李政賢 蔣 鑫 沙馬伍呷 向嫣然 張 免
(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031;2.西南交通大學(xué) 道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031;3.西南交通大學(xué) 高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)
瀝青路面具有表面平整、無(wú)接縫、行車舒適、耐磨、振動(dòng)小、噪聲低、施工期短、養(yǎng)護(hù)維修簡(jiǎn)便、適宜于分期修建等優(yōu)點(diǎn),因而得到了廣泛的應(yīng)用[1]。目前可應(yīng)用于瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的主要方法包括彈性層狀體系理論、有限單元法(含軸對(duì)稱有限元法、三維有限元法)、連續(xù)有限層法等[2],這些方法各有特點(diǎn)。在這些方法中,基于瀝青路面各結(jié)構(gòu)層水平層狀分布之顯著特征,彈性層狀體系理論無(wú)疑是其中最為成熟、已被廣泛采納的經(jīng)典理論。我國(guó)現(xiàn)行JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]在開展瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)指標(biāo)計(jì)算時(shí)即采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀體系理論。
為解決彈性層狀體系理論推導(dǎo)繁瑣之弊端,隨著數(shù)值計(jì)算、電子計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展,基于該理論所編制開發(fā)的電算程序紛紛涌現(xiàn)。比較具有代表性的程序包括由加州大學(xué)伯克利分校(University of California,Berkeley)開發(fā)的ELSYM5[4]、美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站(The Water-ways Experiment Station,US Army Corps of Engineers)開發(fā)的WESLEA,以及華盛頓州交通部(Washington State Department of Transportation)開發(fā)的EVERSTRESS[5]等。這些程序已獲得一些應(yīng)用,如文獻(xiàn)[6]報(bào)道了ELSYM5程序與巴西國(guó)家公路局環(huán)形試驗(yàn)場(chǎng)地中傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比;文獻(xiàn)[7]表明WESLEA程序可應(yīng)用于評(píng)估路面的允許通過(guò)次數(shù)和允許的最大荷載;文獻(xiàn)[8]則表明EVERSTRESS程序的疲勞和車轍計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果契合度較好。
但令人遺憾的是,迄今鮮有學(xué)者對(duì)這3款程序進(jìn)行橫向評(píng)析與深入挖掘,也未有人注意到這3款程序應(yīng)用時(shí)可能存在的某些漏洞,這無(wú)疑大大增加了應(yīng)用這些程序的風(fēng)險(xiǎn)性。本文嘗試從結(jié)構(gòu)層、荷載、計(jì)算點(diǎn)等方面出發(fā),探討以上3款基于彈性層狀體系理論開發(fā)的瀝青路面結(jié)構(gòu)電算程序在開展輪載作用下附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)的差異,通過(guò)具體算例,經(jīng)與解析解答比較,討論WESLEA、EVERSTRESS這2款程序在處理結(jié)構(gòu)層時(shí)的特點(diǎn)及缺陷,從而為這些電算程序的正確使用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
ELSYM5程序可計(jì)算1~5層路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),結(jié)構(gòu)層自上而下由1開始連續(xù)依次予以編號(hào)。最下一層可為無(wú)限厚度的半無(wú)限體土基或有限厚度的土基。每一結(jié)構(gòu)層均視為線彈性體,用彈性模量、泊松比來(lái)表征各結(jié)構(gòu)層的材料性質(zhì)。當(dāng)最下一層為半無(wú)限體時(shí),所有層間界面的結(jié)合狀況只能視為完全連續(xù);當(dāng)最下一層為有限厚度時(shí),其與上一結(jié)構(gòu)層之間的層間界面結(jié)合狀況可視為完全連續(xù)或完全光滑。
WESLEA程序可直接計(jì)算2~5層路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),結(jié)構(gòu)層亦按照從上至下由1開始的順序依次編號(hào)。每一結(jié)構(gòu)層均為線彈性體,需輸入的材料參數(shù)為彈性模量、泊松比。層間結(jié)合狀況可以考慮為完全連續(xù)或完全光滑。當(dāng)輸入的結(jié)構(gòu)層數(shù)目<5時(shí),最下一層無(wú)法直接考慮為半無(wú)限體,程序會(huì)在不改變用戶已輸入結(jié)構(gòu)層的基礎(chǔ)上自動(dòng)將結(jié)構(gòu)層數(shù)量添補(bǔ)至5層,添補(bǔ)的結(jié)構(gòu)層全部位于用戶所定義的最下一層之下,彈性模量、泊松比均與用戶定義的最下一層保持一致,層間結(jié)合狀況為完全連續(xù)。經(jīng)添補(bǔ)所形成的第5層為半無(wú)限體,其余添補(bǔ)層厚度均為999 in或cm,以此達(dá)到考慮半無(wú)限體的目的。
EVERSTRESS程序可計(jì)算1~5層路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),結(jié)構(gòu)層編號(hào)方式為從上至下依次編號(hào)。每一結(jié)構(gòu)層可為線彈性體、模量隨體應(yīng)力變化的粒料類材料或模量隨偏應(yīng)力變化的細(xì)粒土,其中若材料為線彈性體,則需輸入的材料參數(shù)為彈性模量、泊松比;若為非線性彈性體,程序則使用式(1)、式(2)所示的冪指數(shù)模型分別來(lái)描述材料的動(dòng)態(tài)回彈模量,此時(shí)需輸入初始彈性模量、泊松比之外,還需輸入式(1)和式(2)中所示的參數(shù)K1、K2或K3、K4。最下面一層土基固定為半無(wú)限體。層間接觸關(guān)系可以考慮為完全連續(xù)、完全光滑或部分光滑。
Eb=K1θK2
(1)
(2)
式中:Eb為粒料類材料的動(dòng)態(tài)回彈模量,MPa或ksi;Es為細(xì)粒土的動(dòng)態(tài)回彈模量,MPa或ksi;θ為體應(yīng)力,MPa或ksi;σd為偏應(yīng)力,MPa或ksi;K1、K3為與含水率相關(guān)的回歸常數(shù);K2、K4為與材料類型有關(guān)的回歸常數(shù) 。
3款程序均只能考慮圓形垂直均布荷載。為精準(zhǔn)描述荷載作用位置,3款程序均引入空間直角坐標(biāo)系。其中ELSYM5和EVERSTRESS兩款程序限制坐標(biāo)系的XY平面位于路表,Z方向豎直向下。WESLEA程序則稍有不同,由于其自帶的荷載庫(kù)(單軸雙輪、雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸、單軸單輪)中輪距、軸距等幾何參數(shù)已固定,為避免混淆,故無(wú)論是使用自定義荷載還是程序自帶的荷載,程序均會(huì)對(duì)坐標(biāo)系做出如下限制:XY平面位于路表,X方向?yàn)檐囕S方向,Y方向?yàn)樾熊嚪较?Z方向豎直向下。
ELSYM5程序可考慮1~10個(gè)大小、集度、半徑均相同的圓形垂直均布荷載,無(wú)法考慮每個(gè)荷載的差異性。輸入荷載力學(xué)參數(shù)時(shí)僅需輸入荷載大小、集度、半徑3個(gè)參數(shù)中的2個(gè)即可,程序會(huì)自動(dòng)計(jì)算第3個(gè)參數(shù)。由于荷載作用于路表(XY平面),意味著荷載作用的Z坐標(biāo)恒定為0,故輸入荷載位置參數(shù)時(shí)僅需輸入每個(gè)荷載圓心的XY坐標(biāo)即可。
WESLEA程序內(nèi)荷載分為兩類,第一類是自帶的荷載庫(kù),第二類是自定義荷載。其中自帶的荷載庫(kù)包括單軸雙輪、雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸、單軸單輪4種類型。當(dāng)使用自帶的荷載庫(kù)時(shí) ,程序認(rèn)為半軸的荷載對(duì)于另外半軸的路面結(jié)構(gòu)影響甚小,可以忽略,故使用了對(duì)稱性,僅需輸入半軸的荷載,每種類型中荷載的位置參數(shù)已固定,見圖1。自定義荷載的數(shù)目則限制在1~20個(gè),但未限制荷載的位置。荷載力學(xué)參數(shù)僅有荷載大小和集度,無(wú)需輸入半徑。
圖1 WESLEA程序自帶荷載庫(kù)的荷載圓心位置(單位:in)
EVERSTRESS程序可考慮1~20個(gè)大小、集度、半徑互不相同的圓形垂直均布荷載,即可考慮每個(gè)荷載的差異性。此處應(yīng)注意,根據(jù)作者多次嘗試,EVERSTRESS程序似乎存在1個(gè)漏洞,荷載個(gè)數(shù)處無(wú)法輸入“9”和“19”,若用戶的確需要輸入9個(gè)或19個(gè)荷載,那么可輸入“10”或“20”,同時(shí)將其中一個(gè)荷載大小和集度均設(shè)為“0”。其余方面與ELSYM5程序相同。
3款程序均通過(guò)輸入絕對(duì)坐標(biāo)來(lái)確定計(jì)算點(diǎn)的位置。
ELSYM5程序至多可考慮10(XY坐標(biāo)數(shù))×10(Z坐標(biāo)數(shù))個(gè)計(jì)算點(diǎn)。確定計(jì)算點(diǎn)位置的參數(shù)為X、Y、Z坐標(biāo)。計(jì)算點(diǎn)的位置信息輸入方式為先輸入計(jì)算點(diǎn)的X、Y坐標(biāo)來(lái)確定計(jì)算點(diǎn)所在的縱剖面,再輸入計(jì)算點(diǎn)所在的Z坐標(biāo)來(lái)確定計(jì)算點(diǎn)所在的橫剖面。這種輸入方式的邏輯見圖2,可以看出其本質(zhì)上是X、Y坐標(biāo)與Z坐標(biāo)的排列組合,當(dāng)需要計(jì)算的點(diǎn)為一層一層整齊排列的點(diǎn)時(shí),這種輸入方式可以極大提高輸入效率。對(duì)于路表的計(jì)算點(diǎn),Z坐標(biāo)輸入0即可。若輸入的Z坐標(biāo)剛好與結(jié)構(gòu)層界面Z坐標(biāo)相同,則程序會(huì)判定此計(jì)算點(diǎn)位于上一結(jié)構(gòu)層的底部。
圖2 ELSYM5程序計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)輸入邏輯
WESLEA程序至多可考慮50個(gè)計(jì)算點(diǎn)。確定計(jì)算點(diǎn)位置的參數(shù)為計(jì)算點(diǎn)所在的結(jié)構(gòu)層號(hào)、X、Y、Z坐標(biāo)。計(jì)算點(diǎn)位置信息需依次輸入。對(duì)于路表的計(jì)算點(diǎn),Z坐標(biāo)輸入0即可。若輸入的Z坐標(biāo)剛好與結(jié)構(gòu)層界面Z坐標(biāo)相同,則程序會(huì)根據(jù)計(jì)算點(diǎn)所在的結(jié)構(gòu)層號(hào)判定此計(jì)算點(diǎn)是位于上一結(jié)構(gòu)層的底部還是下一結(jié)構(gòu)層的頂部。另外若使用的是自帶的荷載庫(kù),則可選擇使用程序所定義的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)平面位置見圖3,豎向位置有2個(gè),分別為第一層底部和用戶定義的最后一層頂部。
圖3 WESLEA程序標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)平面位置(單位:in)
同時(shí),對(duì)于WESLEA程序,若用戶既選擇了自帶的荷載庫(kù),又使用了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn),程序即可通過(guò)式(3)和式(4)計(jì)算路面達(dá)到疲勞破壞和車轍達(dá)到最大容許值時(shí)的荷載累計(jì)作用次數(shù),計(jì)算圖示見圖4。之后按照式(5)計(jì)算損傷值。
(3)
(4)
(5)
式中:Nf、Nd分別為路面達(dá)到疲勞破壞和車轍達(dá)到最大容許值時(shí)的荷載累計(jì)作用次數(shù);εt為第一層底部所有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)的微拉應(yīng)變的最大值;εv為用戶定義的最后一層頂部所有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算點(diǎn)的微壓應(yīng)變的最大值;D為損傷值;N為荷載實(shí)際作用次數(shù)。
圖4 WESLEA程序計(jì)算疲勞與車轍的計(jì)算點(diǎn)圖示
EVERSTRESS程序至多可考慮50個(gè)計(jì)算點(diǎn)。確定計(jì)算點(diǎn)位置的參數(shù)為X、Y、Z坐標(biāo)。計(jì)算點(diǎn)位置信息的輸入方式與ELSYM5程序類似。對(duì)于路表的計(jì)算點(diǎn),Z坐標(biāo)輸入0即可。若輸入的Z坐標(biāo)剛好與結(jié)構(gòu)層界面Z坐標(biāo)相同,則程序會(huì)判定此計(jì)算點(diǎn)位于上一結(jié)構(gòu)層的底部。
3款程序針對(duì)前述計(jì)算點(diǎn)所輸出結(jié)果的項(xiàng)目有所不同,具體列于表1。可以看出ELSYM5程序計(jì)算結(jié)果輸出較為豐富,WESLEA程序的優(yōu)勢(shì)在于可以計(jì)算路面的疲勞和車轍壽命,而EVERSTRESS程序其特點(diǎn)在于可分析包含非線彈性體的路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。
表1 3款程序輸計(jì)算結(jié)果對(duì)比表
雖然WESLEA與EVERSTRESS 2款程序在輸入時(shí)可將路面結(jié)構(gòu)擬定為5層,但是在作者實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)若將路面結(jié)構(gòu)擬定為5層,則第5層結(jié)構(gòu)中的計(jì)算點(diǎn)所有計(jì)算結(jié)果都將輸出為0,這無(wú)疑是異常的,故有理由懷疑可能是程序設(shè)計(jì)方面存在缺陷。為驗(yàn)證此想法,此處以圖5[9]所示算例為準(zhǔn),同時(shí)應(yīng)用這3款程序分別視為2層、5層結(jié)構(gòu)予以計(jì)算,并將結(jié)果與文獻(xiàn)[9] 所提供的封閉解析解答對(duì)比。文獻(xiàn)[9] 的計(jì)算公式如式(6)~(10)所示。
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
其中:σz為荷載中心豎向應(yīng)力,psi;σr為荷載中心徑向應(yīng)力,psi;εz為荷載中心豎向應(yīng)變;εr為荷載中心徑向應(yīng)變;w為荷載中心豎向位移,mm;q為荷載集度,psi;a為荷載作用半徑,in;z為計(jì)算點(diǎn)深度,in;v為泊松比;E為彈性模量,psi。
圖5 路面結(jié)構(gòu)
為驗(yàn)證前述想法,刻意將路面結(jié)構(gòu)人為劃分為2層、5層2種情況,層間接觸均為完全連續(xù),每層的彈性模量和泊松比均與圖5中完全相同,并使A點(diǎn)均落在最下面一層結(jié)構(gòu)中,劃分后路面結(jié)構(gòu)見圖6。使用3款程序?qū)@2種結(jié)構(gòu)層輸入方式分別予以計(jì)算,通過(guò)計(jì)算,表2列出了3款程序關(guān)于A點(diǎn)的豎向應(yīng)力σz、徑向應(yīng)力σr、豎向應(yīng)變?chǔ)舲、徑向應(yīng)變?chǔ)舝、撓度w等結(jié)果。文獻(xiàn)[9]解析解答也一并列于表2中。需說(shuō)明的是,各程序?qū)φ⒇?fù)符號(hào)定義有所不同,只需關(guān)注計(jì)算結(jié)果絕對(duì)值即可。
圖6 人為劃分后的路面結(jié)構(gòu)圖
表2 計(jì)算結(jié)果匯總
可以看出,3款程序在人為地將路面結(jié)構(gòu)劃分為2層后的計(jì)算結(jié)果與解析公式算得的結(jié)果十分接近,證明此種劃分方式是可行的。但是,WESLEA和EVERSTRESS 2款程序在人為地將路面結(jié)構(gòu)劃分為5層后的計(jì)算結(jié)果全為0。經(jīng)作者多次驗(yàn)證,當(dāng)同時(shí)滿足以下2個(gè)條件時(shí),3款程序均會(huì)出現(xiàn)此情況,即:路面結(jié)構(gòu)層數(shù)達(dá)到上限,即5層,同時(shí)計(jì)算點(diǎn)位于第5層。故在實(shí)際使用中應(yīng)特別注意3款程序的此項(xiàng)特性。
前文提到WESLEA程序會(huì)自動(dòng)添補(bǔ)路面結(jié)構(gòu)至5層,且可在其結(jié)果輸出文件中輕易發(fā)現(xiàn),以圖6中輸入的人為劃分為2層的路面結(jié)構(gòu)為例,其結(jié)果輸出文件中關(guān)于結(jié)構(gòu)層參數(shù)的內(nèi)容見圖7。其實(shí)經(jīng)作者多次嘗試后發(fā)現(xiàn)EVERSTRESS程序也有添補(bǔ)結(jié)構(gòu)層至5層的特性,但在結(jié)果文件中體現(xiàn)得很不明顯。其添補(bǔ)規(guī)則區(qū)別于WESLEA,具體規(guī)則如下:
若用戶定義的路面結(jié)構(gòu)總層數(shù)是X層時(shí)(X=2、3、4),程序在進(jìn)行計(jì)算時(shí)會(huì)自動(dòng)將結(jié)構(gòu)補(bǔ)成5層,且自動(dòng)補(bǔ)充層數(shù)后的路面結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)。
1) 程序自動(dòng)補(bǔ)充的5-X層路面結(jié)構(gòu)的厚度與用戶自己定義的第X-1層結(jié)構(gòu)相同。
2) 程序自動(dòng)補(bǔ)充的5-X層路面結(jié)構(gòu)的泊松比和彈性模量與用戶自己定義的最下面一層結(jié)構(gòu)(半無(wú)限體層)相同。
3) 第五層結(jié)構(gòu)仍為半無(wú)限體層,與用戶定義的半無(wú)限體層完全相同。
4) 自動(dòng)生成的路面結(jié)構(gòu)不影響用戶定義的計(jì)算點(diǎn)位置。
5) 自動(dòng)生成的路面結(jié)構(gòu)不會(huì)顯示在數(shù)據(jù)輸入文件中,也不會(huì)直接顯示在結(jié)果輸出文件中,2個(gè)文件中顯示的路面結(jié)構(gòu)與用戶輸入的結(jié)構(gòu)相同,但實(shí)際參與計(jì)算的是程序自動(dòng)生成的路面結(jié)構(gòu)。
用戶自定義的路面結(jié)構(gòu)與程序自動(dòng)生成的路面結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖8,可以看到其添補(bǔ)的實(shí)質(zhì)就是在半無(wú)限體路基上額外增加若干結(jié)構(gòu)層,這些結(jié)構(gòu)層的彈性模量、泊松比與半無(wú)限體路基完全相同。
圖8 EVERSTRESS程序結(jié)構(gòu)層添補(bǔ)規(guī)則示意圖
綜合此特性和2.1節(jié)中提到的共性問(wèn)題,使得在用戶輸入的路面結(jié)構(gòu)小于5層的情況下仍可能出現(xiàn)計(jì)算點(diǎn)的力學(xué)響應(yīng)仍全為0的錯(cuò)誤,且由于自動(dòng)生成的路面結(jié)構(gòu)不會(huì)顯示在數(shù)據(jù)輸入文件中,也不會(huì)直接顯示在結(jié)果輸出文件中,使得此漏洞極難被發(fā)現(xiàn)。
為驗(yàn)證此結(jié)論,仍以前述圖5所示算例為準(zhǔn),應(yīng)用EVERSTRESS程序重新劃分結(jié)構(gòu)層再次予以計(jì)算,路面結(jié)構(gòu)劃分見圖9。按前文所述,程序?qū)?huì)按照?qǐng)D8方式劃分結(jié)構(gòu)層,那么輸入圖9中1 in+9 in(9 in為半無(wú)限體層的一部分)所示的結(jié)構(gòu)層將會(huì)被程序自動(dòng)劃分為1 in+1 in+1 in+1 in+6 in(6 in為半無(wú)限體層的一部分),則A點(diǎn)將會(huì)位于第5層中,A點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果將全為0。同時(shí)除A點(diǎn)以外,此結(jié)構(gòu)額外選取8個(gè)驗(yàn)證點(diǎn),8個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)的坐標(biāo)列于表3。如此選定驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)意在結(jié)合“程序的結(jié)果文件中會(huì)輸出計(jì)算點(diǎn)所在的結(jié)構(gòu)層號(hào)”這一特點(diǎn)驗(yàn)證每一層的厚度取值方式。
圖9 驗(yàn)證EVERSTRESS時(shí)人為劃分的路面結(jié)構(gòu)圖
表3 8個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)坐標(biāo)及結(jié)果文件中顯示其所在層號(hào)
EVERSTRESS程序結(jié)果文件中輸入?yún)?shù)的部分見圖10,可以看到其的確是用戶輸入的1 in+9 in(9 in為半無(wú)限體層的一部分)的路面結(jié)構(gòu)。但是計(jì)算結(jié)果的部分截圖見圖11,統(tǒng)計(jì)結(jié)果后列于表3第4列??梢钥吹矫總€(gè)驗(yàn)證點(diǎn)所在的層號(hào)并非表3第3列所示,以此驗(yàn)證了EVERSTRESS程序?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)層的添補(bǔ)規(guī)則。同時(shí)注意到A點(diǎn)(Z=10 in)的計(jì)算結(jié)果全為0,也與上一段相呼應(yīng)。
圖10 EVERSTRESS程序結(jié)果文件中部分輸入?yún)?shù)
圖11 EVERSTRESS程序結(jié)果文件中部分計(jì)算結(jié)果
綜上所述,EVERSTRESS程序所存在的此缺陷較為隱蔽,不易發(fā)覺,使用該程序時(shí)應(yīng)特別注意。
3款程序均基于彈性層狀體系理論開發(fā),各有特色,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需注意如下方面。
1) 若僅考慮較為基礎(chǔ)的應(yīng)用,則ELSYM5程序因其輸出的力學(xué)響應(yīng)最為全面而更具優(yōu)勢(shì)。但若需計(jì)算車轍及疲勞壽命,則僅可選用WESLEA程序;若需開展非線性彈性分析,則EVERSTRESS程序可勝任此工作。
2) WESLEA、EVERSTRESS這2款程序均無(wú)法正確計(jì)算5層路面結(jié)構(gòu)情況下最下一結(jié)構(gòu)層(即路基)的力學(xué)響應(yīng)。
3) WESLEA和EVERSTRESS程序均存在程序自動(dòng)添補(bǔ)結(jié)構(gòu)層的情況,使用時(shí)應(yīng)注意此特征,尤其是EVERSTRESS程序的添補(bǔ)行為很難發(fā)現(xiàn),應(yīng)予以特別關(guān)注。