泰安市农村公路沥青路面结构有限元分析

刘锋锐 王 勇

(1.济南高新控股集团有限公司，山东济南 250101;2.胶南市建筑工程质量监督站，山东青岛 266400)

1 概述

沥青路面结构的组成部分包括面层、基层和垫层三部分。路面作为一类土木工程结构物，设计时必然要考虑在荷载作用下的应力、应变大小，这是结构设计的基础。由于路基支承、受力状况、路面材料性质、自然因素等因素的不确定性，从这些要素入手对路面结构进行完善的力学分析是十分困难的，因此一般的研究思路是对路基结构进行分类，根据各类路面结构变形和破坏特征，采取相应的理论和方法进行分析。本文则采用有限元法来对沥青路面结构进行分析。

2 有限元计算软件ADINA简介

2.1 一般问题的ADINA分析步骤

1)创建有限元模型或读入几何模型、定义材料属性、划分单元(节点及单元)、施加约束、施加荷载。2)对施加荷载进行求解并进行求解控制(时间步、分析假设、时间函数等)。3)查看结果，检验结果(分析是否正确)。

2.2 应用ADINA建立路面结构分析模型

1)理论体系:采用层状弹性体系理论分析沥青路面;采用层状弹性地基单层板和层状弹性地基双层板理论分析水泥混凝土路面。它的基本假定有:路面结构由多个性能不同的层次组成，在圆形均布荷载的作用下，呈现轴对称的特性;每个层次都是由均质的、各向同性的线弹性材料组成，材料性能可采用弹性参数E，μ表征;结构的最下层为水平向无限延伸的半无限体，其上各层为水平向无限延伸、竖向有一定厚度的层次。2)荷载:路面设计以单轴双轮组100 kN为标准轴载。模型加载方式采用在路表相应加载位置处施加双圆垂直均布荷载或单圆垂直均布荷载，双圆垂直均布荷载当量圆直径d=21.3cm，圆心间距为1.5d=31.95 cm，轮胎接地压强p=0.7 MPa;单圆垂直均布荷载当量圆直径d=30.2 cm。3)结构模型:路面结构在水平方向和深度方向取其有限尺寸。按照层状弹性理论进行分析。4)划分网格:应用三维实体单元(3-D Solid单元)对模型体进行网格划分。5)边界条件:对路面结构模型的侧面即左右面Y方向进行约束，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。

2.3 基于ADINA的路面结构有限元分析的实例及验证

新建沥青路面结构计算示例JTG D50-2006公路沥青路面设计规范。

新建高速公路地处Ⅱ2区，为双向四车道，拟采用沥青路面结构进行施工图设计，沿线土质为中液限黏性土，填方路基高1.8 m，地下水位距路床2.4 m，属中湿状态;年降雨量为620 mm，最高气温35℃，最低气温-31℃，多年最大道路冻深为175 cm，平均冻结指数为882℃，最大冻结指数为1 225℃。

设计路段路基处于中湿状态，路基土为中液限黏性土，根据室内试验法确定土基回弹模量设计值为40 MPa。

根据地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了三个结构组合方案:

方案1:

4 cm细粒式沥青混凝土+6 cm中粒式沥青混凝土+8 cm粗粒式沥青混凝土+38 cm水泥稳定碎石基层+17 cm水泥石灰砂砾土层。

方案2:

4 cm细粒式沥青混凝土+8 cm中粒式沥青混凝土+15 cm密级配沥青碎石+20 cm水泥稳定砂砾+18 cm级配砂砾垫层。

方案3:

4 cm细粒式沥青混凝土+8 cm中粒式沥青混凝土+2×15 cm密级配沥青碎石+35 cm级配碎石。

根据设计配合比，选取工程用各种原材料制件，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中规定的顶面法测定半刚性材料的抗压回弹模量;按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的方法测定沥青混合料的抗压回弹模量，测定20℃和15℃的抗压回弹模量。

根据上述基本资料，建立路面结构有限元分析模型如图1所示。

图1 沥青路面结构ADINA分析模型

图2 沥青路面结构层竖向位移示意图

采用层状弹性体系理论分析，单轴双轮组100 kN标准轴载作用在路表，双圆垂直均布荷载当量圆直径d=21.3cm，圆心间距为31.95 cm，轮胎接地压强p=0.7 MPa。应用三维实体单元。

通过ADINA有限元分析计算，得到沥青路面各结构层竖向位移和路标弯沉如图2，图3所示。

图3 标准轴载作用下路表弯沉分布图

对路面结构有限元分析结果进行汇总，并与现行公路沥青路面设计规范JTG D50-2006的计算结果进行对照，如表1所示。

表1 结构方案计算结果 0.01 mm

由表1可以得出:二者关于路表计算弯沉和各结构层层底拉应力计算结果是十分接近的。按照上述ADINA有限元法分析沥青路面结构，符合现行公路沥青路面设计规范的要求。ADINA有限元法可以应用于实际沥青路面工程的设计分析。

3 泰安市农村公路沥青路面典型结构

1)农村公路路面的特点及标准。泰安市农村公路采用的沥青路面，路面结构一般由面层、基层、底基层与垫层组成。

2)农村公路的基本要求。交通部颁布的《农村公路建设暂行技术要求》中的条文规定:农村公路的沥青路面类型要根据工程建设地的自然条件、建材资源和工程投资等情况进行合理的选定。具体的厚度要求如表2所示。

表2 农村公路沥青路面结构层最小厚度

农村公路采用沥青路面的，其路基压实度应符合表3的要求，路基压实度达不到表3要求的路段，宜采用砂石等其他路面结构类型。

表3 压实度最小值

3)农村公路沥青路面典型结构。在泰安市农村公路水泥路面结构的各项设计参数的基础上，借鉴泰安市农村公路的修筑经验和使用性能良好的路面结构，通过理论分析，提出泰安市农村公路的沥青路面典型结构，如表4，表5所示。

表4 通县公路的沥青路典型路面结构

表5 通乡公路的沥青路典型路面结构

4 结语

本文采用有限元法来分析路面结构的受力性状。先介绍了有限元软件ADINA的适用范围及建模过程，然后根据地区的路用材料，结合已有工程经验与典型结构，拟定了三个结构组合方案。分别对这三个方案进行分析，把各方案有限元计算结果与通过规范计算结果相对比，论证了ADINA有限元分析软件的适用性及所提方案的可行性，得出适合泰安市的通县、通乡的典型路面结构。

［1］ 周 谦.基于气候交通特点的沥青路面结构研究［D］.西安:长安大学，2008.

［2］ 乔 伟.湖北省干线公路沥青路面典型结构研究［D］.西安:长安大学，2008.

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［4］ 邵胜子.甘肃省农村公路典型病害防治与管养对策［D］.西安:长安大学，2009.

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