含破碎层的沥青加铺层的力学响应研究

【摘要】研究首先对ABAQUS软件应用进行了介绍，并对沥青加铺层破碎层计算模型及材料属性进行了分析，最后运用ABAQUS软件，对路面加铺层进行三维有限元分析，结果表明试验路段各参数均满足设计要求，因此工程采用的加铺层厚度设计是可行的。

0绪论

含破碎层的沥青加铺层力学相应规律研究目前存在多种方法及手段，为充分获取含破碎层的加铺路面的力学响应规律，如何建立及选取数值计算力学模型为力学分析关键。

目前针对沥青路面的数值分析主要有有限元软件计算（如ABAQUS、ADINA、ANSYS、MARC）、BISAR程序计算、KENLAYER程序计算等工具来实现。本文采用美国 ABAQUS 公司研制开发的ABAQUS软件进行有限元分析计算[1]。

1 ABAQUS 有限元软件的介绍

ABAQUS是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS有限元软件由美国ABAQUS公司研制开发的，在国际上被公认为是功能最强大的有限元软件之一，可以分析各种力学系统，特别是能够处理非常复杂的力学问题和模拟高度非线性问题。

2破碎层计算模型及材料属性

2.1破碎层的计算模型

根据国内外研究表明破碎层散粒体特性比较明显，主流的破碎层计算模型主要包括整体（连续）介质模型以及粒状（不连续）介质模型。

整体（连续）介质模型将破碎层认为是一个统一的整体，其内部位移与应力为连续变化，在极限内摩擦力与粘聚力范围内具有较好的抗拉和抗剪的能力，因此该模型又可称为粘性散粒介质。

粒状（不连续）介质模型是将破碎层定义为由相互接触的各种形状的颗粒组成，且各颗粒之间的相互作用服从概率法则。

在本次试验研究中，将破碎层视为整体介质，引入并改善上述两种模型，利用沿着破碎层任意断面连续分布力替代单颗粒接触点的力，以此提高研究精度。

2.2破碎层的材料属性

目前国内外学者用来描述材料属性的模型主要有两种：弹性（包括线弹性、非线性弹性）模型以及弹塑性模型。

破碎层产生塑性变形的根本原因是由破碎层颗粒间接触点上实际传递的应力，超过以连续介质模型为基础计算得到的平均应力而引起的。研究发现，平均应力不大时，而接触点的实际应力可能使得单个颗粒强度达到极限强度，从而使变形带有塑性的性质。如果有较多单个颗粒超过了极限强度，则整个破碎层的变形将有一部分不可恢复[2-4]。

根据当前研究表明，水泥混凝土的抗压强度可达到几十MPa，表明使碎石化颗粒产生塑性变形，则在单个颗粒上的应力必须大于水泥混凝土的抗压强度。但在沥青加铺层表面作用标准轴载（0.7MPa）或重载（1.0MPa）的条件下，破碎层颗粒间传递的应力达到几十MPa难度较大，出现塑性变形的可能性较小。

3含破碎层的沥青加铺层路面有限元模拟

3.1模型的基本假定和基本设置

（1）模型及单圆模型：模型建立轴对称模型，单元模型采用的是线性六面体C3D8R单元；

（2）材料属性：路面结构为弹性层状体系，各结构层材料均为线弹性，用弹性模量E、泊松比μ表征；

（3）各结构层层间为完全连续，用Tie进行约束；

（4）模型尺寸模型的尺寸为2.192m（沿行车道方向）×2.5m（沿道路横向）×2m（深度方向）；

（5）边界条件：地基地面固定（Encastre），轴线及周边施加水平方向的约束。

（6）荷载条件：取标准荷载100KN，不考虑轮胎胎壁刚度的影响，接地压力取胎压为0.7MPa。

3.2模型计算参数的定义

在借鉴国内外已完成的碎石化工程的部分研究成果基层上，为下一步提供准确的设计参数及设计依据，本文对试验段的实验及检测结果进行了分析，为力学机理数值分析、设计方法研究做准备，提供一定的基层材料，同时为施工工艺及质量控制标准提供实际依据。

以沥青层厚度为22cm，模量1500MPa；破碎层厚度22cm，模量900MPa；水稳层厚度32cm，模量900MPa；山皮石厚度15cm，模量100MPa，土基层厚度110cm，模量60MPa，为基本模型，将此路面视为典型的碎石化路面结构。

4 实例应用

试验路段采用的路面的加铺形式为4cm（SBS）SMA-13+6cm（SBS）AC-20+12cmATB-25，所采用的路面厚度均比前面三种计算的路面厚度要厚，这是考虑到共振破碎计算在我国刚刚开始，各种设计方法还不成熟，道路超载情况比较严重，因此，采取比较保守的设计方法。

运用ABAQUS软件，通过对路面加铺层进行三维有限元分析，分析路面加铺层厚度是否符合设计规范的要求。

ATB-25回弹模量为1000MPa，AC-20回弹模量为1200MPa，SMA-13回弹模量为1400MPa，破碎层回弹模量由当量回弹模量反算为903.5MPa，水稳层的回弹模量为867.9MPa，山皮石层当量回弹模量无法检测，参照规范回弹模量取值为100MPa，土基层回弹模量由查表可知为32MPa。

1对弯沉的分析

运算后，取沿沥青加铺层表面横向穿过荷载中心的路径，统计在这条路径上的弯沉变化。在荷载中心处的最大弯沉值为34.1（0.01mm），小于路面设计弯沉值34.3（0.01mm），符合设计要求。

2沥青层层底拉应力

在沥青层层底，沿道路横向，选择一条穿过荷载中心的路径，分别统计沿道路纵向和横向的层底拉应力，在荷载中心处及周围沥青层层底受拉应力，最大拉应力为0.201MPa，小于容许应力0.23MPa，符合设计要求。

3土基层层顶最大压应变

在模型的土基层顶面，沿道路横向，选择一条穿过荷载中心的路径，统计在荷载作用下的土基层层顶最大压应变。由 加铺路面设计年限内当量轴载次数为17077570 ，计算可知，土基层最大压应变为0.000239，在荷载的中心处出现最大的压应变为0.000177，小于土基层允许压应变0.000239。

通过对路面结构模型进行三维有限元模拟分析，可知，试验路段的弯沉值、沥青层层底拉应力、土基层层顶压应变均满足设计要求[7]，试验路段采用的加铺层厚度设计是可行的。

5 结论

研究分析了破碎层计算模型机材料属性，运用ABAQUS软件对试验段加铺层路面进行三维有限元分析，经过模拟计算，试验段沥青加铺层厚度能够满足道路设计要求。

【参考文献】

[1] 庄茁 张帆 ABAQUS 非线性有限元分析与实例.北京：科学出版社.2005.3

[2] Dowding C H. Construction Vibration [M].Prentice Hall Upper Saddle River.1996.

[3] TRB. Sublimation of Portland Cement Concrete Pavements Design and construction of HMA overlays on Rubblized PCC pavement [J]. Transportation research board. Research Circulate E-C087.January 2006

[4] Federal Aviation Administration （FAA）. Item p-215 Base Course From Rubblized concrete Pavements [S] . Engineering Brief NO.66 February 13 2004

[5] 徐柱杰.旧水泥混凝土路面共振碎石化及加铺技术 [D] 同济大学 2008年

[6] 罗青海.共振破碎改造旧水泥混凝土路面机理及效应研究 [D] 重庆交通大学 2011年

[7] 中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）.北京：人民交通出版社，2006.