FWD作用下瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉數(shù)值分析

鄭元?jiǎng)祝?熊曉莉， 黃靜卿

(1.鄭州大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院 河南 鄭州450001； 2.河南工業(yè)大學(xué) 土建學(xué)院 河南 鄭州 450001)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)方法采用設(shè)計(jì)彎沉作為路面整體剛度的設(shè)計(jì)指標(biāo).高速公路、一級(jí)公路和二級(jí)公路的瀝青路面除了按彎沉設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)外，還需對(duì)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)面層和半剛性基層、底基層進(jìn)行層低拉應(yīng)力的驗(yàn)算.城市道路路面設(shè)計(jì)尚需進(jìn)行瀝青混合料面層的剪應(yīng)力驗(yàn)算.FWD作為目前道路檢測(cè)領(lǐng)域主流的彎沉測(cè)量設(shè)備，很有必要研究FWD作用下的瀝青路面彎沉及路面厚度、模量、加載速度對(duì)其的影響，進(jìn)而了解路面彎沉變化特點(diǎn)，有助于優(yōu)化路基路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)防路面早期損壞的發(fā)生[1-5].

1 試驗(yàn)路段選取

選取一條典型路段，路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)路段結(jié)構(gòu)Tab.1 Structure of asphalt pavement

2 基于ANSYS有限元模型的建立及驗(yàn)證

建立三維有限元模型的相關(guān)假設(shè)、邊界處理方法及有限元模型精度驗(yàn)證見文獻(xiàn)[6].三維有限元模型及尺寸見圖1和2，有限元模型精度驗(yàn)證見表2[6-12].

圖1 路面三維模型尺寸Fig.1 Sizes of three dimensional models of road

圖2 路面有限元模型Fig.2 Finite element model of pavement

距加載點(diǎn)距離/m0.0000.2030.3050.4570.6100.9141.2191.5241.829測(cè)點(diǎn)1彎沉值/μm1931451261179873524136測(cè)點(diǎn)2彎沉值/μm19514913412010275564437彎沉均值/μm19414713011910074544337數(shù)值計(jì)算/μm20715513712510579584639誤差/%6.75.45.45.05.06.87.47.05.4

由表2可知，F(xiàn)WD作用下瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好，誤差控制在5%左右，證明了利用有限元模型進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)分析是有效可行的.

3 基于FWD的瀝青路面動(dòng)力特性分析

3.1 瀝青路面面層厚度對(duì)路面動(dòng)力特性的影響

在只改變面層厚度的情況下研究不同面層厚度下瀝青路面動(dòng)力特性的變化，F(xiàn)WD作用下瀝青路面面層厚度變化對(duì)路面動(dòng)力特性的影響如圖3和4所示.

圖3 不同面層厚度瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.3 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖4 不同面層厚度瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.4 Comparison of deflection along with depth direction

由圖3可以看出，適當(dāng)增加瀝青路面厚度可以有效地控制路面彎沉指標(biāo)，尤其可以顯著減小路表最大彎沉值，當(dāng)面層厚度從5 cm增加到30 cm時(shí)路表彎沉值呈均勻減小的趨勢(shì)，最大可降低23.2%.但隨著距離加載點(diǎn)距離的增加，面層厚度的增加對(duì)路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢(shì)，在距離加載點(diǎn)1.8 m左右這種影響已相當(dāng)微弱.圖4則表明路面厚度的增加對(duì)減小沿路面結(jié)構(gòu)深度方向的動(dòng)態(tài)彎沉亦具有明顯的作用，且在上基層底部深度處，厚度的增加對(duì)減小彎沉值最顯著，最大可減小彎沉值42.8%，到達(dá)土基深度，這種影響開始減弱.

3.2 瀝青路面面層模量對(duì)路面動(dòng)力特性的影響

為了研究瀝青路面模量對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響，在只改變?yōu)r青面層模量的情況對(duì)其在FWD動(dòng)態(tài)加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5和6所示.

圖5 不同面層模量瀝青路面沿縱向彎沉變化情況Fig.5 Deflections along longitudinal direction

圖6 不同面層模量瀝青路面沿深度處彎沉變化情況Fig.6 Deflections along depth of AC pavement

由圖5可以發(fā)現(xiàn),適當(dāng)提高瀝青面層模量可以有效減小路面彎沉值，面層模量由900 MPa逐漸提高到2 400 MPa時(shí)，路面彎沉值呈均勻減少趨勢(shì)，尤其在加載點(diǎn)處，彎沉值最大減小量可達(dá)32.9%.距離加載點(diǎn)15 cm(均勻圓形荷載外緣)之外，模量的增加對(duì)彎沉值的減小作用迅速減小，在距加載點(diǎn)1.8 m處，這種影響已相當(dāng)微弱.圖6顯示提高路面模量對(duì)減小道路豎向彎沉效果明顯，但隨深度的增減影響效果逐漸減少，至基層處處于穩(wěn)定.

3.3 瀝青道路基層厚度對(duì)路面動(dòng)力特性的影響

為了研究瀝青道路基層厚度對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響，在只改變?yōu)r青道路基層厚度的情況下對(duì)其在FWD動(dòng)態(tài)加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖7和8所示.

圖7 不同基層厚度瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.7 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖8 不同基層厚度瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.8 Comparison of deflection along with depth direction

由圖7可以看出，瀝青基層厚度的適當(dāng)增加可以有效地減小路面彎沉值，如基層厚度從38 cm增加到73 cm過程中，路表彎沉值呈均勻減小的趨勢(shì)，最大可降低34.7%.但隨著距離加載點(diǎn)距離的增加，基層厚度的增加對(duì)路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢(shì)，在距離加載點(diǎn)1.8 m左右這種影響已相當(dāng)微弱.圖8則表明基層厚度的增加對(duì)減小沿路面結(jié)構(gòu)深度方向的動(dòng)態(tài)彎沉亦具有明顯的作用，且在基層深度處，厚度的增加對(duì)減小彎沉值最顯著，最大減幅達(dá)54.5%，到達(dá)土基深度，這種影響開始明顯減弱.

3.4 瀝青路面基層模量對(duì)路面動(dòng)力特性的影響

為了研究瀝青道路基層模量對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響，在只改變?yōu)r青基層模量的情況下對(duì)其在FWD動(dòng)態(tài)加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖9和10所示.

圖9表明瀝青基層模量的適當(dāng)增加可以有效地減小路面沿縱向的彎沉值，如基層模量從1 300 MPa增加到2 550 MPa的過程中，路表彎沉值呈均勻減小的趨勢(shì)，最大降幅達(dá)22.3%.但隨著距離加載點(diǎn)距離的增加，基層模量的增加對(duì)路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢(shì)，在距離加載點(diǎn)1.8 m左右這種影響已相當(dāng)微弱.圖10則表明基層模量的增加對(duì)減小沿路面結(jié)構(gòu)深度方向的動(dòng)態(tài)彎沉亦具有明顯的作用，尤其是在基層深度處，最大減幅達(dá)27.5%,到達(dá)土基深度時(shí)，影響呈減弱趨勢(shì).

3.5 土基模量對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響

為了研究瀝青土基模量對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響，在只改變?yōu)r青面層模量的情況對(duì)其在FWD動(dòng)態(tài)加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖11和12所示.

圖9 不同基層模量瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.9 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖10 不同基層模量瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.10 Comparison of deflection along with depth direction

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，土基模量的適當(dāng)增加雖然可以適當(dāng)減小路面沿縱向的彎沉值，但相對(duì)增加面層模量與基層模量的影響而言，土基模量的增加對(duì)彎沉值的減少有限，如基層模量從30 MPa增加到100 MPa(增幅230%)的過程中，路表彎沉值最大降幅僅為17.5%.且隨距加載點(diǎn)距離的增加，基層模量的增加對(duì)路面彎沉的減少呈逐漸減小的趨勢(shì)，在距離加載點(diǎn)1.8 m左右這種影響接近于零.

圖12則表明土基模量的增加對(duì)減小沿路面結(jié)構(gòu)深度方向的動(dòng)態(tài)彎沉亦具有一定的作用，尤其是在面層以下，到達(dá)土基深度時(shí)，這種影響依舊存在.

圖11 不同強(qiáng)度土基瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.11 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖12 不同強(qiáng)度土基瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.12 Comparison of deflection along with depth direction

3.6 加載時(shí)間對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響

為了研究不同加載時(shí)間對(duì)瀝青路面動(dòng)力特性的影響，在只改變加載時(shí)間的情況對(duì)其在FWD動(dòng)態(tài)加載作用下的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖13和14所示.

圖13 不同加載時(shí)間下瀝青路面沿縱向彎沉比較Fig.13 Comparison of deflection along with longitudinal direction

圖14 不同加載時(shí)間下瀝青路面沿深度方向彎沉比較Fig.14 Comparison of deflection along with depth direction

由圖13可以發(fā)現(xiàn)：隨加載時(shí)間的增長(zhǎng)，路面沿縱向的彎沉值呈增加趨勢(shì)，但當(dāng)加載時(shí)間大于0.030 s以后，加載時(shí)間的增加對(duì)彎沉值的影響快速減小，并穩(wěn)定在一定水平.如加載時(shí)間從0.013 s增加到0.030 s時(shí)，路面沿縱向彎沉值增長(zhǎng)較快，最大增幅達(dá)25.2%.加載時(shí)間達(dá)到0.030 s后，加載時(shí)間的增加對(duì)彎沉值的影響不大，如加載時(shí)間從0.030 s增加到0.050 s時(shí)，彎沉值最大增幅不到1%.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，隨距加載點(diǎn)距離的增加加載時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)路面沿縱向彎沉值的影響衰減緩慢，在1.8 m距離處依舊較為明顯.由圖14發(fā)現(xiàn)，與加載時(shí)間的增長(zhǎng)對(duì)沿縱向彎沉值的影響相似，沿深度方向處的彎沉值亦隨加載時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，但同樣當(dāng)加載時(shí)間達(dá)到0.030 s以后，其影響穩(wěn)定在一定程度，彎沉值不再隨加載時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增加.同時(shí)，隨深度的增加，加載時(shí)間對(duì)彎沉值的影響衰減較慢，基本保持在一穩(wěn)定值.

4 小結(jié)

1) 研究表明,通過增加瀝青面層及基層厚度可以有效減小瀝青路面彎沉值，從而達(dá)到對(duì)路面最大彎沉值的控制.

2) 通過提高面層和基層模量值也可以達(dá)到減小路面彎沉的目的；適當(dāng)提高土基強(qiáng)度也可以在一定程度上減小路面彎沉值.

3) 加載時(shí)間的長(zhǎng)短亦是影響路面彎沉的一個(gè)重要因素.計(jì)算結(jié)果表明,在加載時(shí)間小于0.030 s時(shí)，隨加載時(shí)間的增長(zhǎng)，路面彎沉快速增加；但當(dāng)加載時(shí)間大于0.030 s后，加載時(shí)間對(duì)路面彎沉的影響基本穩(wěn)定在一定程度.

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