２５８ 科技研究 城市道桥与防洪 ２０１１年６月第６期 高模量沥青混凝土路面力学数值模拟 邱自萍 ，郑木莲２，３ （１．广东省公路勘察规划设计院股份有限公司，广东广州５１０５０７；２特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安７１００６４；３．长安大学公路学院，陕西西安７１００６４） 摘要：高模量沥青混凝土（ＨＭＡＣ）作为一种新型路面材料，具有模量高、抗车辙性能好、对低温开裂及温度疲劳开裂敏感性 不强等优点，对于提高路面抗车辙能力非常有效。该文利用通用有限元软件ＡＮＳＹＳ，对设置高模量沥青混凝土层的半刚性基 层沥青路面的荷载响应进行数值模拟分析，结果表明高模量沥青混凝土可显著抑制车辙的产生，并推荐出高模量沥青混凝土 层的模量和厚度的合理范围。 关键词：高模量沥青混凝土；车辙；剪应力；数值模拟 中图分类号：Ｕ４１６．２１７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—７７１６（２０１ １）０６—０２５８—０３ ０前言 随着公路交通量增加和重载车辆增多，沥青 路面车辙损害现象越来越突出，严重影响路面行 车的安全性和舒适性，防治车辙问题已成为迫切 需要解决的问题。近年来高模量沥青混凝土 （ＨＭＡＣ）的出现，为解决车辙损坏提供了一个新的 方案。ＨＭＡＣ作为一种新型路面材料，具有模量高、 抗车辙性能好、对低温开裂及温度疲劳开裂敏感性 不强等优点，对于提高路面抗车辙能力非常有效。 本文通过力学数值模拟的手段，利用大型有限元软 件ＡＮＳＹＳ建立合理的计算模型，对高模量沥青混 凝土路面结构进行分析，研究高模量沥青混凝土路 面结构的应力、应变分布规律，分析了应用高模量 沥青混凝土对路面力学性能的改善作用，并推荐出 高模量沥青混凝土层的模量和厚度的合理范围。 图１几何模型透视图 １ 计算模型与考察指标的确定 本文利用ＡＮＳＹＳ有限元计算程序，采用８节 点各向同向实体单元ＳＯＬＩＤ４５，建立空间三维模 型进行路面结构的力学响应计算，建立的模型见 图１和图２所示。 图２网格划分透视图 由于车辙产生的主要原因为结构剪应力和压 密变形，所以本文中选取剪应力（变）、压应力 （变）作为考察指标。 ． ２．２沥青中面层模量的影响 本文分析高模量沥青混凝土模量的提高对路面 抗车辙能力的影响。故只考虑中面层模量的变化对 ２高模量沥青路面结构受力有限元分析 ２．１高模量层位的确定 各项指标的影响，上、下面层仍然采用普通沥青混合 料。取标准轴载ＢＺＺ一１００，采用表１所列的主要计算 参数计算路面结构的受力状态，分析沥青中面层模 量对沥青路面应力、应变的影响。计算中，固定沥青 中面层厚度取值为５ ｃｍ，计算结果如表２所列。 由表２可以看出：模量的变化会使得剪应力 和压应力略有增大，但同时会使得应变产生大幅 度的降低，其中剪应变减小尤为明显。应变随中面 层模量变化的趋势，开始阶段减小较快，随后变化幅 根据有关研究Ｉ２ｊ，从路面结构力学性能及降低 工程造价两方面综合考虑，将高模量层位设置在 路面的中面层。 收稿日期：２０１１－０３—０４ 作者简介：邱自萍（１９８１一），女，山东人，硕士，从事道路工程 设计及科研工作。 ２０１１年６月第６期 表１计算参数表 城市道桥与防洪 科技研究 ２５９ 逐渐减小，当中面层厚度从２ ｃｍ增大至１２ ｅｍ 时，剪应变从２１７．７４ ｔ．ｚｅ减小至１６５．３１ ８，减小 了２４．０８％。下面层的剪应变随着高模量层厚度的 增加而逐渐减小，且减小的幅度逐渐减缓，当厚度 度趋于缓和。当模量从１ ２００ ＭＰａ增加到２ ４００ ＭＰａ 时，剪应变减小了４０．１３％。模量从１ ２００ ＭＰａ增 从２ ｃｍ增大到８ ｃｍ时，剪应变最大值在下面层， 其值从３３０．１３ ￡减小到２３９．４３ ￡，当厚度继续 增大时，下面层剪应变仍然继续减小，并开始小于 上面层的剪应变，即剪应变最大值转至上面层。随 着高模量层厚度的继续增大，中、下面层剪应变继 续减小，而路面结构内的最大剪应变即上面层的 剪应变基本不变。 （３）随着高模量厚度的增大，路面结构内的压 应力基本上没有变化，但是中、下面层的压应变减 小很快，尤其在开始阶段减小得更为明显，继续增 大后，减小速度变缓。中面层厚度从２ ｅｍ增大到 １２ ｅｍ，下面层压应变减小了５４．２６％，但是压应变 最大值在上面层且并无明显变化。 加到２ ０００ ＭＰａ时，模量每增加４００ ＭＰａ，剪应变 减小的幅度从１９．４４％减小到１５．１９％，模量继续 增加到２ ４００ ＭＰａ，剪应变减小的幅度减小至 １２．３７％。模量再继续增大到３ ６００ ＭＰａ，每增加 ４００ ＭＰａ，剪应变减小幅度均小于１０％。可以看 出，中面层模量存在一个较佳的取值范围而不是 味增大。适当增大中面层模量对减小永久变形十 分有效，但再继续增加，对于减小永久变形的效果 便不再明显，而且从经济角度也不适用。根据计算 一结果分析，高模量取值范围在２ ０００ ＭＰａ一２ ４００ ＭＰａ 之间时，能够有效减小结构层的剪切变形，降低沥 青路面的车辙损坏。 ２．３高模量层厚度的影响 高模量层厚度变化将影响路面内的应力应变 情况，下面分析高模量沥青混凝土的厚度对荷载 应力的影响。为了分析其影响规律，取标准轴载 ＢＺＺ一１００，中面层模量取值２ ０００ ＭＰａ，其他材料 参数不变，采用表ｌ中取值进行计算。计算结果如 图３～６所示。 由此可见，高模量层厚度增加能减小路面结 构内剪应力。对上面层的剪应变和压应变几乎没 有影响，但可以很大程度地减小中、下面层的剪应 变和压应变。而且剪应力、剪应变和压应变随高模 量层厚度的增大减小的趋势逐渐变缓。当高模量 层厚度增大到一定程度后，整个路面结构内的最 大剪应变转至上面层，且随着中面层厚度的继续 增大，路面结构内的最大剪应变基本不变。所以 高模量层厚的增加有利于提高路面抵抗永久变 形的能力，但若一味地单纯增大中面层厚度，并 不能一直有效地减小整个路面结构的剪应变和 压应变，同时由于高模量层造价相对较高，过厚的 高模量层也必将导致工程不经济。综合上述分析， 考虑工程经济性要求，高模量层厚度取为５～８ ｃｎｑ 比较合理。 ２．４轴载对不同中面层模量下剪应力和剪应变的 影响 重载交通更容易使半刚性基层沥青路面产生 较大的剪切变形和压缩变形，路面产生流动性车 辙和压密型车辙的机率大大增加。以下分析轴载对 从图３￣６可以得出： （１）随着高模量层厚度的增加，沥青路面内剪 应力最大值逐渐减小，而且最大值的位置上移。当 中面层厚度小于７ ｅｍ时，剪应力峰值位于中面 层，随着中面层厚度的继续增大，剪应力最大值所 在位置由中面层开始上移至上中面层交界处。 （２）剪应变的变化趋势基本上随高模量层厚度 的增大而逐渐减小。上面层内的剪应变变化微小， 随高模量层厚度的变化，剪应变沿上面层分布图 基本重合。中面层剪应变随中面层厚度的增大而 不同中面层模量下剪应力和剪应变的影响。采用单 轴双轮轴载进行力学分析，以标准轴载１００ ｋＮ为 表２中面层模量对沥青路面应力应变的影响一览表 中面层模量／ＭＰａ １２００ 剪畦＿，３ ａ 剪应变／Ｗｅ 压应力／ｋＰａ 压应变／Ｗｅ １４４．７８ ３０１．６３ ８３０．２１ ３８１．８８ １４００ １４８．１９ １６００ １８００ ２０００ ２２００ ２４００ ２６００ ２８００ ３０００ ３２００ ３４００ ３６００ １６４．Ｏｌ １６５．７ １６７．３ Ｉ６８．８３ １７０．３ ２６８．５３ ８３１．６９ ３２９．８８ １６ｌ－８７ １５４．２３ １４７．４８ ｌ４１．４６ ｌ３６．ｏ６ ８３７．３４ ８３７．８４ ８３８．３ｌ ８３８．７４ ８３９．１４ ９８ １３９ １６３．８９ １５４．９ １４６．９６ ２６０ 科技研究 城市道桥与防洪 ２０１１年６月第６期 钕 ∞ ∞ 加 ∞ 鲫 ∞ ∞ 加 Ｏ 』、 』 Ｊ『 ／ ＼ ＼ １＿嘲囊ｈ ０．００ ０．１０ ０．２Ｏ ０．３０ ０４０ ０．５０ 路面深度，ｍ 图３不同中面层厚度下剪应力沿路面深度变 ３５０ ３ｏｏ ｝ 】 ２５０ 轰２００ ｌ５ｏ ， １００ 阉 鞫 ５０ ０ ０．００ ０．１０ ０ ２０ ０．３０ ０．４０ ０．５０ ０．６０ 路面深度，ｍ 瑚唧 枷姗瑚 图４不同中面层厚度下剪应变沿路面深度变化图 ｐ－－＿ Ｉ Ｉ 酱 ｌ ｌ ｛ ｒ ． ． ． ．０．００ ０．１０ ０．２０ ０．３０ ０．４０ ０．５０ ０．６０ 路面深度，ｍ 图５不同中面层厚度下压应力沿路面深度变化图 －５０ 一Ｉｏ０ 一 、 ｌ５Ｏ 一２ｏ０ 呈一２５０ 一３０ｏ 出一３５０ ，【 —４ｏｏ ｆ、＼厂 －４５０ ｆ～５００ １ Ｉ ｌ ＩＩ ｌ ～５５０ ０．００ ０．１０ ０．２０ ０．３０ ０．４０ ０．５０ ０．６０ 路面深度，ｍ 图６不同中面层厚度下压应变沿路面深度变化图 底限，按２０ ｋＮ逐级递增，轴载２６０ ｋＮ为最高值， 计算路面结构在各级车辆荷载作用下的受力状 况。计算参数取中面层的厚度为５ ｏｎ，１，其他参数 参照表ｌ取值。计算结果如图７～８所示。４ 矗 Ｏ∞∞∞∞∞∞∞∞∞ ４５０ ———４ｏｏ ．一＿、 ３５０ Ｐ Ｒ ３ｏｏ ｔ二：＝＝＝二 —— － ＿＊ ？？ ２５０ —— ２００ －—● ＿＿一一一一． ．． １５Ｏ １ＯＯ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ ３５００ ４０００ 模￣／ＭＰａ 图７不同轴载在不同中面层模量下剪应力图 ∞ ｉ ＼ Ｓ ≮ ’＼ ：＝三 毫 — ｌ Ｉ ＩＩ Ｉ １０００ １５００ ２０００ ２５００ ３０００ ３５００ ４０００ 模量，＂ＭＰａ 图８不同轴载在不同中面层模量下剪应变图 从图７可以看出，路面结构内的剪应力随着 轴载的增大而增大。任一轴载下路面结构内的最 大剪应力均随着中面层模量的增加而增加，但随 着中面层模量的不断增加，剪应力增大的幅度逐 渐变缓。 从图８可以得到，路面结构内的剪应变均随 轴载的增大而增大。任一轴载下路面结构内的剪 应变，随着中面层模量的增加均减小，并且减小的 幅度随中面层模量的增大而逐渐变缓。轴载越 大，中面层模量的增加对剪应变的削弱作用就越 明显。 可见，增大中面层模量，可以有效地减小重载 作用时路面结构内部的剪应变，当模量增大到一 定值后，再继续增大，减小的作用逐渐减弱。 ３ 结论 本文通过三维有限元方法分析了静载作用下 高模量沥青混凝土路面结构的力学响应，分析了 剪应力、压应力、剪应变、压应变等各因素的影响 规律。主要得出以下结论： （１）中面层模量的增加使得应力略有增大，但 应变会产生大幅度降低，其中对剪应变的减小尤 为明显。剪应变随着中面层模量变化的趋势，开始 阶段减小较快，随后变化幅度趋于缓和，所以中面 层模量存在一个较佳的取值范围而不是一味增 ２０１１年６月第６期 城市道桥与防洪 成果应用 ２６１ 预应力土层锚杆加固在海河护岸治理工程中的应用 胡汝兰 ，艾连永ｚ （１．天津市市政工程设计研究院， 天津市３０００５１；２．天津市安居工程办公室，天津市３０００５０） 摘要：预应力土层锚杆加固在海河护岸治理工程中的成功应用，总结了实施土层锚杆技术过程中的设计，施工和试验的三 大环节，提出了在不同的环节中特别要注意的事项。说明使用预应力土层锚杆技术为海河护岸治理工程带来的社会、经济和 环境效益。有关经验可为同类工程设计和施工提供参考。 关键词：土层锚杆；护岸；预应力 中图分类号：ＴＶ８６ 文献标识码：Ｂ文章编号：１００９—７７１６（２０１１）０６—０２６１—０３ １ 概述 天津海河干流治理工程是天津市的一项重点 工程。实施海河护岸的修建工程必然会对原有的 建筑景观有所破坏，如果采用传统的立式板桩明 开槽的工程设计和施工工艺，将增加海河岸边的 拆迁工程量。许多生长了几十年的树木将被破坏， 大量的地下电缆，给水排水管道，煤气热力管道将 要迁移。昔日的海河公园会荡然无存，因此造成的 社会影响环境影响是无法弥补的。 针对该工程的特殊地理位置和环境因素，采 用预应力土层锚杆作为永久性措施应用于海河护 岸景观构造，将对工程的安全、工期、投资产生积 极影响，社会、经济和环境效益显著。 海河护岸治理工程地处饱和软土地层中，为预 应力土层锚杆技术的设计实施提出了新的课题。 收稿日期：２０１１—０３—２２ ２土层锚杆设计 目前常见的土层锚杆有３种基本类型： （１）圆柱型锚杆，最简便、最常用的锚杆类型。 （２）扩大圆柱体式锚杆。 （３）端部或局扩孔式锚杆。 实施时要根据具体工程特点如锚杆的抗拔 力，现场的土层地质情况，工程的规模，可供使 用的机械设备，锚杆的孔径及长度等来确定哪 种形式。 海河护岸治理工程采用了主桩加挡土板的结 构形式。土层锚杆锁定在主桩上做为持力构造，因 为该工程是永久结构，根据《土层锚杆设计与施工 规范》规定锚杆最小安全系数取２。２，锚杆与土体 间的粘结强度取４０ ｋＰａ。 由海河西岸的地质报告可以得知地面以下约 １．６ ｍ内大部分是砖头、白灰、炉灰等，在临近岸 边的局部有旧护岸工程回填的灰土，这些局部灰 土已经历了几十年，非常坚硬，向下约３－４ ｍ厚 用时路面结构内部的剪应变，减小路面的永久变形。 综合以上结果，高模量沥青混凝土的路面结 构，在力学指标上具有明显的优势。为防止夏季高 温天气面层模量逐渐降低，荷载产生的巨大剪应 变使沥青混合料发生剪切流变破坏，增大高模量 作者简介：胡汝兰（１９６０一），女，天津人，高级工程师，从事给 排水结构设计工作。 大。综合分析高模量取值范围在２ ０００—２ ４００ ＭＰａ 之间时，能够有效地减小结构层的剪切变形，降低 沥青路面的车辙损坏，尤其对于重载情况，效果更 为明显。模量超过这一范围时，再继续增加，对于 减小永久变形的效果便不再明显，而且从经济角 度也不适合。 （２）增大高模量层的厚度能起到减小路面结构 内剪应力的功效，对上面层的剪应变和压应变几 层的模量是提高结构抗剪性能的有效措施，高模 量沥青混凝土模量大约在２ ０００～２ ４００ ＭＰａ，厚度 为５—８ ｃｍ时效果最优。 参考文献 乎没有影响，但可以很大程度地减小中、下面层的 剪应变和压应变。当中面层厚度增大到一定程度 后，整个路面结构内的最大剪应变转至上面层，且 随着中面层厚度的继续增大，路面结构内的最大 剪应变基本不变。综合考虑中面层厚度取值为 ５—８ ｅｎｌ较为合理。 （３）增大中面层模量，可以有效地减小重载作 【１１郑传超，王秉纲．道路结构力学计算【Ｍ］．北京：人民交通出版 社，２００４． 【２］邱自萍．高模量沥青混凝土路面抗车辙行为数值模拟【Ｄ］．西 安：长安大学，２００９． 【３】张登良，李俊．高等级道路沥青路面车辙研究【Ｊ】．中国公路学 报，１９９５，（０８）．
