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        某高速公路瀝青路面維修處治方案有限元分析

        2013-11-09 11:57:34王必賢
        山西建筑 2013年36期
        關(guān)鍵詞:加鋪車轍面層

        王必賢 趙 婷

        (1.長沙理工大學(xué),湖南長沙 410076;2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖北武漢 430100)

        1 概述

        我國已經(jīng)基本完成高速公路網(wǎng)的建設(shè),瀝青路面以其行車舒適,維修方便和通車快等特點(diǎn)成了中后期高速公路的主要形式,由于我國超載超限問題十分嚴(yán)重且普遍,新建公路很快便產(chǎn)生了早期破壞,最具代表性的就是車轍,路面產(chǎn)生車轍后使得車輛行駛時(shí)難以操控,威脅行車安全,而且會(huì)導(dǎo)致路面積水,滲入基層造成路面結(jié)構(gòu)破壞,縮短瀝青路面使用壽命?,F(xiàn)在車轍已經(jīng)成為路面養(yǎng)護(hù)工程中最重要環(huán)節(jié)之一。車轍深度達(dá)到一定程度時(shí),就只能銑刨后重新罩面,但對(duì)罩面的日后的效果和維持時(shí)間沒有進(jìn)行定量的分析與預(yù)測(cè),因此采用有限元方法研究分析對(duì)瀝青路面車轍采取處治措施之后的效果,為日后的養(yǎng)護(hù)工作提供參考和借鑒,具有十分重要的意義。

        2 加鋪層路面結(jié)構(gòu)類型選擇

        對(duì)高等級(jí)瀝青路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù),一般常用的方法是以公路等級(jí)、交通量、公路技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果(路面破損PCI、路面平整度RQI、路面車轍RDI、抗滑性能SRI和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度PSSI)等為依據(jù),同時(shí)以路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI為控制指標(biāo),再結(jié)合具體情況(如抗滑性能,車轍深度等)制定養(yǎng)護(hù)維修方案。本文采用某高速公路的8種典型路面結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

        表1 8個(gè)路面車轍處治方案

        3 路面材料參數(shù)選擇

        本文采用ABAQUS有限元軟件的蠕變分析方法,對(duì)路面結(jié)構(gòu)的車轍的產(chǎn)生過程進(jìn)行模擬。加鋪瀝青混合料的蠕變參數(shù)和彈性模量均通過試驗(yàn)得到,如表2所示,而對(duì)于不加鋪部分,則認(rèn)為該層不參與路面結(jié)構(gòu)的車轍變形,故只用彈性模量進(jìn)行模擬。

        4 荷載作用時(shí)間

        建立有限元模型時(shí),按照荷載應(yīng)力等效原則,將雙圓均布荷載換算成矩形荷載:輪跡長×寬=19.2 cm×18.6 cm,間隙12.8 cm,荷載的累積作用時(shí)間按下式計(jì)算:

        式中:t——荷載累積作用時(shí)間,s;

        N——輪載作用次數(shù),次;

        P——車輛軸重,kN;

        nw——軸的輪數(shù),個(gè);

        p——輪胎接地壓力,MPa;

        B——輪胎接地寬度,cm;

        v——行車速度,km/h。

        根據(jù)上述公式計(jì)算,可得一次軸載作用時(shí)間為0.008 64 s。

        表2 瀝青混合料的蠕變參數(shù)和彈性參數(shù)

        5 車轍深度數(shù)值模擬結(jié)果分析與比較

        5.1 有限元分析結(jié)果

        本文采用等參數(shù)四節(jié)點(diǎn)四邊形來構(gòu)建二維路面結(jié)構(gòu)模型,同時(shí)設(shè)置合理的邊界條件即左右無橫向位移,土基底面無豎向位移。同時(shí)采用楊氏彈性模量和蠕變特性來綜合模擬路面結(jié)構(gòu)的車轍變形,計(jì)算車轍深度。

        圖1~圖4給出了加鋪AC-20和AC-25不同厚度中面層經(jīng)歷不同作用次數(shù)后的車轍深度,并建立關(guān)系式,如表3所示。

        表3 瀝青重鋪厚度與車轍深度關(guān)系式

        圖1,圖2關(guān)系曲線關(guān)于加鋪層厚度(cm)與車轍深度(mm)的關(guān)系曲線和相關(guān)系數(shù)如下。

        圖1 瀝青銑刨層加鋪厚度與車轍深度關(guān)系曲線圖(AC-20中面層)

        圖2 瀝青銑刨層加鋪厚度與車轍深度關(guān)系曲線圖(AC-25中面層)

        同時(shí)比較不同工況下的曲線系數(shù)A和系數(shù)B如圖3,圖4所示。

        圖3 系數(shù)和軸次關(guān)系曲線圖(AC-20)

        圖4 系數(shù)和軸次關(guān)系曲線圖(AC-25)

        由此可見,車轍深度為加鋪厚度、作用次數(shù)兩個(gè)參數(shù)共同作用的結(jié)果,對(duì)三者進(jìn)行回歸分析,得到它們之間的數(shù)學(xué)模型為:

        式中:H——車轍深度,mm;

        h——加鋪中面層的厚度,cm;

        N——標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

        5.2 維修后車轍深度最小的最優(yōu)方案

        對(duì)于8個(gè)不同的方案,作用1 500萬次后,其對(duì)應(yīng)的車轍深度如圖5所示。

        圖5 1 500萬軸次作用于不同路面方案的車轍深度圖

        可以看出,所加鋪瀝青層越薄,車轍深度越小,車轍深度隨著加鋪厚度的增加而增加。同時(shí)加鋪AC-20方案的效果優(yōu)于AC-25方案和AC-20+AC-25的組合方案。

        6 結(jié)語

        1)本文通過有限元分析方法對(duì)8個(gè)不同加鋪方案的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行車轍模擬,分析車轍深度,作用次數(shù)和加鋪中面層厚度三者之間的關(guān)系,得到數(shù)學(xué)模型為:

        其中,H為車轍深度,mm;h為加鋪中面層厚度,cm;A=a ln N+b;B=c ln N+d,N為標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)。

        2)對(duì)經(jīng)歷過1 500萬次作用的8個(gè)加鋪方案進(jìn)行計(jì)算,得到不同的車轍深度。結(jié)果表明,銑刨后加鋪瀝青層越薄,車轍病害越輕,隨著瀝青層厚度的增加,車轍反而越嚴(yán)重。而且加鋪AC-20中面層方案的抗車轍效果優(yōu)于AC-25和AC-20+AC-25的組合。

        [1]甄偉超.高速公路車轍的形成機(jī)理與處理措施[J].國防交通工程與技術(shù),2004,2(2):27-29.

        [2]王朝輝.瀝青路面加鋪技術(shù)研究[D].西安:長安大學(xué),2008.

        [3]安天崗.瀝青路面早期破壞現(xiàn)象與防護(hù)[J].山西建筑,2011,37(34):135-136.

        [4]林繡賢.瀝青面層永久變形計(jì)算中有關(guān)參數(shù)的確定方法[J].中國公路學(xué)報(bào),1989,2(2):8-17.

        [5]閆翠香.濟(jì)青高速公路瀝青路面維修后車轍變化規(guī)律研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

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