层厚度增加，土基顶部的最大压应变有少量减少。

综合路表弯沉和土基顶面的最大压应变的分析结果，推荐d结构类型为最合理面层厚度，由此在下一阶段继续确定水泥路面结构的基层厚度。

4.2 水泥路面结构第二阶段结构分析

第一阶段确定了面层结构为d种路面结构最为合理，因此在第二阶段主要确定路面基层厚度，而路面基层厚度的确定主要参考参数为弯沉值和基层层底最大弯拉应力。

第二阶段建模路面结构如表4。在面层保持不变的情况下，对基层厚度进行优化。各结构面层层底最大弯拉应力、弯沉结果见图11、图12。

表4 水泥混凝土路面结构

图11 基层层底最大弯拉应力

图12 路面弯沉

由图11、图12可发现，基层的层底最大弯拉应力基本上是随着基层的厚度增加而增加的，d1结构和d3结构之间的应力跨度比较大，而d3种结构之后的应力跨度比较小，而弯沉值的变化也不是很明显，由此通过这两种参数的比较，在安全性和经济性的角度考虑，我们推荐d3种路面结构的基层为最合理基层厚度。

由图11可以看出，随着基层厚度的增加，基层的层底最大弯拉应力基本上呈增大趋势。基层的层底最大弯拉应力在d1结构和d3结构之间的增大幅度非常显著，而在d3结构后增大幅度相对较小。图12可以看出，弯沉值的变化随基层类型的变化逐渐减小。因此，考虑到经济性，推荐d3路面结构为最合理面层厚度。

5 结语

本文通过对低交通量道路典型沥青路面结构的数值仿真分析，以湖北省典型农村公路结构为基础，对各种结构的性能进行了比较，并在此基础上，对农村公路结构进行了优化，确定了低交通量农村公路沥青路面和水泥路面的典型路面结构形式。为今后湖北省农村公路的建设提供了力学依据，为又好又快地建设湖北省农村公路提供了技术支持。

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