基于ANSYS的广西高速公路沥青路面车辙病害原因分析

韦明 余芳

摘要：本文利用ANSYS有限元软件，以路表弯沉、基层层底弯拉应力、土基顶面壓应变及层间剪应力为评价指标，计算在轴载、车道坡度及使用阶段上面层模量的衰减对沥青路面结构力学性能的影响，对比分析高温、常温条件下轴载对沥青路面结构的力学响应，旨在分析依托工程沥青路面车辙病害的产生机理，以供参考。

关键词：沥青路面；车辙；有限元

DOI：10.12433/zgkjtz.20240741

基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目

项目名称：广西高速公路沥青路面车辙病害分析与对策研究

项目编号：2020KY34016

随着我国高速公路的发展，车辙病害已成为影响正常运行和安全的主要问题。因此，研究车辙病害的成因对其综合治理具有重要意义。

朱乔发现Creep模型可以有效模拟沥青混合料的车辙特征，在表征全厚式沥青路面车辙上也具有效性。骆妍利用ABAQUS软件模拟路面结构，发现温度、超载、重载对沥青路面车辙变形的影响较大。冯伟、刘朝晖等采用有限元软件分析结果与实测车辙值进行对比，发现两值表现出了相同规律且具有较高的一致性。

本文依托工程地处广西壮族自治区，气候湿热、降水充沛，重载车辆较多，车辙病害分布广泛，故拟利用ANSYS有限元软件，分析车辙病害原因，为提高高速公路沥青路面工程质量和服务水平提供理论依据。

一、有限元模型的建立

（一）路面结构及计算参数

对依托工程的路面结构进行力学分析，由于路面在实际使用阶段面层模量的衰减，拟选取上面层模量为1800MPa、1400MPa、1000MPa、600MPa、300MPa分别进行分析，路面结构为：沥青上面层4cm+中面层6cm+下面层6cm及等效基层50cm。

（二）荷载形式

选用155.6mm×227.4mm作为轮胎的接地尺寸。分析不同荷载作用情况下各路面结构层的受力情况时，不计轮胎接地形状的不均匀性（即不考虑轮胎接地面积的折减系数）。

考察坡度对路面结构的力学影响时，分别取水平力系数为0.1、0.2、0.3、0.4。

（三）计算模型

基于弹性层状体系理论，利用三维有限元计算软件ANSYS建立路面结构模型，模型尺寸选为6m×6m×6m，采用20个节点的Solid185单元，模型底部完全固结，左右两侧限制x方向的位移，前后两侧限制z方向的位移，层间接触视为完全连续。

二、力学计算与分析

（一）路表弯沉分析

以路表弯沉为评价指标，分析轴载、坡度和上层材料模量衰减等因素，得出车辙成因。路表弯沉分布如图1所示。

由图1可知，轴载的增加会影响路表弯沉值，上面层模量的衰减对路表弯沉的影响不是很显著。而通过对依托工程路面芯样检测结果的分析发现，上面层厚度和压实度均偏低，由此可知，在施工铺筑时未充分压实，开放通车后重载车辆会进一步压实轮迹带下的面层，形成压密性车辙。

（二）基层层底弯拉应力分析

以基层层底弯拉应力为评价指标，分析轴载、坡度及上面层模量衰减对沥青路面病害的影响。基层层底弯拉应力如图2所示。

由图2可知，轴载的增大会显著影响路基底部的弯拉应力，而上部弹性模量的衰减以及斜坡的增大会影响基层底部的弯拉应力。当汽车过载时，沥青路面竖向变形很大，各层底部的弯拉应力也会随之增加，但层底抗拉应力很低。在重载车辆的反复荷载下，由于其弯拉应力远远超过标准轴载时的拉应力，容易导致路面的弯拉疲劳破坏。

（三）地基顶面的压应力与应变关系分析

以路基顶面最大应力应变作为评价指标，分析轴载、坡度和上层材料模量衰减等因素对沥青路面长期变形的影响，得出车辙成因。土基顶面压应变分布如图3所示。

随着轴载的增加，土基顶面压应变呈现线性增长的变化趋势。通过对依托工程车辙调查发现，行车道车辙严重度远超超车道。这是由于累计混合交通量主要分布在行车道上，导致重载对行车道沥青路面的作用次数更多。而土基顶面压应变随坡度的增加而呈下降趋势，随上面层模量衰减而呈上升趋势。因此，如果路基强度不足，路面结构在重载车辆作用下极易产生整体永久变形，造成结构性车辙。

（四）剪应力分析

以剪应力为评价指标，分析轴载、坡度及上面层模量衰减对沥青路面各结构层之间的影响，得出车辙成因。层间剪应力的变化如图4、图5、图6所示。

轴载、上面层模量和坡度的变化会影响层间剪应力，但影响的层位不同。轴载增加对下面层底面的剪应力影响较大，上面层模量的衰减和坡度的增加对上面层底面的剪应力影响较大。因此，在沥青面层中，内部材料可能在剪应力的作用下横向流动，在两侧隆起，产生失稳型车辙。

（五）高温状态下路面结构响应分析

1.高温状态下模量的确定

依托工程实测路表最高温度为60℃，路面结构内4cm（上面层底部）、10cm（中面层底部）、16cm（下面层底部）处的最高温度分别约为55.5℃、49.9℃、44.2℃。

根据《沥青路面强度变化规律及养护》中对模量与温度的关系公式，计算不同温度下沥青面层模量，暂不考虑坡度及上面层模量衰减情况。

2.计算结果分析

高温和常温下的路表弯沉和土基顶面压应变随着轴载的增加而呈线性增加趋势，且高温条件下增加速率略大，高温下指标计算值大于常温条件，说明在高温条件下，面层模量的降低将导致路面结构强度降低，如图7、图8所示。

同时，通过对温度和层间剪应力变化关系的分析可以发现，当温度升高时，层间剪应力会随着减小，沥青混合料的模量随之降低，剪应变会大幅增加，导致显著剪切变形。

根据调查，持续高温天气往往是车辙容易产生的阶段，因此，必须重视面层的高温抗车辙性能。

三、结语

本文通过分析不同的轴载作用下重载对沥青路面路表弯沉、基层层底弯拉应力、土基顶面压应变以及层间剪应力的影响，得出重载作用下路面易产生车辙的原因。

通过分析依托工程路面结构的力学响应，得出上下坡路段易产生剪切流动型车辙的原因以及路面结构形式对车辙病害的影响。

根据以上研究，得出如下结论：路面车辙病害主要与重载交通、车道坡度及材料参数的变化有关。

第一，路表弯沉、土基顶面压应变、层间剪应力以及基层层底弯拉应力随着轴载的增大呈现线性增大的变化趋势，重载交通是产生病害的一大主要原因。

第二，上、下坡道路段路面内最大剪应力较大，且一般出现在面层内，距离路表深度约为3cm，这是产生流动型车辙的主要原因。

第三，依托工程下面层厚度增加了2cm，但表面弯沉减小了2.5%，基层层底由拉应力变为压应力，沥青路面结构组合状况对路面结构的整体性能具有重要影响。

参考文献：

[1]朱乔.基于ANSYS有限元分析的沥青路面车辙研究[D].武汉：湖北工业大学，2015.

[2]骆妍.基于有限元法的沥青路面车辙分析[D].石家庄：石家庄铁道大学，2015.

[3]冯伟，刘朝晖，柳力，等.半刚性基层沥青路面车辙有限元模拟及灰关联分析[J].中外公路，2021，41（06）：60-65.

[4]肖丽霞.重载交通沥青路面力学响应分析及车辙预测[D].郑州：郑州大学，2011.

[5]竺支珍.基于有限元法的沥青路面车辙分析[J].交通世界，2021（33）：135-136.

[6]王新友.沥青路面强度变化规律及养护[M].郑州：黄河水利出版社，2004.

通讯作者：韦明，硕士，广西交通职业技术学院专职教师，副教授，工程师。

作者简介：余芳，硕士，广西交通职业技术学院专职教师，副教授，工程师。