路基壓實度對路面沉降規律的影響有限元分析（交通）

                                李  筠

                （石家莊市京昆高速公路京石管理處  石家莊050000）

摘要  為確定壓實度對瀝青混凝土路面的影響，借助有限元軟件，系統分析90%，92%，94%，

96%，以及98%5種路基壓實狀態下路面的沉降規律。結果表明，路基壓實度從90%增加到

98%，沉降減少近1倍，相同路基壓實度下，路面上部的沉降要大于路面下部的沉降，路基沉降具有不均勻性，路基壓實度越低，不均勻沉降就越劇烈。

關鍵詞  路基壓實度沉降有限元

    隨著交通荷載的日益重型化，交通量的大幅增長，高速公路路面的早期破壞現象較為嚴重，車轍、裂縫、沉陷、坑槽等路面破壞現象幾乎出現在所有路面結構中，為交通工具的正常行駛和公路的養護造成了很大的困難。造成這些現象的原因是多方面的，但路基的強度與穩定性對路面工程質量的影響是其中的重要因素。高標準壓實是保證路基強度和穩定性的重要措施，不僅可以提高路基土強度，對行車荷載反復作用下產生的永久變形也有抑制作用，可以防止路面過早產生車轍、沉陷等病害。但是，在路基施工時往往局部壓實度達不到規范要求，如不及時處理會引起路基不均勻沉陷，導致路面局部沉陷、產生縱向裂紋和橋頭跳車，對行車安全及舒適程度影響較大，縮短了路面的使用壽命。

    基于此，本文利用有限元軟件系統分析不同壓實度路基在車輛荷載作用下的沉降變形規律，為路基設計和施工奠定基礎。

1  車輛動載下路基路面的有限元建模

    路面結構在水平方向和深度方向取其有限尺寸，應用三維實體單元進行離散處理，在非對稱橫斷面上完全約束，對稱面上限制垂直于對稱面方向的位移，底部完全約束，面層表面作為自由面，不進行任何約束。

1.1  材料的力學參數

    根據彈性波傳播速度、路基密度和路基彈性模量之間的關系，得到：

    對于不同的密度，彈性模量E和剪切模量G也將發生變化。隨著孔隙度減小，密度增大，同時，E和G也將增大，且E，G增大速度要比的增大快得多。通過以上公式，對于不同的壓實度，可以求出對應的彈性模量E和剪切模量G。路面、路基材料的計算參數見表1。

1.2邊界條件的確定

    在模型中XY平面為橫斷面，X軸為橫向，Y軸為豎向，Z軸為縱向（即行車方向）。模型中面層、基層、路基與地基分別作為不同的組（即代表不同的材料），但都采用塊體元進行計算?？v向的2個斷面（即與Z軸垂直的2個斷面）的Z方向位移被約束，橫向的2個斷面（即與X軸垂直的2個斷面）的X方向位移被約束，豎向最底面的X，Y，Z方向位移被約束。

1.3  車輪與地面接觸面積

    本文計算荷載采用標準雙輪軸載100 k N，輪壓0. 707 M Pa。實際每個輪胎接觸面積大致形狀可由1個矩形和2個半圓形組成，其接觸面積A。如圖1。

    為了方便有限元計算，接觸面積可進一步簡化為等寬的單一矩形0. 8712L×0.6 L。因為接觸面積由每個輪胎承受的荷載除以輪壓求得，Ac=25×103/0. 707 - 35 361  mm²．故L=260mm。

2  瀝青路面路基三維有限元模型

    首先建立路基的有限元離散模型。將路基視為三維實體，沿寬度方向取14. 75 m（單向3車道）路基路面斷面圖見圖2a），考慮到結構對稱，故取橫斷面一半進行建模分析，見圖2b）。在面層、基層、底基層、路基、地基采用SOLID45實體單元。SOLID45為8節點三維單元，每個節點有3個自由度，即X，Y，Z方向的平動自由度。路面按層劃分網格，模型單元網格見圖2c)。

    根據路面設計規范，以雙輪組單軸載100 k N為標準軸載進行分析計算，即P₀=10 k N。為更好地利用有限元模擬實際汽車荷載作用下路面的動力響應分析，采用2車道2輛車對路面施加荷載，每輛車為4輪組車輛，共12個加載面，每個加載面的面積為0. 871 2L×0.6L，這樣荷載作用時動態響應的迭加效果比較明顯，所以進行路基路面動力響應分析時，從整體上分析動態響應的趨勢和變化規律。輪載作用見圖3。

標準軸載轉化為車輪輪壓，在半波正弦荷載作用下，共進行55次循環，其車輪輪壓時程圖見圖4。

3不同路基壓實度下路面路基沉降分析

    對于整個模型，針對不同的路基平均壓實度，分別給出了Y方向位移圖。不同壓實度路面位移見圖5。

由圖5可見，隨著循環次數的增加，呈現變形越來越大的趨勢。路基、基層和路面均是由散粒材料填筑而成，在車輛荷載作用下，路基、基層和路面均要產生變形。路基、基層和路面的總變形分為彈性變形和塑性殘余變形。殘余塑性變形隨車輛荷載的作用次數而不斷累積增加成為累積永久變形。對于路面而言，累積永久變形表現為車轍；路基和基層的累積永久變形即為沉降。豎向位移（彎沉）是我國瀝青路面設計中的一個重要的力學指標，反映了路面整體承載能力和使用狀況的好壞。

    為反映路基壓實度與沉降之間的關系，特繪制不同位置下、不同路基壓實度下的沉降時程曲線。其中圖6是土基頂部不同路基壓實度下沉降時程曲線；圖7是路基頂部不同路基壓實度下沉降時程曲線；圖8是面層頂部不同路基壓實度下沉降時程曲線。

    由圖6～8可見，路基壓實度雖然只增加一點，但對于沉降的影響卻比較大。路基壓實度從90%增加到98%，沉降平均可以減少近1倍。原因在于路基壓實度的變化，其彈性模量和剪切模量也將發生變化，且彈性模量和剪切模量增大速度要比路基壓實的增大要大得多。這樣由于路基剛度的急速增加，自然在相同荷載作用下，整體沉降要小。

4結論

    (1)路基壓實度從90%增加到98%，沉降平均減少近1倍。

    (2)相同路基壓實度下，路面上部的沉降要大于路面下部的沉降。路基具有不均勻性。路基壓實度越低，不均勻沉降就越激烈。

    (3)為減少路面在交通荷載作用下發生車轍，也應該提高路基的壓實度。