路基土模量对路面结构受力影响有限元分析

李鹏飞

(黑龙江省公路工程造价站，黑龙江 哈尔滨 150008)

1 概述

路基的修筑质量显著影响路面的使用品质，提高沥青路面的使用寿命必须基于良好的路基修筑质量。为保障路基的修建质量，国内外学者开展了大量的相关研究[1-7]。彭燃等的研究认为，只有法国规范能够将设计理念与实际施工指标相统一，建议我国规范将回弹模量纳入验收指标[8]。谢鹏远阐述了确保路基强度稳定的首要条件，提出了确保路基强度稳定性的有效措施[9]。陈洪兴等研究了季冻区路基土抗剪强度指标变化规律发现冻融循环作用能够使土体黏聚力降低，内摩擦角增大[10]。张银博等利用Bisar3.0软件,开展了基于路基强度衰减条件下的路面结构力学分析，为路面结构设计提供了一定依据[11]。本文在前人的研究基础上，基于ANSYS软件建立三维有限元动力分析模型，系统的分析不同路基施工质量条件下，沥青路面的动力学响应规律，以期能为路面设计及路基施工质量控制提供一定参考作用。

2 基于ANSYS软件的路面结构力学响应仿真模型

本部分采用ANSYS仿真软件建立了可用于研究土基模量对路面结构受力状态的影响三维空间大尺度动力学分析模型，模型具体状态如图1所示。模型的长宽高分别为：沿行车方向其长度为3 m、水平垂直于纵向方向的宽度为1.5 m，本次所构建模型的厚度为1.74 m，其中包括路基的厚度和路面的厚度。在本次构建的模型中，为了更好的表征路面结构在荷载作用下的动力学影响，在加载方式的设置过程中，设置了50 cm宽的加载区，同时在加载区的外侧也布设了影响区域，影响区的宽度为加载区的1倍。模型的约束条件采用了四周法向固定，底部三向固定。同时，为了开展动力学分析，根据路面的实际情况，设置了路面的质量阻尼系数和刚度阻尼系数，其设置值分别为0.4和0.005。结构层厚度及模量见表1。为了分析不同改性土对路面结构受力的影响，土基模量分别取30 MPa，40 MPa，50 MPa，60 MPa。

表1 动力分析路面结构层材料参数

加载的车轮形状采用矩形，尺寸为长度50 mm、宽度18 mm，加载的车轮轮压设置为0.7 MPa。本文为研究车辆行驶过程中对路面结构的影响，采用了移动荷载的加载方式。荷载的移动方式采用三阶段法进行设置。第一阶段设置了移动区域和方向；第二阶段将移动区域进行细分成若干个小的区域；第三阶段根据行车速度设置每个区域的作用时间。具体如图2所示。本次分析过程中，将移动区域进行细分成20个，行车速度为72 km/h。根据上文确定的规则，则每个区域的加载时间为0.007 5 s。

3 基于足尺仿真模型的路面结构层动力学响应规律分析

采用前文所述的加载方式下，我国最为常见的路面结构形式的动力学响应规律，为了使分析更具值观表现，重点分析了所建立的足尺模型的中部区域不同深度的应力应变响应。

路面结构在移动载荷作用下，不同深度处的SY(纵向应力)、SZ(竖向应力)、SZX(竖向剪应力)、SZY(水平剪应力)的时程曲线分别如图3所示。

图3(a)为路面结构层不同深度处沿行车方向的力学响应特性随着时间变化的规律图。分析此图可以发现，在车辆移动荷载的作用过程中，其路面结构内部的应力出现正负交替的现象，这表明在行车荷载的作用下，路面会受到拉和压的作用。进一步分析可知，拉应力的极值比压应力的极值要差一个数量级。面层不同深度处响应规律一致；基层中则为压应力，并且极值很小。面层内的拉应力随着深度的增加而减小。表面层的拉应力受移动载荷的影响最大。图3(b)所示的结果为仿真模型垂直方向的力学响应特性随着时间变化的规律图。分析此图可以发现，在车辆移动荷载的作用过程中，其路面结构内部的应力均为负值，表明在此方向上路面结构只受到一种力的作用形式，不会出现疲劳损伤问题。进一步分析此图可知，沿着纵深方向的增加竖向压应力减小。面层内部不同深度处的压应力数值较为接近，并且幅值较大，响应时间约为0.03 s，基层内部受到的竖向压应力较小，但响应时间较长。图3(c)为路面结构层不同深度处竖向剪应力的时程曲线，从图上可以看出，在荷载驶过前后，路面结构层内部的竖向剪应力均为负值，即剪应力的方向没有发生变化。上中面层的剪应力幅值较为接近，下面层的剪应力幅值相对较小，基层中的竖向剪应力可以忽略。从以上分析可知，竖向应力及竖向的剪应力在面层内部均为单向的载荷动力响应。在行车载荷长期的反复作用下，路面材料处于一个重复蠕变的过程，这样就很容易产生车辙变形，尤其是在上中面层。图3(d)所示的结果为仿真模型垂直方向的水平剪切作用的力学响应特性随着时间变化的规律图。分析此图可以发现，在车辆移动荷载的作用过程中，其模型结构内部的应力出现了交替变化，表明在此方向上路面结构只受到两种力方向的作用形式，可能会出现疲劳损伤问题。

4 土基模量对路面结构受力状态的影响分析

4.1 纵向应力SY

在土基模量变化的情况下，路面结构不同深度处纵向应力SY的时程曲线如图4所示。随着土基模量的增加，路基的刚度提高，路基对动载荷的响应时间提前、响应速度提高。但不同模量土基的纵向应力SY响应时间大致相同，在路面结构的不同深度处的纵向应力均为拉-压交替出现。并且随着土基模量的增加，不同深度处的纵向应力的极值减小。

4.2 竖向应力SZ

在土基模量变化的情况下，路面结构层内的竖向应力SZ的时程曲线对比见图5。同样随着路基土模量的增加，竖向应力响应提前，但总响应时间基本相同。在路基结构不同深度处，竖向应力响应的极值随土基模量的增加而减小。随着路基模量的增加，路基变形量的减少，提高了路基的支撑效果，从而减小路面结构层的竖向应力响应，路基土模量的增加，增强了整个路面结构抵抗竖向应力的能力。

4.3 竖向剪应力SZX

在土基模量变化的情况下，路面结构层内竖向剪应力SZX的时程曲线对比见图6。同样，在路基模量增加的情况下，结构的竖向剪应力SZX响应时间提前，但动力响应的总时间大致相同。随着土基模量的增加，路面结构层内的竖向剪应力的数值稍有减小，但竖向剪应力降低的幅度相对较小，即土基模量在一定范围内变化时，对路面结构层内的竖向剪应力的影响相对较低。

4.4 水平剪应力SZY

在土基模量变化的情况下，路面结构层内水平剪应力SZY的时程曲线对比见图7。随着路基土模量的增加，路面结构层内的层间剪应力的响应提前，但响应时间基本相同，并且路基土模量的增加对层间剪应力的极值的影响较小。层间剪应力即水平剪应力与路面结构层的推移破坏有关，其主要与结构层的层间联接状态及材料的抗剪切性能相关，土基模量的变化对路面结构层间剪应力的影响较小。

5 结语

1)建立了移动载荷作用下路面结构动力响应的力学分析模型，建立的模型可用于研究路面结构层的动力响应规律。2)基于本文建立的动力学分析模型，阐明了土基模量的变化对路面结构力学状态的影响规律。3)随着土基模量的增加，土基刚度增大，路面结构的动力响应提前。随着路基模量的增加，路面结构层内的竖向应力及水平应力极值减小。4)路基模量的变化对路面结构层的竖向剪应力及层间剪应力的影响较小。