基于ABAQUS的沥青路面有限元仿真模型研究

司春棣 ，陈恩利，范喜安，王 扬，郁圣维

（1.石家庄铁道大学交通环境与安全工程研究所，河北 石家庄 050043；2.河北省交通安全与控制重点实验室，河北 石家庄 050043；3.河北省高速公路张涿保定段筹建处，河北 保定 074100）

沥青路面是指在柔性或半刚性基层上铺筑一定厚度沥青面层的路面结构[1]，作为一种无接缝连续路面，它具有行车平稳性好、振动小、噪声低、整体强度高、维修方便等特点，因此被广泛应用于高等级道路[2-3]。然而由于重载、水及其他环境原因，沥青路面早期破坏问题越来越严重，常见损坏多而复杂，如裂缝、脱落、车辙等。

一方面，沥青路面在高等级道路上得到了越来越广泛的应用，另一方面，沥青路面又暴露出众多的病害，因此国内外学者相继展开了对沥青路面的大量研究，随着计算机技术的发展，对沥青路面的数值模拟分析越来越普遍，并且取得了很多有价值的成果。

这些研究采用的理论基础各不相同，分为层状线弹性理论、黏弹性理论及弹塑性理论[4-7]；破坏现象多集中在低温开裂、车辙、层间滑移破坏、疲劳破坏等[8-9]；研究内容涵盖了路面温度应力、孔隙水压力、三向动应力、三向动应变等的数值模拟，进而发展为温度-应力耦合分析、渗流-应力耦合分析等[10-12]；还有的研究针对特殊工况展开，如高温、多雨气候状况或特殊路段；采用的有限元软件前些年多为AYSYS软件，但近年来随着ABAQUS软件进入市场，因其具有更多的单元种类、更多的材料类型、更多的接触和连接类型以及强大的疲劳和断裂分析功能，在岩土工程领域逐渐得到了广泛的应用。

本文正是基于工程模拟有限元软件ABAQUS，在对沥青路面水损坏机理进行研究的基础上，探讨沥青路面的渗流场、应力场建模的可行性，对模型结构、材料参数、边界条件、荷载形式等进行研究，分析沥青路面的孔隙水压力、三向应力、竖向沉降等的变化情况，并进行试验验证。

1 ABAQUS仿真软件简介

基于非线性力学理论和计算固体力学而发展的ABAQUS有限元软件是国际上功能最强的大型通用数值仿真的重要工具之一，在科学研究和工程分析领域得到了广泛的应用。它包括能够反映土体真实性状的本构模型，拥有模拟土与结构间脱开、滑移等现象的强大接触面处理功能，可以计算有效应力和孔隙水压力，准确地建立初始应力状态，对岩土工程具有较强的适用性。

ABAQUS的分析模块有两个，即：ABAQUS/Standard 和 ABAQUS/Explicit。ABAQUS/Standard是一个通用分析模块，可用于求解绝大多数线性和非线性问题，包括线性静态、动态分析及复杂的非线性耦合物理场分析。ABAQUS/Explicit利用显式动态有限元格式，主要模拟短暂或瞬时动态情况。针对模型的前后处理，ABAQUS软件提供了人机交互的前后处理模块ABAQUS/CAE，此模块是一支持求解器的用户图形界面，可利用该模块进行ABAQUS/Standard或ABAQUS/Explicit问题的建模、监控运算和结果处理[13]。

基于此，ABAQUS可解决道路工程领域中的一些典型问题，如沥青路面结构中的裂缝和车辙问题，沥青路面的动响应问题，软土路基上路面结构和桥台地基的沉降问题，以及路堤边坡稳定问题等等。本文正是利用ABAQUS软件的强大功能及在道路工程中的实用性，建立沥青路面有限元模型，并进行动响应分析。

2 沥青路面水损坏机理

2.1 沥青与集料表面的黏附-剥落机理

沥青路面水损坏的过程表现为：首先，水浸入到沥青集料中，减弱其黏附力；其次，水渗入到沥青薄膜与集料表面间，导致沥青从集料表面剥落[1-2]，如图1所示。这两种现象往往是同时存在和相互影响的。

对于集料颗粒表面尖锐的棱角，沥青很难将其包裹起来，致使此处的沥青膜很薄，成为很容易遭到破坏的薄弱处。遇水时，水从此处乘虚而入，形成沥青、集料和水的三相体系，见图2。

图1 沥青从集料表面剥离过程

图2 沥青-集料-水体系平衡

在图2所示的沥青-集料-水三相体系中，近似平衡方程式为：

由（1）式可求得：

2.2 动水压力对沥青路面的影响

雨天路表常覆盖有一层水膜，当高速行车载荷驶过时，水膜受高速轮胎挤压，产生动水压力，如图3所示。动水压力可以软化和剥落沥青混合料，由黏附理论可知，高能量的水分子与集料的粘附力比沥青与集料的黏附力大，使混合料的软化和剥落加快，导致沥青混合料品质变坏加剧。

静孔隙水压力不影响介质的强度和变形，但是，在行车荷载经过的瞬时，由于面层多余的自由水，车轮经过时该区域的孔隙水压力会达到峰值，这个峰值与邻近区域的压力差会引起自由水渗流，并会在介质中产生剪力而影响集料强度。同时，车载反复不断的碾压，与孔隙水压力共同相互作用，使得面层剪切破坏增大而导致面层破坏，严重降低路面的使用性能。

图3 轮胎-水膜-路面接触状况

3 沥青路面渗流场仿真模型及数值模拟

3.1 路面结构及结构参数

对降雨入渗条件下的沥青路面进行仿真分析，设定沥青路面各结构层由表及里分别为改性沥青层(AC)两层，厚度分别为4cm和6cm；沥青碎石层(LQS)一层，厚度为10cm；水泥稳定碎石层(CBG)两层，每层厚18cm；石灰粉煤灰层(LFS)一层，厚度为20cm。路堤(Fill)按1∶1.5放坡，深3m分3层，土基(ground)深5m。构建的路基路面结构三维模型如图4所示，路基路面结构参数见表1。

图4 路基路面结构图

表1 路基路面结构参数

由于沥青混合料在重载的作用下会表现出一定的塑形，将沥青路面视为层状各向同性弹塑性体，层间接触为完全连续，网格划分采用C3D8P单元，模型尺寸取为8.00m（纵向）×6.00m（横向）×8.76 m（竖向）。

3.2 边界条件

建模时设定如下边界条件：设定降雨时间为72h以模拟降雨入渗真实情况，地表以下2m为地下水位线。固定模型底部和两侧面的水平位移，利用软件的BC/Create命令，在左右两侧的边界上将Distribution空间分布函数设置为随深度线性增加的静水孔压边界，其余边界设为不排水。模型底部的初始孔压为30 kPa，初始孔隙率为8%。

3.3 分析步设置

在分析步模块中采用Soil类型分析步，设置总时间为10个分析步；在Increamentation中将初始增量步长设为1，其余采取默认值，不做额外修改；分析类型为稳态；在输出模块中选取Porous Media/Fluids中的FLVEL作为输出变量。

3.4 模拟分析

对未降雨、降雨48h和降雨72h三种工况进行模拟，数值模拟结果见图5～图7。

由图5的3种工况下孔隙水压力云图对比可看出：由图5(a)到(b)，降雨48h后，面层及土基的中心部位基质吸力逐渐变小，饱和度逐渐增大，孔隙水压力随之变大。未降雨时，路表孔隙水压力为-57.6kPa，降雨48h后为-37.7 kPa，图5(c)降雨72h后降雨停止，随着时间的延长，雨水逐渐渗透，饱和度逐渐减小，孔隙水压力减小，土基及面层的基质吸力又逐渐增加，路表孔隙水压力变为-56.8kPa，反映出孔隙水压力和基质吸力随降雨时间变化的规律。

图5 孔隙水压力对比云图

图6 降雨72h横截面饱和度云图

图7 降雨72h竖向沉降图

图6反映了降雨72h后沥青路面饱和度情况，可以看出饱和度由沥青表层随深度增加逐渐增大，同一层面饱和度并不一致，中间位置入渗最大，因此中间位置饱和度增大，但两侧的饱和度、孔隙水压力与未降雨前差别不大。降雨72h后竖向沉降见图7，最大沉降位于路堤的中部，为0.136mm，随降雨入渗基质吸力降低，孔隙水压力增大，有效应力减小，出现了卸载回弹的现象。降雨入渗的持续，导致土体含水率和容重的增大，沉降和应力随之增加。

4 沥青路面应力场仿真模型及数值模拟

应力场模型不考虑地下水和降雨入渗的作用，将路表视为水平，不考虑横纵坡度的影响。模型的几何物理参数与渗流场模型相同，网格选用C3D8R，即八结点六面体减缩积分单元。

4.1 荷载条件及实现

假定在车载行进过程中，竖向车载为移动的均布矩形荷载，作用在模型路面的中心，时速为70km/h，轮压为0.7MPa，采用双轮双圆。选取车载在路面中心位置时，车载正下方的纵截面为研究断面。

在模型上施加均布竖向移动荷载时采用ABAQUS自带的外接子程序功能，首先编制移动子程序，而后在模型中设置荷载所要作用的移动带，最后在规定移动带上实现预定的移动功能。

4.2 模拟分析

路面结构的动力响应云图如图8至图10所示。

图8 三向应力云图

图9 竖向沉降云图

图10 剪应力云图

可以看出，三向应力、竖向位移、剪应力在车载位置均达到最大值，距离车载位置越远，其各自值越小。且车载影响范围基本上在面层，对于路堤影响很小。

5 试验验证

为进一步研究沥青路面在渗流场和应力场中的响应规律，充分验证基于理论分析和三维有限元模型得到的数值模拟结果的可靠性，在河北某高速公路上建立了试验段进行试验验证。试验前一天对试验段进行洒水，洒水量参照设定的72h降雨总量。试验过程中对各结构层的三向应力、应变、竖向沉降、温度、湿度、孔隙水压力等进行了系统监测，同步获得了宝贵的监测数据。

图11为试验过程中的传感器埋设、布线及采集井等的现场图片。经过试验车辆在试验段上进行不同载重工况下的现场测试，将现场实测数据进行拟合后与数值计算结果进行对比，结果见图12、图13及表2、表3。

通过上表及图可知，试验数据的拟合曲线趋势与理论分析、数值模拟的趋势一致，结果相近。同时，各结构层传感器采集到的竖向应力、竖向位移动态响应最大值，通过与数值模拟结果对比分析，发现相差不大，误差范围不超过10%，证明了仿真结果的可靠性。

图11 试验路段设置

图12 上面层竖向应力拟合时程曲线

图13 上面层竖向沉降拟合时程曲线

表2 不同车载作用下各结构层最大竖向应力对比 单位(MPa)

表3 不同车载作用下最大竖向位移对比 单位(mm)

6 结 论

（1）鉴于ABAQUS强大的数值仿真和处理复杂非线性动态问题的能力，考虑沥青路面的沥青层、半刚性基层的弹塑性特点，在ABAQUS平台上建立了沥青路面降雨条件下的渗流场及移动荷载下的应力场三维有限元分析模型。

（2）对沥青路面结构及参数设定、边界条件、分析步设置、移动荷载实现等建模过程中的重点内容进行了分析论述。

（3）通过在某高速公路上建立的试验段实测对比，竖向应力、竖向沉降等动态响应最大值模拟值与实测值误差范围不超过10%，验证了仿真模型的有效性及仿真结果的可靠性。

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