基于有限元方法的沥青路面基-面层抗冲刷性能研究

2023-03-17韦作坦

西部交通科技 2023年11期

摘要：为研究不同因素对沥青路面基-面层抗冲刷性能的影响，文章利用ABAQUS软件建立沥青路面基-面层间的数值模型并进行计算，讨论了车辆轴重、行驶速度和环境温度对基-面层间抗冲刷性能的影响。根据计算结果可知：（1）基层和面层的竖向应力和位移随着车辆轴重、行驶速度和温度的升高均增大；（2）基层和面层在动水冲刷作用下均不断地承受交替出现的拉应力和压应力，相同条件下基层受到的损伤更大；（3）高温更易使得沥青面层的抗冲刷性能发生劣化。

关键词：沥青路面基-面层；流固耦合；抗冲刷性能；影响因素

0引言

近年来，随着我国交通工程建设的不断推进，高速公路的总里程数迅速增加，其覆盖范围得到了巨大的改善。沥青路面因具有较高的整体强度、低振动、良好的稳定性等优点，在我国得到了广泛的应用［1］。然而，沥青路面虽然在材料上具有诸多优点，但仍然时常出现“今年修，来年坏”的情况。对该类情况进行汇总发现，沥青路面的“水损害”最为常见。目前国内外学者对沥青路面在饱水状态下的抗冲刷性能的研究已取得较多成果。黄维蓉等［2］设计了冻融循环-动水冲刷-劈裂耦合试验，研究了不同的冲刷高度、冲刷速度和冲刷时间条件下3种OGFC-13型高黏沥青混合料的水稳定性。罗蓉等［3］为评价沥青混合料的水稳定性，基于表面能理论，进行了沥青混合料的表面能试验和宏观水稳定性试验，确定了不同温度点对应的指标ER阈值。党志荣等［4］对沥青混合料开展了冻融循环-动水冲刷耦合试验，结合CT扫描，研究了在冻融循环和动水冲刷耦合作用下沥青混合料的劣化规律。王英等［5］开发了一种模拟动水冲刷的装置，测试了在动水冲刷和静态浸水两种试验条件下沥青混合料的空隙率、吸水率和劈裂强度，同时结合CT扫描，分析了沥青混合料在动水冲刷作用下的短期水损害机理。张甫田等［6］设计了静水浸泡条件下沥青混合料的冻融劈裂试验和沥青混合料的动水冲刷试验，分析动水冲刷加速沥青混合料水损坏的机理。袁玲等［7］利用动水压力试验系统，研究了AC-13型密级配沥青混合料在动水压力作用下的力学性能和路用性能。郭瑞等［8］设计开展了不同类型的水泥稳定碎石半刚性基层的室内抗冲刷模型试验，对悬浮密实型、骨架密实型以及骨架空隙型3种不同结构的水泥稳定碎石半刚性基层的抗冲刷性能进行了研究。郭学东等［9］考虑了硅烷偶联剂在动水冲刷作用对沥青路面产生损伤中的影响，设计进行了室内动水冲刷试验。臧振宇［10］依托某高速公路实际工程，建立了移动荷载作用下的沥青路面数值模型，考虑了渗透系数、变形模量、行车速度、排水边界等因素对饱和沥青路面水力响应的影响。

本文利用ABAQUS软件建立饱水状态下的沥青路面结构基-面层间的流固耦合数值模型并进行计算，分析了不同车辆轴重、车辆行驶速度以及环境温度下的基-面层间计算点位置的竖向应力和位移，讨论了不同因素对基-面层间抗冲刷性能的影响，以期为沥青路面结构的设计和施工提供参考。

1 ABAQUS软件在流固耦合中的应用

ABAQUS作为应用相当广泛的通用有限元软件，可以模拟精细的模型，分析复杂的力学问题，在处理工程问题时具有很明显的优势，其可进行包括温度场、渗流场等的多场耦合计算，软件的交互性较好，操作较为简便。

本文利用ABAQUS Explicit软件建立基-面层间的流固耦合数值模型，研究层间的抗冲刷性能。流固耦合是指流体的流动过程会对道路材料产生影响，而道路材料的变化也会影响流体的流动、流体和固体材料之间的相互作用。在ABAQUS软件中进行流固耦合计算的步骤如图1所示。

2 数值模型的建立

2.1 几何尺寸与材料参数

本文采用等效简化的方式建立数值模型，假定模型基面层间缝隙为饱水状态，且不考虑面层和基层的渗透性，通过控制等效水膜的厚度表征层间的含水率，同时将沥青路面的上面层、中面层和下面层等效简化为AC-20沥青面层，总厚度为180 mm。路面结构自上而下分别为AC-20沥青面层（厚度为180 mm）、水膜层（厚度为0.5 mm）、水泥稳定碎石层[KG（0.14mm]（厚度为200 mm）。数值模型的长度为6 000 mm，宽度为8 000 mm，高度为6 380 mm，如图2所示。材料在不同温度下的参数取值如表1和表2所示。

由于模型在车辆荷载作用下的荷载和结构均具有对称性，为简化计算，将模型沿垂直于Z轴方向切割为若干薄片，取模型右侧对称中心位置的薄片建立流固耦合模型。模型的长度为450 mm，宽度为1 mm，高度为380 mm，其中水膜层的长度为156 mm，宽度为1 mm，高度为0.5 mm（如图3所示）。

2.2 荷载与边界条件

相对于整个的路面的面积，车辆行驶时的荷载作用面积很小，为方便计算，可以取矩形区域代替真实的双圆荷载区域。车辆荷载的变化情况采用Haversine半正弦波的形式，车辆轴重分别取100 kN、140 kN、180 kN，车辆行驶速度分别取15 m/s、20 m/s、25 m/s，车辆速度与荷载作用时间如下页表3所示。以车辆轴重100 kN、车辆行驶速度20 m/s的情况为例，荷载作用的时程曲线如图4所示，荷载峰值为0.71 MPa。

整个路面结构模型的边界条件为：四周边界约束其法向位移，底面完全固定，且均為不透水边界，由于流固耦合模型是从完整的路面结构模型中切片而来的，因此其边界条件是不完全对称的。对于流固耦合模型的边界条件，其底面、右侧边界完全固定，左侧边界以及前后边界仅约束其法向位移，上边界为自由边界。

流固耦合模型的基-面层间无水膜部分设置为完全接触状态，基-面层间有水膜部分可将接触属性设置为：法向行为-“硬”接触、切向行为-罚摩擦公式。

3 不同车辆轴重对层间抗冲刷性能的影响

为研究不同车辆轴重对饱水状态下路面结构的基-面层抗冲刷性能的影响，本节分别选取100 kN、140 kN、180 kN三个车辆轴重水平，取车辆行驶速度为30 m/s，环境温度为25 ℃，计算点位置对应的罚摩擦系数为0.605，对车辆荷载作用下计算点位置的竖向应力和位移进行监测，结果如图5所示。

由图5可知，饱水状态下的路面结构在车辆荷载作用下，基层和面层计算点位置的竖向应力和面层计算点位置的竖向位移均随着车辆轴重的增大而增大，其时程曲线表现出一定的波动性，同时荷载的传递具有一定的滞后性，面层和基层计算点位置的竖向应力峰值出现均晚于荷载达到峰值的时间点，且面层的竖向应力峰值出现时间晚于基层。计算点处的竖向应力和位移首先随着半正弦荷载的增大而增大，在达到荷载的峰值后逐渐减小，当荷载作用消失后，基-面层间的动水冲刷作用随着时间的延长逐渐消散；在动水冲刷作用下，基层和面层均不断地承受交替出现的拉应力和压应力，且车辆轴重越大，对应交替出现的拉压应力的峰值越大，对路面结构的抗冲刷性能的劣化作用越明显。同时，在相同车辆轴重条件下，相同时间基层计算点对应的竖向应力总是大于面层计算点，说明路面结构在动水冲刷作用下，基层受到的损伤更大，往往会更早发生破坏。

4 不同车辆行驶速度对层间抗冲刷性能的影响

为研究不同车辆行驶速度对饱水状态下路面结构的基-面层抗冲刷性能的影响，本节分别选取20 m/s、25 m/s、30 m/s三个车辆行驶速度水平，取车辆轴重为100 kN，[KG（0.15mm]环境温度为25 ℃，计算点位置对应的罚摩擦系数为0.605，对车辆荷载作用下計算点位置的竖向应力和位移进行监测，结果如图6所示。

由图6可知，随着车辆行驶速度增大，荷载的作用时间缩短，在荷载达到峰值时作用在路面结构上的力越大，因此基层和面层计算点位置的竖向应力和面层计算点位置的竖向位移均随着车辆行驶速度的增大而增大。随着车辆荷载逐渐增大，基层和面层计算点位置处的压应力迅速增大，因荷载传递具有一定的滞后性，当荷载达到峰值时，基层和面层计算点位置处的压应力仍然继续增大，然后再逐渐减小至0，而后转为拉应力。车辆荷载作用消失后，层间水膜因车辆荷载作用所产生的惯性运动依然会对路面结构的基层和面层进行反复的冲刷，基层和面层的竖向应力值在拉应力和压应力之间不断转换，对路面结构的抗冲刷性能产生明显的劣化作用，且车辆行驶速度越大，对路面结构抗冲刷性能的劣化作用越明显。

5 不同温度条件对层间抗冲刷性能的影响

为研究不同温度条件对饱水状态下路面结构的基-面层抗冲刷性能的影响，本节分别选取20 ℃、25 ℃、30 ℃三种温度条件，取车辆轴重为100 kN，车辆行驶速度为30 m/s，计算点位置对应的罚摩擦系数为0.605，对车辆荷载作用下计算点位置的竖向应力和位移进行监测，结果如图7所示。

由图7可知，基层和面层计算点位置的竖向应力时程曲线呈现波浪状的变化，且均随着温度升高而增大。在车辆荷载作用时间内，面层计算点位置的竖向应力时程曲线逐渐由宽变窄，且应力峰值出现的时间不断提前，而基层计算点位置的竖向应力时程曲线形基本一致，仅应力峰值随温度升高而逐渐增大。分析其原因，主要由于面层是由沥青混合料组成的，沥青材料受温度影响较大，而半刚性基层的力学性质受温度影响较小，高温更易使得沥青面层的抗冲刷性能发生劣化。不同温度条件下面层的竖向位移变化基本一致，在车辆荷载作用下，随着荷载的增大，竖向位移逐渐增大，当车辆荷载达到峰值时，竖向位移也达到峰值，然后逐渐减小；当车辆荷载消失后，受层间水膜惯性运动和动水压力消散的影响，其竖向位移呈波浪状逐渐减小。

6 结语

本文利用ABAQUS软件建立饱水状态下的沥青路面结构基-面层间的流固耦合数值模型并进行计算，讨论了车辆轴重、车辆行驶速度和环境温度对基-面层间抗冲刷性能的影响，得出主要结论如下：

（1）随着车辆轴重、行驶速度和温度的升高，基层和面层的竖向应力和位移均增大，且基层和面层在动水冲刷作用下均不断地承受交替出现的拉应力和压应力，对基-面层间的抗冲刷性能产生明显的劣化作用。

（2）相同条件下基层承受的竖向应力总是大于面层，说明路面结构在动水冲刷作用下，基层受到的损伤更大。

（3）面层是由沥青混合料组成的，受温度影响较大，而半刚性基层的力学性质受温度影响较小，高温更易使沥青面层的抗冲刷性能发生劣化。

参考文献：

［1］盖惠恩.基于离散元法车-路相互作用沥青路面动力响应［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2021.

［2］黄维蓉，王娇，杨玉柱，等.基于动水冲刷试验的温拌高黏沥青混合料水稳定性研究［J］.硅酸盐通报，2021，40（11）：3 847-3 853.

［3］罗蓉，梁宇，牛茏昌，等.多温度条件沥青混合料水稳定性评价指标阈值研究［J/OL］.吉林大学学报（工学版）：1-17［2023-02-14］.

［4］党志荣，念腾飞，刘宗成，等.冻融循环-动水冲刷对间断级配沥青混合料特性参数影响［J］.兰州理工大学学报，2022，48（4）：132-137.

［5］王英，李萍，念腾飞，等.基于动水冲刷作用的沥青混合料短期水损害特性［J］.吉林大学学报（工学版），2020，50（1）：174-182.

［6］张甫田，高俊启，鲁洪强.动水冲刷加速沥青混合料水损坏规律研究［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2021，44（6）：790-793.