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1、最新【精品】范文 参考文献 专业论文饱水状态下沥青路面结构孔隙水压力有限元分析饱水状态下沥青路面结构孔隙水压力有限元分析 摘要：利用有限元软件ABAQUS建立饱水时沥青路面有限元模型，确定模型结构的尺寸、参数。建立行车荷载下普通沥青路面结构与设排水基层路面结构饱水状态下的有限元模型，将荷载作用下两种路面结构在饱水状态下的孔隙水压力情况进行比较，通过对比来分析在饱水状态下设排水基层对路面结构的影响。 关键词：饱水状态； 沥青路面； 有限元 中图分类号：U416.217文献标识码： A 文章编号： 沥青路面早期水损害现象在我国出现的较为普遍。道路路面在投入使用过一段时间后，无法避免的会出现各种病害
2、，这些病害产生的一个重要原因就是水的渗入。路面结构中如果长期积滞自由水而不能及时排除的话将会对路面产生很多有害的影响12。目前国内主要采用设排水基层的方式来预防水损害，但此问题的研究必须在路面有水的环境下处于饱水状态的沥青路面，在车辆荷载的作用下，路面结构的孔隙和裂缝处将产生孔隙水压力，这是饱水时路面与无水时路面最主要的区别，因此孔隙水压力作为路面水损害的重要原因，分析沥青路面结构设置排水基层在饱水状态下孔隙水压力的大小及变化规律,为优化路面排水设计进而防治水损害提供理论基础。 1 饱水沥青路面结构分析模型 1.1基本理论 本文将饱水的沥青路面结构用现代多孔介质理论3-Biot理论来描述，沥青
3、路面结构被视为理想的多孔介质和均质、各向同性、层间完全连续接触的线性弹性层状轴对称体系，基于有效应力分析基本方程，应用ABAQUS进行有限元计算分析。 1.2有限元模型 将设有排水基层的饱水沥青路面结构视为层状多孔介质体，双圆竖向均布荷载作用于路表上，层与层之间的接触认定为完全连续。计算中假设路面结构内初始状态为零。沥青混合料、基层材料和路基土为固相，其上边界竖向和水平都是自由，下边界竖向和水平都是固定，当距路表足够深处时，径向和竖向位移为零，左右两侧边界为横向固定、竖向自由；充满于骨架空隙中的水（认为是不可压缩的）为液相，其左右两侧边界和除荷载位置以外的路表为透水条件，荷载位置和下边界为不透
4、水条件(ABAQUS认为不施加任何边界条件的边界假定为不排水条件)。路面结构采用平面二维模型模拟，X方向取6m，Y方向取3m。 图1 有限元模型网格划分 1.2荷载施加 选用移动荷载研究路面结构饱水时力学响应。车辆行驶过路面上的某一点，具有一定的时序性，并不是瞬间通过，而是存在一个时程，在此时程之内，路面从受压到回弹，因此本文采用具有一段时程的半正弦移动荷载模拟实际沥青路面承受的荷载。 本文采用我国现行公路沥青路面设计规范4中的标准轴载BZZ-100的设计参数，轮胎接地压强为0.7MPa，单轮传压面当量圆半径为10.65cm，两轮中心距为31.95cm。在分析时段内的任意时刻t，车辆荷载对某一
5、点的作用等效为半正弦分布荷载作用于该点正上方。荷载作用时间取决于车速v和轮胎接地面积半径。车辆行驶速度v取80km/h，均布荷载峰值qmax取0.7MPa，荷载作用时间T为0.058s。 1.3路面结构及材料参数 对于沥青混合料，Maupin等人对SUPERPAVE混合料的调查的结果显示，绝大多数沥青混合料的渗水系数的数量级在10-310-6cm/s之间5。基于上述情况，选择路面参数如表1。 表1 饱水设排水层沥青路面结构及材料参数 2荷载作用下路面结构孔隙水压力分析 a）t=0.029s时刻b）t=0.058时刻 图2 普通路面结构饱水状态孔隙水压力云图 a）t=0.029s时刻b）t=0.
6、058时刻 图3 排水路面结构饱水状态孔隙水压力云图 从图2、图3中可以看出，在t=0.029s时刻荷载达到最大值时在普通路面结构中，正向最大孔隙水压力达到了358.7kPa，负向最大孔隙水压力达到-153.3kPa；在排水路面结构中，正向最大孔隙水压力为204.4kPa，负向最大孔隙水压力为-147.6kPa，由于路面中应力存在滞后此时的排水路面结构的面层中的孔压并不是最大。而在t=0.058时刻，荷载趋于零，在普通路面中，正向最大孔隙水压力达到78.6kPa，负向最大孔隙水压力达到-363.9kPa；在设排水层结构路面中，正向最大孔隙水压力为73.5kPa，负向最大孔隙水压力为-261.9
7、kPa。 图2与图3给出了t=0.029s时刻两种不同路面结构孔隙水压力云图，可以看出在轮迹下中下面层位置出现了很明显的孔隙水压集中区域，并且最大正孔隙水压达到358.7kPa，如此大的孔隙水压一旦释放出来将会对路面材料进行强力的冲刷。而设排水层结构路面的孔隙水压力只有表、中面层车轮荷载位置有不明显的孔隙水压力集中，大小较原结构路面的同层位也小一些。这说明在路面结构中设置排水层可以有效减轻路面中下面层孔隙水压力集中现象。在t=0.058s时刻，普通路面中面层、下面层位置出现了很明显的负压区域，最大孔隙水压达到-363.9kPa，在排水路面结构轮迹位置下的表面层、中面层出现了负压区域，并且孔隙水
8、压集中区域也较普通路面结构小，最大孔隙水压达到-261.9kPa。这说明由于路面中设置排水层可以减少中下面层的孔隙水压集中，一定程度上消减路面面层中出现的大孔隙水压力，与崔新壮6结论相符。 图4 普通路面结构饱水孔隙水压力时程变化曲线 图5 排水路面结构饱水孔隙水压力时程变化曲线 从图4和图5可以清楚地发现处于饱水状态的两种路面结构在整个加载过程中都出现了正负孔隙水压力的交替。在图4中，即普通路面结构饱水状态孔隙水压力时程变化图中，各个层次都出现了较大的孔隙水压力，中面层-下面层位置孔隙水压力最为集中，（中面层-下面层最大正孔隙水压达到411.7kPa，最大负孔压达到-356.9kPa）并且各
9、个层次并不是同时达到各自的孔隙水压力峰值，竖直方向越在下面的层次越后达到孔隙水压最大值。并且在图5中发现荷载结束时负孔隙水压达到最大，随着时间的推移负向孔隙水压力消散较慢，一直将近0.3s时刻，孔隙水压才基本消散完全，这说明普通路面结构中不仅存在很大的孔隙水压力并且孔隙水压力的消散需要更长的时间。综合以上情况可以分析出，在车辆荷载下普通路面结构中这种大孔隙水压力正负交替的反复作用，必将不断侵蚀包裹在集料上的沥青膜，不断将沥青和集料冲刷下来，最终导致沥青混合料松散破坏，从而引发水损害。而图5中，由于路面内部设置了排水层，原来在中面层-下面层位置的孔隙水压力陡然下降，并且表面层-中面层出现的最大正
10、孔隙水压力和最大负孔隙水压（271.9kPa和-281.0kPa）也较普通路面同位置的最大正孔隙水压力和最大负孔隙水压（222.4kPa和-261.1kPa）有所降低。这说明设排水层能够从一定程度上降低路面中孔隙水压力。但是在表中面层中还是存在较大的孔隙水压力，排水层并无法明显降低表中面层的孔隙水压力。 总体看来孔隙水压力在路面各个层次中的最大值出现时刻也存在先后次序，不具有同时性。 3、结论 路面中设置排水层可以减少中下面层的孔隙水压集中，并且可以一定程度上消减路面面层中出现的高孔隙水压（但不能完全解决面层中孔隙水压过大的问题）。普通路面结构中不仅存在很大空隙水压力并且孔隙水压力的消散需要较
11、长的时间。设排水层能够从一定程度上降低孔隙水压力对路面结构的破坏作用。 参考文献 1 沙庆林. 高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施(上). 国外公路, 2000, 20(3): 14 2 高速公路丛书编委会. 高速公路路面设计与施工. 北京: 人民交通出版社, 2001, 58 3Reint D B. Theory of porous media: highlights in historieal development and eurrentstate. HongKong: Spring, 2000 4中华人民共和国行业标准. 公路沥青路面设计规范(JTG D50-2006). 北京: 人民交通出版社, 2006 5Maupin G W J. Investiotion of Test Methods, Pavements and Laboratory Design Related to Asphalt Permeability. Virginia Transportation Research Council, VTRCOO-R24, 2000, 3436 6崔新壮, 金青. 轮载作用下饱水沥青路面的动力响应. 山东大学学报（工学版）, 2008, 38(5): 1924-最新【精品】范文