基于ABAQUS的沥青混合料荷载黏弹性分析

摘 要：为了更好地理解和优化沥青混合料的性能，本研究建立有限元分析模型，采用荷载移动带的方法模拟车辆在沥青路面上行驶，研究动静荷载对沥青路面的影响。在20℃条件下，通过动态、显性分析施加0.7MPa的移动荷载，模拟车辆对路面的实际作用。研究结果表明，车辆快速移动导致明显的竖向应力，但荷载移动后，沥青路面的残余应力迅速回复。竖向应变随时间变化，移动荷载产生显著竖向位移，并保留一部分残余变形。横向应力主要为压应力，且不同级配沥青路面在移动荷载下的横向应变趋势不同。与动静两种加载模式相比，快速移动车辆引起的路面变形主要是瞬时弹性变形，而静载引起的变形主要来自沥青混合料的黏弹性变形和黏性变形。研究认为慢速移动和静压对沥青路面造成的损害比快速移动车辆大。

关键词：ABAQUS；沥青混合料；动静荷载；黏弹力学响应

中图分类号：U 41 " 文献标志码：A

交通运输基础设施的发展日新月异，沥青混合料作为道路铺装的主要材料之一，其性能对道路的耐久性和安全性起着至关重要的作用。在实际交通运输中，沥青混合料受到动静荷载的影响，因此对黏弹力学响应提出了挑战性的问题[1]。为了深入理解沥青混合料在动静荷载下的行为，本研究采用ABAQUS有限元分析软件仿真分析沥青混合料的黏弹力学响应，以揭示其在不同荷载条件下的变化规律。

1 沥青混合料试验材料

选择AC-13、SMA-13、OGFC-13和SUP-13这4种沥青混合料进行试验研究，旨在深入了解其性能。AC-13是密级配沥青混合料，在实际工程中得到广泛应用，其性能稳定可靠，为道路建设提供了重要支持。SMA-13则是一种优沥青碎石混合料，以其卓越的路用性能而备受关注，广泛研究表明其在提高路面抗滑性和耐久性方面有独特优势。

OGFC-13在透水路面和海绵城市等领域得到广泛应用，其设计考虑了水的渗透作用，为城市基础设施提供了有效的雨水排放解决方案。这种沥青混合料在建设具有环保和可持续特性的城市道路方面发挥了关键作用。

SUP-13作为Superpave体系的代表，是一种在多领域广泛应用的沥青混合料。Superpave技术可以对材料性能进行精确控制，使SUP-13在各种气候和交通条件下都能表现出色，为道路工程提供了可靠性和持久性[2]。

选择这4种沥青混合料不仅是因为它们在实际工程中广泛应用，还因为它们代表了不同类型和特性的沥青混合料，涵盖了道路建设中的多个方面，因此，对它们进行系统试验研究，有助于更好地了解其性能。

2 静载作用下沥青路面黏弹性响应数值分析

2.1 静载作用下沥青路面建模过程

当使用专业的计算力学软件ABAQUS构建沥青路面三维数值模型时，按照以下步骤：首先，在ABAQUS的Part模块中创建一个体积为318.36m³（6m×6m×3.76m）的三维有限元分析模型，此模型涵盖了沥青路面的各个结构层以及道路基础，模型如图1所示。其次，在Property模块中，根据相关规范和不同的材料特性，为每一个结构层赋予特定的材料参数和力学参数。再次，在Step模板内设定两个黏弹性分析阶段，分别用来模拟在静止负载条件下的沥青混合料路面蠕变过程以及卸载后车辙变形的恢复过程。将这两个阶段的时间长度均设置为1500s[3]。最后，在模型上施加重载，其长度为19.2cm、宽度为18.4cm、间距为13.5cm。在静态荷载方面，选择0.7MPa作为参考。需要用C3D20R类型单元格对每个结构层都进行划分，尤其是在车辆荷载作用的区域，要采用更为精细的格点划分方式。

2.2 静载作用下沥青路面的弯拉应力响应

2.2.1 各层应力状态分析

在温度为20℃的特定环境中，采用OGFC沥青面层，图2为加载和卸载过程中沥青混合料应力和弯沉变化趋势。当加载时间达到1500s后，路面结构中的底层（即路面基层及垫层）会出现相当明显的应力集中现象，从而使轮胎间隙中心位置承受由双轮承压而带来的沉重负荷。当卸载流程开始，弹性优良的基层和垫层能够快速地回归至初始状态，然而，由黏性弹性材料构成的沥青面层在变形上无法瞬时恢复，导致底部的基层受荷部位仍然伴有横向的压缩应力，于是对上层沥青面层产生“抬升”力量，进一步加剧了拉伸应力。随着卸载时间增加，面层沥青的黏弹性变形逐渐恢复，基层内部的应力逐渐减少，抬升力量开始变弱[4]。虽然在后期的卸载过程中，仍然可以观察到双轮作用位置的沥青面层的剩余变形对基层和垫层产生了一定程度的挤压力，但是这种内在的应力已经得到缓解。

2.2.2 各层横向应力随加载时间的变化

四种级配沥青路面在不同厚度下，受静载作用时横向应力的变化规律：当施加0.7MPa的竖向轴载时，沥青层底部呈现主要的压应力，但随着路面层深度增加，上层和中层的压应力逐渐减少。随加载时间增加，沥青材料的蠕变和松弛特性导致层间应力逐渐减少并趋于稳定。基层和垫层底部则承受拉应力，且垫层拉应力相对基层较小。在卸载后，各层底部瞬间产生较大拉应力，而下层由于沥青面层残留的变形限制了基层、垫层和土基的弹性恢复，导致基层“顶起”沥青面层，使下层底部产生瞬时压应力[5]。四种级配沥青混合料对比显示，AC和SUP级配路面加载时，上层表面的横向压应力较大，而OGFC级配则最小。在卸载后，SUP级配路面上层表面的拉应力较大，提高了开裂风险。

2.2.3 各层竖向应力随加载时间的变化

四种级配沥青路面在加载和卸载过程中各层层底的竖向应力变化：在路面表层初始施加0.7MPa竖向荷载，会导致相近的层间竖向应力。随深度增加，竖向应力逐渐减少，底基层几乎接近零。在卸载后，表层竖向应力瞬间为零，但层底因受基层弹性恢复作用产生拉应力。随时间增加，沥青面层残余变形减少，内应力逐渐消散，但残余黏性变形导致沥青下层和基层仍有残余内应力。

2.3 静载作用下沥青路面的弯沉分析

2.3.1 各层弯沉状态

当温度恒定在20℃且采用OGFC路面结构时，路面对外力作用下所产生的各层次弯沉位移的分布情况：经过长达1500s的持续荷载作用后，可以观察到 basin 路面出现了显著的车辙变形现象，此时路面的最大弯沉已经攀升至8.741×10-4m，与初始加载阶段的1.9715×10-4m相比，长时间的荷载作用对车辙变形的影响显然要大于短暂的瞬间作用。

在荷载移除后，部分残留的车辙变形可以迅速恢复，然而，随着加载时间推移，黏弹性变形逐步恢复，但在卸载后期，沥青路面的变形趋势逐渐稳定化。卸载后留下的车辙变形将在后续因不同类型车辆的反复作用而逐渐累积，最终对道路路面的平整度以及行车舒适性产生负面影响。因此，在针对材料进行研发过程中，提高弹性表现能力，降低沥青混合料的内摩擦特性非常关键。

2.3.2 各结构层弯沉值随加载时间的变化规律

四种级配沥青混合料竖向位移随加载时间变化如图3所示，随着荷载持续施加时间增长，结构各个层次之间的垂向位移也慢慢地变大，特别是深度较大的那些结构层，位移相对更加微小。沥青路面展现出明显的蠕变特征，然而，基层和垫层的位移能够迅速地达到稳定状态。这种现象的主要原因是沥青层的滞止性传输应力机制，使基层和底基层在初期加载阶段的弯曲刚度逐步增加，直至上层应力得到全部传递后，基层和底基层的变形才会变得逐渐平稳。

在卸载后，各层材料的弯沉量瞬间恢复，沥青路面的瞬时恢复量由沥青层的瞬时弹性模量决定。随着卸载时间进一步增加，沥青面层的变形仍持续恢复。在卸载后，沥青面层材料的黏滞特性会使沥青面层荷载点处仍有残余变形，这也是形成车辙变形的主要原因。

比较不同级配沥青混合料的荷载作用点竖向变形，发现在相同荷载下，OGFC级配沥青路面会产生更大的黏弹性变形，且卸载后残余车辙变形最大。因此，当使用OGFC沥青混合料时，应注意提高其抗黏弹性变形能力。

3 动载作用下沥青路面黏弹性力学响应分析

3.1 动载作用下沥青路面建模过程

当研究动态荷载对沥青路面的影响时，通过建立有限元分析模型，采用荷载移动带的方法模拟车辆在沥青路面上行驶的实际情况。模型包括六层沥青路面，通过设置80个双轮加载区域，每个小矩形尺寸为0.184m×0.064m。为研究不同车速对路面的黏弹性响应，采用动态、显性分析步，并将车速分别设置为54km/h、72km/h、90km/h和108km/h。分别计算相应的行驶时间和总时间，模拟车辆通过一个小矩形的时间。在荷载设置方面，利用Abaqus子程序对80个小矩形施加0.7MPa的移动荷载，模拟车辆对路面的实际作用。

3.2 移动荷载作用下沥青路面黏弹力学响应

在20℃条件下，以OGFC级配沥青路面为例，在20m/s车速的移动荷载作用下，单个双轮车辆的较快行驶导致明显的竖向应力，但荷载移动后，沥青路面的残余应力迅速回复。当荷载移动时，沥青路面产生约为2.396×10-4m的显著竖向位移，轮迹处位移快速向下层及周边扩散，并保留一部分残余变形[6]。这种响应与静态荷载下的黏弹性类似，主要受沥青混合料黏弹性质影响。每次车载荷残余变形的累积影响会形成车辙。

3.2.1 竖向应力与应变

四种级配沥青路面中间位置0.7MPa移动车辆荷载下的竖向力学响应：随着路面深度增加，最大竖向荷载逐渐减少，且荷载作用点的竖向应力远高于轮隙中心的。当移动荷载接近取样点时，由挤压作用导致向上的拉应变，在荷载到达后，迅速产生向下的压应变，在移除荷载后，沥青混合料保留残余竖向应变。SUP-13沥青路面产生的竖向应变更小，在累积荷载作用下，车辙变形更小。

3.2.2 横向应力与应变

四种级配沥青路面沥青面层在移动荷载加载时间下横向应力与应变的趋势：横向应力主要是压应力，且SUP、SMA和OGFC这3种路面的最大横向应力均超过0.7MPa，大于竖向加载应力。在双轮作用点处的横向应力较轮隙中心点小，主要损伤发生在双轮作用点。

对比动静两种加载模式，1500s静载作用下的沥青路面的横向应变和竖向应变显著高于移动荷载。当车辆快速移动时，路面变形主要是瞬时弹性变形，少部分是沥青混合料的黏弹性或黏性变形；而静载时，路面变形主要来自沥青混合料的黏弹性变形和黏性变形，瞬时弹性变形占比小。表明慢速移动和静压对沥青路面造成的损害比快速移动车辆大。

4 结语

本文通过有限元分析模型和荷载移动带模拟了车辆在不同速度下对沥青路面的影响。快速移动车辆引起的路面变形主要是瞬时弹性变形，而静载引起的变形主要来源于沥青混合料的黏弹性变形和黏性变形。慢速移动和静压对沥青路面的损害较大。此外，不同级配沥青路面在移动荷载下表现出不同的横向应变趋势，进一步说明路面材料的特性对动态荷载响应的敏感性。

参考文献

[1]周雯怡，张鑫，于文，等.沥青混合料动态模量多因素耦合的预估模型分析[J].公路交通科技，2023，40（10）：1-9.

[2]王杰，郑鲲鹏，徐剑，等.发泡用水量对泡沫温拌沥青混合料力学性能的影响[J].公路交通科技，2023，40（8）：1-8.

[3]李雪连，许杰，叶峻宏，等.基于蠕变与松弛试验的再生沥青混合料高低温性能研究[J].公路交通科技，2023，40（8）：9-15.

[4]汤文，张自旭，马迪，等.基于三维随机细观模型的沥青混合料断裂行为研究[J].武汉科技大学学报，2023，46（4）：272-280.

[5]杨国宝，吴禹震，陈松强.沥青混合料非线性对路面力学响应的影响研究[J].上海公路，2023（1）：110-113，137，183.

[6]肖敏敏，程韦，杨礼明.考虑沥青混合料空隙率的蠕变特性及改进Burgers模型[J].科学技术与工程，2023，23（4）：1698-1708.