大厚度水泥稳定碎石基层层间有限元模拟分析

孟勇军，蒋允田，陆宏新，邵明明

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西路建工程集团公司，广西 南宁 530001)



大厚度水泥稳定碎石基层层间有限元模拟分析

孟勇军1，蒋允田1，陆宏新2，邵明明1

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004；2.广西路建工程集团公司，广西 南宁 530001)

大厚度水泥稳定碎石基层分层施工使得基层由设计中的整体受力变为两薄层受力，层间接触的存在降低了基层的路用性能，从而降低了整个路面结构的使用性能。文章采用有限元软件ABAQUS，分别对两种不同工况下(分层施工和全厚式施工)的大厚度水泥稳定碎石基层路面进行路表弯沉、面层底面和基层底面的最大主应力、土基顶部最小主应变及面层底面最大剪应力等指标的有限元模拟，分析不同工况的大厚度水泥稳定碎石基层路面的荷载响应。

大厚度；水泥稳定碎石；层间接触；弯沉值；最大主应力；最小主应变；最大剪应力；有限元模拟

0 引言

水泥稳定碎石基层沥青路面广泛应用于我国高等级公路建设中，随着交通

轴载的增加，基层的厚度会达到30 cm以上。受铺筑机械的限制，实际工程一般分层铺筑，而分层铺筑技术违背了路面结构设计中基层整体受力的设计理念，基层由整体受力变为两薄层受力，在层间产生了严重的应力集中现象，降低了路面的使用性能和使用寿命[1][2]。随着超宽幅摊铺机和大吨位振动压路机的出现，水泥稳定碎石基层全厚式施工技术成为可能[3][4]。和大厚度水泥稳定碎石基层分层施工工艺相比，全厚式水泥稳定碎石基层整体施工工艺具有优于分层施工工艺的路用性能，本文以路表弯沉、面层底面和基层底面的最大主应力、土基顶部最小主应变及面层底面最大剪应力等为指标，对分层施工工艺和全厚式工艺两种工艺进行力学响应分析。

1 力学分析模型

研究表明[5][6]，矩形荷载形式比目前沥青路面设计规范所采用的圆形均匀分布荷载形式更能准确模拟轮胎与路面之间的相互作用，本文采用矩形作为轮胎与路面的接触形状。确定加载面为16.667×21.3 cm,两加载面间距为31.95 cm[7]。车轮荷载采用标准轴载(100 kN单轴双轮组荷载)，其上的面力为P=0.7MPa，车辆正常行驶时的水平荷载取F=λP，λ根据经验取为0.015，故而水平荷载F为0.010 5MPa。

本文对两种工况的大厚度水泥稳定碎石基层沥青路面进行分析模拟：工况一为35cm大厚度基层，分下18cm和上17cm分层施工工艺，考虑层间接触，μ取0.5；工况二为大厚度基层全厚式施工工艺，并分别采用了35cm、33cm、31cm、29cm、27cm及25cm六个厚度进行对比。采用的模型的平面尺寸为3.81m×3.81m，厚度采用实际尺寸，几何模型示意图和网格划分示意图分别如图1和图2所示，边界条件为：Z方向的位移U3=0，X方向的位移U1=0，Y方向的位移U2=0。

图1 几何模型示意图

图2 网格示意图

路面结构层各层材料参数及厚度如表1所示。

表1 路面结构层各层厚度及参数表

2 两种不同工况的路面结构力学响应分析

2.1 路表弯沉

路表弯沉是路面整体结构在荷载作用下的竖向位移量，它反映了路面整体结构的抗变形能力，即路面结构的总刚度，路表的弯沉越小说明路面结构的抗变形能力越强。图3和图4分别为工况一的路表弯沉云图和工况二(35cm)路表弯沉云图，图5为两种工况的路表弯沉沿道路横向(图3云图中横线所示)的变化曲线图。

图3 工况一路面路表弯沉云图

图4 工况二(35 cm)路面路表弯沉云图

图5 不同工况的路面路表弯沉值变化曲线图

由图5可以看到，无论是基层分层施工工艺还是全厚式整体施工工艺，路表弯沉值曲线均为倒w形状。在水泥稳定碎石基层全厚式施工工艺下，路表最大弯沉值随着全厚式基层的厚度的增加而逐渐减小，当厚度增加到一定程度时，厚度的再增加对路表最大弯沉的减小幅度变小。从ABAQUS导出曲线中提取最大弯沉值，工况一路表最大弯沉值为4.026×10-4m，工况二(35cm)路表最大弯沉值为3.242×10-4m，在基层相同厚度即35cm下，分层施工工艺的最大弯沉值是全厚式施工工艺的1.24倍。此外，从曲线中可以看到，工况二(27cm)路表最大弯沉值为3.941×10-4m，也要小于工况一的路表最大弯沉值。

2.2 沥青面层底面和水泥稳定碎石基层底面的最大主应力

在我国路面结构设计中，以沥青面层底面和基层底面的拉应力(拉应变)作为疲劳开裂的设计标准，当荷载作用下产生的拉应力(拉应变)超过材料的极限拉应力(拉应变)时，就会发生疲劳开裂现象。本文采用由6个法向应力和剪应力确定的最大主应力作为指标，对两种施工工况的路面结构进行分析，因为最大主应力大于水平主应力，因此采用最大主应力作为分析指标偏于安全。图6为工况一路面结构横断面的最大主应力云图，图7为工况二(35cm)路面结构横断面的最大主应力云图。

图6 工况一路面结构横断面最大主应力云图

图7 工况二(35 cm)路面结构横断面最大主应力云图

由图6和图7可以看到，在车轮荷载作用下的区域，面层承受最大的压应力，随着深度的增加，压应力逐渐减小变为拉应力，在有层间接触和路面结构材料变化的位置会有应力的突变。对于工况一的路面结构而言，上中面层受到压应力，下面层开始出现拉应力，且在上下基层间出现最大的拉应力值；而对于工况二(35cm)全厚式基层路面而言，上、中和下沥青面层均处于受压状态，从基层处才开始出现拉应力，且在基层下表面出现最大的主应力值，而工况二基层层底的最大主应力仅为工况一基层间最大主应力的52.5%，由此可见，层间接触的存在对基层底面的最大主应力的影响较大。

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图8为两种不同工况的沥青面层底面的最大主应力沿路面横向的变化曲线图，图9为两种不同工况的基层底面最大主应力沿路面横向的变化曲线图。

图8 不同工况的沥青面层底面最大主应力变化曲线图

图9 不同工况的基层底面最大主应力变化曲线图

由图8可以看到，对于工况二的全厚式基层而言，随着基层厚度的增大，沥青面层底面的最大主应力逐渐减小，且沿路面横向分布较为均匀，这是因为基层厚度越大，则刚度越大，能够更好地分布应力区域，而若厚度较小，则刚度较小，就会在荷载直接作用区域内出现较大的应力值。此外，工况一的沥青面层底面的最大应力值远大于工况二(35cm)的沥青面层底面最大应力，工况一的面层底面最大应力为4.81×104Pa，而工况二(35cm)的面层底面最大主应力为1.61×104Pa，仅为工况一的33.5%。且发现，工况二(25cm)的面层底面最大主应力为4.36×104Pa，都要小于工况一的面层底面最大主应力。

由图9可以看到，对于工况二全厚式基层而言，随着基层厚度的增大，基层底面的最大应力也呈现降低趋势，且降低幅度越来越小，说明基层厚度的再增加对最大应力减小的贡献变小。此外，工况一上基层底面的最大应力值远大于工况二(35cm)基层底面的最大应力值，而工况一下基层底面的最大应力值却很小。从曲线中得到，工况一基层底面的最大应力值为1.659×105Pa，工况二(35cm)基层底面的最大应力值为8.707×104Pa，仅为工况一的52.5%，这是因为由于层间接触的存在使得在上下基层间出现了较为严重的应力集中现象，故而上基层底面的最大应力值较大。

2.3 土基顶部的最小主应变

土基顶部的应变是反映土基安全稳定的一个重要指标，土基应变过大就会出现沉陷及车辙等破坏现象，本节采用最大压应变(最小主应变)作为评价指标对两种工况的路面结构进行对比分析，图10为工况一的土基顶部最小主应变云图，图11为工况二(35cm)的土基顶部的最小主应变云图，图12为两种不同工况的土基顶部最小主应变沿路面横向(图10云图中横线所示)的变化曲线图。

由图12可以看到，对于工况二全厚式基层路面结构而言，随着基层厚度的增加，土基顶部最小主应变逐渐减小，且减小幅度变小，说明厚度的再增加对土基顶部最小主应变减小的贡献变小。此外，工况一的土基顶部最小主应变为-2.699×10-4，而工况二(35cm)的土基顶部最小主应变为-1.875×10-4，仅为工况一的69%，说明层间接触的存在对于土基顶部的最小主应变也有一定的影响。同时发现工况二(29cm)的土基顶部最小主应变为-2.615×10-4，也要小于工况一的土基顶部最小主应变。

图10 工况一路面结构土基顶部最小主应变云图

图11 工况二(35 cm)路面结构土基顶部最小主应变云图

图12 不同工况路面结构土基顶部最小主应变变化曲线图

2.4 沥青面层底面最大剪应力

图13 工况一路面结构沥青面层底面最大剪应力云图

图14 工况二(35 cm)路面结构沥青 面层底面最大剪应力云图

图15 不同工况路面结构的沥青面层 底面最大剪应力变化曲线图

由图5～17可以看到，工况一的沥青面层底面的最大剪应力为3.61×105Pa，而工况二(35cm)沥青面层底面的最大剪应力为2.77×105Pa，仅为工况一的77%，说明层间接触不良的存在使得沥青面层底面的剪应力增大，降低了路面的使用性能。而对于工况二全厚式基层路面结构而言，随着基层厚度的增加，沥青面层底面的最大剪应力有较为微弱的增加，但增加幅度较小，因此，在一定范围内减小基层的厚度有助于降低沥青面层底面的最大剪应力峰值。

3 结语

本文通过有限元软件ABAQUS对两种工况的水泥稳定碎石基层沥青路面分别进行了路表弯沉值、面层底面和基层底面最大主应力、土基顶部最小主应变及面层底面最大剪应力等指标的力学响应对比分析，主要得到以下结论：

(1)以路表弯沉值为指标对两种工况进行比较得到，工况二(35cm)的路表弯沉值是工况一的80%左右，且工况二(27cm)的路表弯沉值要好于工况一。

(2)以面层底面最大主应力为指标对两种工况进行比较得到，工况二(35cm)的面层底面最大主应力仅为工况一的33.5%，且工况二(25cm)的面层底面最大主应力也要小于工况一。

(3)以基层底面最大主应力为指标对两种工况进行比较得到，工况二(35cm)的基层底面最大主应力仅为工况一的52.5%，且工况二(25cm)的基层底面最大主应力也要小于工况一。

(4)以土基顶部最小主应变为指标对两种工况进行比较得到，工况二(35cm)的土基顶部最小主应变仅为工况一的69%，且工况二(29cm)的土基顶部最小主应变要小于工况一。

(5)以面层底面最大剪应力为指标对两种工况进行比较得到，工况二(35cm)的面层底面最大剪应力仅为工况一的77%，且工况二(25cm)的面层底面最大剪应力要小于工况一。

(6)由各指标随基层厚度的结果分析而得，除沥青面层底面最大剪应力随基层厚度的增加有较为微弱的增加外，基层厚度的增加对这些指标均呈现有利趋势。因此由以上比较得到，全厚式水泥稳定碎石基层路面的力学指标要远远高于基层分层施工工艺的路面，且29cm全厚式水泥稳定碎石基层的力学指标都要优于35cm分层水泥稳定碎石基层的力学指标。

[1]徐真真.半刚性基层沥青路面层间处治技术研究[D].西安：长安大学，2012.

[2]刘燕燕，陈 洁，黄中文.水泥稳定碎石基层不同层间接触情况下力学性能分析[J].桂林理工大学学报，2011(3)：372-375.

[3]黄中文.水泥稳定碎石基层压实标准及大厚度压实技术研究[D].西安：长安大学，2008.

[4]刘燕燕，胡力群，蒋 科.水泥稳定碎石基层分层摊铺一次成型施工工艺研究[J].路基工程，2012(5)：79-82.

[5]胡小弟，孙立军.不同车型非均布轮载作用力对沥青路面结构应力影响的三维有限元分析[J].公路交通科技，2003(1)：1-5.

[6]刘 丽.沥青路面层间处治技术研究[D].西安：长安大学，2008.

[7]廖公云，黄晓明.ABAQUS有限元软件在道路工程中的应用[M].南京：东南大学出版，2008.

Discussions on Interlayer Finite Element Simulation of Large-thickness Ce-ment Stabilized Gravel Base

MENG Yong-jun1，JIANG Yun-tian1，LU Hong-xin2，SHAO Ming-ming1

(1.College of Civil Engineering & Architecture，Guangxi University，Nanning，Guangxi，530004；2.Guangxi Road Construction Engineering Group Co.，Ltd，Nanning，Guangxi，530001)

The layered construction of large-thickness cement stabilized gravel base makes the base in-to two thin-layers force from the designed overall force，and the presence of interlayer contact reduces the road performance of base layer，thereby reducing the use performance of entire pavement structure.This article used the finite element software ABAQUS，conducted respectively the finite element simu-lation of pavement surface deflection，maximum principal stress of surface layer bottom and base layer bottom，minimum principal strain of top part of soil foundation，maximum shear stress of surface layer bottom，and other indicators of large-thickness cement stabilized gravel base under two different work conditions(layered construction and full-thickness construction)，and analyzed the load response of large-thickness cement stabilized gravel base pavement under different work conditions.

Large thickness；Cement stabilized gravel；Interlayer contact；Deflection value；Maximum principal stress；Minimum principal strain；Maximum shear stress；Finite element simulation

孟勇军(1981—)，博士后，高级工程师，研究方向：道路结构与材料。

广西壮族自治区交通运输厅项目“全厚式高性能水泥稳定碎石基层施工成套”(编号为20131258)

U415.6

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.002

1673-4874(2015)11-0011-06

2015-09-30