浅谈半刚性路面的三维有限元分析
基于ANSYS有限元分析的路面形貌设计研究
基于ANSYS有限元分析的路面形貌设计研究基于ANSYS有限元分析的路面形貌设计研究引言：随着城市化的不断发展，交通运输成为现代社会的重要组成部分。
而路面的设计对于交通运输的顺畅与安全起着关键作用。
随着科技的不断进步，有限元分析在工程设计中的应用越来越广泛。
本文将基于ANSYS有限元分析工具，研究路面形貌的设计，旨在优化道路结构，提高道路的承载能力和行车的舒适性。
一、有限元分析的基本原理有限元分析是一种通过将复杂的物体划分成多个有限大小的单元，再对每个单元进行计算和模拟的方法，从而通过计算结果来预测物体在特定条件下的性能和行为。
有限元分析的基本原理是将一个连续体划分为离散的有限个单元，通过求解每个单元的位移、应力等参数，进而得到整个结构的应力和变形情况。
二、路面形貌的设计参数在进行路面形貌的设计之前，首先需要确定一些关键的设计参数，这些参数将直接影响到路面的性能和行车的舒适性。
常见的路面设计参数包括道路的高度、宽度、材料的弹性模量、材料的泊松比等。
这些参数的选择需要综合考虑路面的承载能力、适应不同车速和载重的要求以及材料的成本和可持续性。
三、有限元模型的建立在进行路面形貌的分析之前，需要建立一个准确的有限元模型。
首先根据实际情况对路面进行几何建模，包括道路的几何形状、厚度、材料等信息。
然后根据设计参数，选择适当的单元类型和网格划分方式，确保模型的准确性和计算效率。
最后，通过给定的约束条件和加载条件，对模型进行约束和加载的设定，以模拟实际的工程情况。
四、应力分析和变形分析通过有限元分析，可以得到路面在不同工况下的应力和变形情况。
应力分析可以帮助评估路面的承载能力，判断材料是否满足工程要求。
变形分析可以评估路面的平整度和舒适性，以及对行车安全的影响。
根据分析结果，可以调整设计参数，优化路面的结构，提高路面的性能和舒适性。
五、模拟结果和讨论通过ANSYS有限元分析，我们得到了路面在不同工况下的应力和变形情况。
半刚性沥青路面动荷载力学响应数值分析
维普资讯
第 ６期
２ ２ 动 态荷 载 的 模 拟 ．
邓昌宁 ： 半刚性沥青路面动荷载力学响应数值分析
・４ １９・
Ｏ ｏｏ
把行 车 荷 载模 拟 为 稳 态 简 谐 振 动模 型 ， 以振 动
．
Ｏ 。Ｓ
增 大后 减 小的 变化 规律 ， 当动 荷载 周期 为 ０ ５０ ．０ ｓ时 ， 弯沉 比静 弯沉 大 ２ ％ ， 动 １ 因此 ， 车辆 速 度 过低 会 缩短路 面的使 用 寿命 。
关键词
动荷载
半 刚性沥青路面 数值分析
力学响应
长期 已来 ， 国沥青路面设计一直沿用均布垂 我
直荷 载作 用 下 的弹性层 状连 续 体 系理论 模 型 。众 所 周 知 ， 面结 构的 动 路
１ １ 基 本假 设 ．
（） １ 沥青 混 凝 土 面 层 、 刚 性 基 层 材料 为 线 弹 半 性 材料 ， 基 为 弹 塑 性 材 料 ， 从 Ｄｕｋｒ－ｒｇｒ 土 服 ｒｃｅ－Ｐａｅ 屈服 准 则 ； （） ２ 模型在 ｘ、 ｚ三个 方 向均为有 限（ 型尺寸 Ｙ、 模
时采用 映射网格划分的方法 ， 以解决计算精度与计 算时间的矛盾 ， 因此 ， 在荷载 的施加方法上采取利用 双矩形加载面代替双 圆形加载面的方法 ， 据相关 依 文献计算确定 加载 面为 ２６ ５ｘ ５ ｍ 两加载 面 ２ ． ６ ｍ， １ 间距为 ３９５ ｍ， １．ｍ 荷载值为 ０７２ Ｐ 。 ．０ Ｍ ａ １４ 单 元 网格 的划分 ． 因为在数值模拟过程 中我们仅关心荷载作用面 附近的计算结果 ， 以整个模型不 同区域 的网格划 所 分 应该 是 不 同 的 ， 模 型 通 过采 用 工 作 平 面 切 割 体 该 的方法 ， 为 的将 荷载 面 附近 的单元 格加 密 ， 于整 人 对
动载作用下半刚性路面垂直动力响应三维有限元模拟
（ 湖南 省交 通 规 划 勘 察 设 计 院 ，湖南 长 沙 ４０ ０ ） １０ ８
［ 摘 要 ］针对 交 通 动 荷 载 引 起 半 刚 性 路 面 结 构 的 破 坏 问 题 ， 用 正 弦 波 动 荷 载 加 载 ， 用 三 维 有 限 元 数 值 法 采 利
对 动 载 作 用 下 路 面 各 结 构 层垂 直动 位 移 和垂 直 动 应 力 分 布 规 律 进 行 了模 拟 。 分 析 结 果 表 明 ， 限 元 法 能 够很 好 地 有 模 拟 车 辆 通 过 时 半 刚 性 路 面 各 结构 层竖 向动 位 移 和动 应 力 分 布 规 律 ， 结论 可 以用 来 指 导 工 程 设 计 。 其
ｅ ｎ ｏ ｌ ｌ ｉ ｌ ｔ ｉｔｉ ｕ ｉｎ ｌｗ ｏ ｅ ｔ ａ ｙ ａ ｉ ｓ ｌ ｃ ｍｅ ｔａ ｄ ｖ ｒｉａ ｙ ｍ ｉ ｔｅ ｓｏ ｍｅ ｔｃ ｕｄ ｗｅｌｓｍｕ ａｅ ｄ ｓｒｂ ｔｏ ａ ｎ ｖ ｒｉ ｌｄ ｎ ｍ ｃｄｉｐ ａ ｅ ｎ ｎ ｅ ｔｃ ｌｄ ｎａ ｃ ｓｒｓ ｆ ｃ ｅ ｃ ｅ ｉｒｇｄ ｐ ｖ ｍｅ ｔｓｒ ｃ ｕ ａ ａ ｅ ｅ ｅ ｉｌ ｓ ｅ ｔ ｅ ｃ ｎ ｌ ｓｏ ａ ｕ ｄ ｎ ｉｅ ｒｎ — ａ ｈ ｓ ｍ ｉ ｉ ａ ｅ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｌｌ ｙ ｒｗｈ ｎ ｖ ｈ ｃｅ ｐａ ｓ ｄ． ｈ ｏ ｃ ｕ ｉｎ ｃ ｎ ｇ ｉ ｅ ｅ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｄｅ ｓｇ ． ｉ ｎ
用多层 弹性理 论或 多 层 粘 弹性 理 论来 分 析 的 ， 由于
方 法来 处理 。① 采用 Ｆ ｕｉ 级数 形式来 表达 ， ｏｒｒ ｅ 这在 数 理方 程 中一 般 用 来 描 述 波 传 导 单 元 ； 利 用 功 ②
率 谱密 度 函数 Ｐ Ｄ来表 达 ，Ｓ Ｓ Ｐ Ｄ虽 然反 映 了路 面表
半刚性基层沥青路面结构力学分析
半刚性基层沥青路面结构力学分析王鑫【摘要】基于半刚性沥青路面经常出现的裂缝病害,研究不同结构组合下半刚性沥青路面的沥青层拉应变,对控制沥青路面常出现的裂缝病害提供一些理论建议.采用ANSYS有限元分析软件对双圆均布荷载荷载作用下的半刚性沥青路面结构进行三维仿真模拟,经过分析得到结论如下:基层厚度在20cm~30cm之间变化时,基层厚度每增加5cm,沥青层最大拉应变减小7.73%;基于经济型考虑,建议基层厚度取30cm.【期刊名称】《交通世界（建养机械）》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P125-126,77)【关键词】道路工程;半刚性沥青路面;有限元分析;结构设计【作者】王鑫【作者单位】河北省公路工程质量安全监督站,河北石家庄050051【正文语种】中文【中图分类】U416.217自改革开放以来，我国高速公路建设成就有目共睹。
半刚性沥青路面结构是我国高速公路主要路面结构，占据高速公路沥青路面的90％以上。
半刚性沥青路面结构相对于其他沥青路面结构来说，路面结构强度高、刚度强且造价低。
然而，半刚性沥青路面在使用过程中，经常出现裂缝等病害，对我国高速公路建设非常不利。
因此，本文从半刚性沥青路面常出现的裂缝病害进行研究，分析研究不同结构组合下半刚性沥青路面结构的力学响应，为我国半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。
为了减少造价，半刚性基层通常分为两层设计，基层采用水泥稳定碎石，底基层采用水泥稳定砂砾等。
我国高速公路常采用的沥青路面结构为：16～24cm沥青层+20～40cm半刚性基层+15～35cm半刚性底基层+ 15cm垫层。
综合目前情况，本文研究的半刚性沥青路面结构及其参数如表1所示。
本文根据上述建模参数，利用ANSYS有限元软件对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型。
其中，Z轴方向为路面深度方向，Y轴方向为行车方向，X轴方向为路面横向，并对路基底部使用全约束的边界条件，其他四个截面分别约束其法向位移；施加的荷载为双圆均布荷载，具体如图1所示。
具有柔性基层的半刚性沥青路面三维模型计算
收 稿 日期 ：０ ６ ｌ ４ ２０ 一ｌ —ｌ
基层 中 间加铺 一层应 力 吸收层 ，改善路 基路 面 的结 ． 构 ＿］ ２ 。在 国 内 ，同 济大 学 与东 南 大 学 就 这 一课 题 开展 了系 统研究 。并 根据 试验 路 的结果 分析 ，指 出
ｔ ｉ ｍｅ．
Ｋｅ ｒ ｓ ｆ ｘｂｅｂ ｓ ；ｒ ｉｇｍ ｃ ａ ｙ ｗｏ ｄ ： ｅ ｉｌ ａｅ ｇａ ｎ ａ ｍ ｌ ｄ ａ ｄ
；ｅ ｅ ｔ ｇｃａ ｋ ｅａｔｐａｔ ｉ ｒｆ ｃｉ ｒｃ ；ｌｓ ｌ ｉ ｔ ｌ ｎ ｏ ｓ ｅｙ
０ 引 言
半刚性基层沥青路面 ，由于基层不可避免的干 缩和温缩开裂 ，导致沥青面层的反射裂缝 ，人们对 这一 点 已经达 成共识 。一种 比较合 理 的解 决办 法 就是从道路本身的结构人手 ，在沥青面层和半刚性
文章编号 ：６３— ６４ ２ ７ ０ —００ — ３ １７ ７４ ｛（ ｝１ ０ １ ０ Ｄ
具 有 柔 性基 层 的 半 刚性 沥青 路 面 三 维 模 型 计 算
任瑞 波 商金华 李永 高平 张英亮４ ， ， ， ，
（． １ 山东建筑 大学 土 木工 程学 院 ， 山东 济南 ２００ ； ． ５ １１２ 新疆 维吾尔 自治区交通厅 ， 新疆 乌鲁木 齐 ８０ ４ ； ． ３０８ ３ 山东省
ｍ ｃａｉ ｌ ｒ ｒ ｆ ｅｐ ｖｍ ｎ，ｎ ｔｎｌ ｅｉ ａ ｐｏｅｔ ａｅ ｅｔｉ ｐ ｒ ｒ ａｃ ｎ ｆ— ｅｈｎｃ ｏ ｔ ｏ ｔ ａｅ ｅｔａｄｒｉ ａ ｄ ｇ ｅＲ ｉ ｒｖ ｅｐ ｖｍ ｎ ｆ ｍ ｎｅａｄｌｅ ａｐ ｐ ｙ ｈ ｅ ａ ｏ ｓ ｎ ｍ ｈ ｎｅ ｏ ｉ
三维有限元法在沥青路面加铺层结构分析中的应用
三 、总 结 分 析
１ ． 路 面的结 构刚性会受到 旧路面 同新的加铺层地面之间接触面的稳
Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ
定状况的影 响，并且该影响是对受力状态的直接影 响。其结构计算应 当
狄上威韭Ｊ ； ； 上基
通过 维有 限元模型分析进行计算 ，若间层具有较 为良好 的接触状况 ， 那么加铺层在其附近所具有的温度应力将会有所提高 。 ２ ． 在刚度上加铺层同旧路面相比相对较低 ， 因此在厚度上对加铺层继 续增加 ， 但是无法提高路面结构 的整体刚度的 ， 起不到有效的作用。只 能影响到加铺层顶面受到荷载后 向底面扩散的程度 ，并且加铺层 地面分 布范同随着加铺层厚度的变化也会有所变化 。 ３ ． 若将温度变化因素考虑在 内， 那么通过加厚加铺层可以相应的减少 由于路 面 自 身结构受到温度变化而产生的变化幅度 ，从而降低 由于旧路 面弯曲以及伸缩层温度形变而对加铺层的影响，即减少接缝处所 受到 的 温度应力 。但是若是层 间条件本身就不太理想 ，那么通过增加加铺层 的
三维有限元法在沥青路面加铺层结构分析中的应用
长春建 筑学院 李化 东 吉林 长春 １ ３ ０ ６ ０ ７
【 摘 要】文章主要针对软 夹层在道路阻裂 中的作用 ， 通过对有限元 方式 的应用 的介绍 ，以此为理论依据 建立 了三维空间模 型。在此基础上对 沥青 加铺层所发 生的病害进行 了分析 ，以此 为旧路 改造 中加铺层 的利用提供相关理论依据。 【 关键词】加铺层 反射 裂缝 三维有 限元 中图分类号：Ｕ ４ １ ６文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１ ０ ０ ９ — ４ ０ ６ ７ （ ２ ０ １ ４ ） １ ０ — ２ ４ １ — ０ １
一
、
三 维 有 限 元分 析 理 论 概 述
动载作用下半刚性路面动力响应的三维有限元模拟
湖
南
交
通
科
技
Ｖ０． ２ Ｎｏ ３ １３ ． Ｓｐ２０ ｅ ． ０ ６
ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩ ＣＡＴＩ ＯＮ ＣＩ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
文章 编号 ：０ ８８４ ２０ ）３００ －３ １０ －４ Ｘ（０６ ０ －０ １０
２ １ 垂直 动应 力 ．
平度标准指标 ） 。正弦荷载时程曲线见图 １ 。 １ ２ 有限元模型及计算参数 ． 取半 幅 路 面结 构 进行 建 模 ， 由于 质路 肩 一 般具
收 稿 日期 ：０ ６０ －６ ２０ —４０
图 ２为路基 路面 各结 构层 动态 响应 的垂直 动应
基金项 目： 湖南省交通科技项 目（０ ３ ４ ２０ １ ） 作者简介 ： 山（９ ２ ） 男 ， 向坤 １７ 一 ， 工程师 ， 从事路桥施工与管理。
动载 作 用下 半 刚性 路 面 动 力响 应 的 三维 有 限 元模 拟
向坤 山
（ 湖南路桥通盛工程有限公司 ， 湖南 长沙 ４０ ｏ ） １０ ４
摘
要 ： 对 交通动荷 栽 引起半 刚性路 面结 构的 破 坏 问题 ， 用 正 弦 波动 荷 载加 载 ， 用 针 采 利
三 维有 限元数值 法 对动载 作 用下路 面各 结构层 中的 垂 直 、 水平及 横 向动 应 力分 布 规律 进 行 了 模拟 。 分析 结果表 明 ， 限元 法 能够很好 地模 拟 车辆 通 过 时半 刚 性路 面各 结 构层 结合 部 的 三 有 向动应 力分布规 律 ， 结论 可 以用来指 导 工程 设计 。 其 关键 词 ： 刚性路 面 ； 应 力 ； 限元 半 动 有
＝ ｖＬｖ为车速 ； ２７ ／ ； ｒ ￡为路 面几何 曲线 波长 。 Ｌ＝ 取 ６ ｍ； （ ） ｕ Ｙ 为路 面不平度 函数 ， ，， ２ ｉ（ Ｍ （， ｌ 国际不 ）＝ ｍ ｌ
浅析半刚性路面的特点
为了更好 的说 明半刚性路 面的特 点 ， 需要 将其
与柔性 路面及 刚性 路面 进行 适 当的对 比 。由表２ 可
知， 半刚性 路面在 力学 眭质上的特点是其路面 刚度
料性能等 ，加强基层材料配合比研究工作 ， 而不仅仅局 环境温度 对半刚性材料 强度 的形成 和发展有很大 的影响 ， 强度和 刚性 都随龄期 的变化 ， 干 缩特 性 ， 温 缩特 性等 。 上 述材 料特 性也
试验分析表明 ，选择温缩性小 、极限拉应变
（ ２ ） 力学性 质上， 半 刚性路面 的刚度在柔性 路
面与刚性路面之间。
大的路面材料 是控制半 刚性基层温缩裂缝的
（ ３ ） 在 材料特 性上 ， 半 刚性 基层 的特点包括 ：
温 缩 特 性 有效措施。因此 ， 要根据本地 自然条件 、材
项目
具 有 一 定 的 抗拉强度 具有
一
内容 定 的劈裂强度。
环境温度 环境温度越高， 半刚性材料内部的化学反应 影响较大 就越快和越强烈，因此其强度也越高。
随龄期的增长 ， 强度和刚性都会增长 ， 但 不
龄期 的影 同材料增长的幅度不同，同一种材料在不同 响较 大 地区的增长幅度也不同，而且结合料的剂量
件下的不 同要求 。
采用无 机结合 料稳定 材料 。 这种材 料 的特点 是 ： 具 有一定 的抗拉 强度 ， 环境 温度对半 刚性 材料强度 的
形成和发 展有很大 的影 响， 强度 和刚性都 随龄期 的
变化 ， 干缩特 性 ， 温缩特 性等 。 目前， 半 刚性 基层材 料在使 用过 程中主要存在 的问题是 ： 当原材料选 择
半刚性基层沥青路面结构受力分析
半刚性基层沥青路面结构受力分析发布时间：2022-04-06T05:13:57.925Z 来源：《城镇建设》2021年11月32期作者：王国博[导读] 本文选取北方地区采用的半刚性基层沥青路面典型结构王国博哈尔滨铁道职业技术学院黑龙江省哈尔滨市 150066摘要：本文选取北方地区采用的半刚性基层沥青路面典型结构，以现行规范为基础，对面层、基层、垫层及土基进行分析，利用ADINA有限元软件对汽车荷载作用下的半刚性基层沥青路面结构进行三维仿真计算，对沥青路面路表弯沉和剪应力进行了分析，并以此总结了半刚性基层沥青路面结构设计注意事项。
为半刚性基层沥青路面结构设计提供理论依据。
关键词：道路工程半刚性基层沥青路面受力分析我国高等级公路中,90%以上的公路采用沥青路面结构，其中95%基层结构材料主要采用水泥稳定碎石等半刚性材料。
半刚性基层具有较高的强度、承载力，为减薄沥青层、降低建造成本提供了可靠保证。
但半刚性基层易产生横向收缩裂缝，引起沥青面层产生反射裂缝，且半刚性材料的水稳定性和耐久性较，半刚性沥青路面的实际使用效果与设计目标间尚存在着较大的差距。
我国沥青路面设计方法以双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性理论为基础，以路表回弹弯沉值和路面结构层层底拉应力作为设计指标进行沥青路面设计，在确定路面结构设计参数的基础上，利用相应的弹性层状体系设计分析软件计算确定路面结构层设计厚度。
本文选取北方地区采用的半刚性基层沥青路面典型结构形式，通过ADINA有限元软件进行仿真分析，对沥青路面各结构车进行受力分析，以期为半刚性基层路面结构的推广应用提供理论基础。
1.路面结构及计算模型 1.1路面结构及材料参数计算中采用典型的路面结构，根据参考文献采用如下材料参数值，具体见表1。
1.2计算模型利用基于弹性层状体系理论的沥青路面结构，采用ADINA对结构各层的内力进行了计算。
计算过程中假设沥青混凝土面层（上、中、下）层间、基层、垫层及土基层间均处于完全连续状态。
柔性及半柔性路面材料力学性能的有限元分析的开题报告
柔性及半柔性路面材料力学性能的有限元分析的开题报告一、选题背景及意义随着人们对道路安全和舒适性的要求不断提高，柔性及半柔性路面材料在公路建设中得到了广泛应用。
柔性及半柔性路面材料能够有效地分散路面荷载并减少车辆对路面的冲击，从而提高道路的使用寿命、减少噪音和振动，改善行车安全和舒适性。
然而，随着车辆数目的增加、道路使用量的增加以及气候等因素的影响，柔性及半柔性路面材料也会遭受各种扰动和损伤。
因此，研究柔性及半柔性路面材料的力学性能以及其对路面性能的影响，对优化道路设计和维护具有重要的意义。
有限元分析技术是目前研究柔性及半柔性路面材料力学性能的主要方法之一，它可以模拟路面受力的情况及其对路面的影响，为改善路面性能提供理论依据。
因此，本文将对柔性及半柔性路面材料力学性能的有限元分析进行研究，探讨其在道路建设和维护中的作用和应用。
二、研究内容本文将通过建立柔性及半柔性路面材料的有限元模型，分析不同条件下路面材料的力学性能，包括路面的应力、应变、变形和破坏行为等。
具体研究内容包括以下几个方面：（1）建立柔性及半柔性路面材料的有限元模型；（2）分析不同条件下路面材料的力学性能，包括材料刚度、变形、应力和应变；（3）探究路面材料的破坏行为，包括材料的裂纹扩展路径、裂纹扩展速率等；（4）分析不同路面材料结构的相互作用及不同路面结构对路面性能的影响。
三、研究方法及技术路线本文将采用有限元分析方法进行研究，具体的技术路线包括以下步骤：（1）搜集柔性及半柔性路面材料的材料性能数据，包括弹性模量、泊松比、剪切模量等；（2）建立柔性及半柔性路面材料的有限元模型，采用ANSYS软件进行模拟计算；（3）通过有限元模拟计算，分析不同条件下路面材料的力学性能，包括材料的应力、应变、变形等；（4）根据有限元计算结果，探究路面材料的破坏行为，包括材料的裂纹扩展路径、裂纹扩展速率等；（5）分析不同路面材料结构的相互作用及不同路面结构对路面性能的影响，提出优化建议。
三维边坡稳定弹塑性有限元分析与评价
三维边坡稳定弹塑性有限元分析与评价作为地质现象而持续发展的坡面稳定性是一个严峻的问题，它受人类影响，增加了地质灾害发生的可能性。
因此，坡面稳定性评价应成为重要的工程项目之一。
近年来，计算机技术的发展，使得边坡稳定性分析和评价变得更加容易和可行。
其中有一种极具效率的计算机技术是三维边坡弹塑性有限元分析（FiniteElementAnalysis，FEM）。
三维边坡弹塑性有限元分析是一种用于研究坡面及其周围的地质结构的有力的工具。
这一分析方法把坡面的空间构造划分为若干相交的有限元，比如三角形和形状尖角四边形，并在每个元素中计算它们的变形、应力和位移。
有限元分析可以详细研究坡面的受力状态，从而对稳定性进行更准确的分析和评价。
FEM技术的主要优点之一是能够模拟坡面的实际变形运动，得出与实际状况一致的结果。
它可以有效地计算每个有限元的变形及其相互之间的关系，从而准确地模拟每个坡面元素的稳定性及其受力状态，以判断是否发生坍塌等突变性状态。
此外，由于FEM技术可以以计算机记录数据，重复计算时不需要重新完成，它也可以有效地评估每个坡面中受力情况的变化。
三维边坡弹塑性有限元分析技术为边坡稳定性的分析和评价提供了很大的便利。
在坡面发展初期，可以利用FEM技术对坡面的设计及其施工过程进行相对准确的计算和分析，从而确保坡面的稳定性和延续性。
有限元分析还可以帮助在边坡发展后期，提出有效的稳定性评价和加固措施，以降低边坡发生滑坡等地质灾害的可能性。
因此，三维边坡弹塑性有限元分析是一种高效的坡面稳定性分析技术，它可以有效地计算坡面的受力及其可能发生突变性状态，并有效地评估坡面稳定性，从而确保坡面稳定性。
为此，FEM技术正在被广泛应用于边坡稳定性的分析和评价，并且在未来可能会发挥更大的作用。
浅谈沥青路面结构的三维模型建立
浅谈沥青路面结构的三维模型建立1.引言目前我国现行的公路沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础。
层状弹性体系假定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续[1]。
但是，实际道路中层间接触状态非常复杂，如果忽视层间结合的结构要求，或者没有有效的材料与工艺来实现层间粘结处理，层间结合面就会成为路面整体结构的薄弱环节，导致路面开裂、层间推移、车辙等破坏。
沥青路面作为我国的典型路面形式，对于层间接触状况的研究具有很高的工程价值和现实意义。
国内外众多学者对沥青路面的层间接触问题进行了相关研究，安兴华等人用基于快速拉格朗日有限差分法的FLAC软件，考虑层间部分接触状况，建立路面结构三维弹性层状体系模型，指出层间接触不良会导致路表产生推移和拥包，沥青层底面的切应力会因层间接触条件的不同而改变[2]；宋学艺等人用BISAR3.0软件对半刚性基层沥青路面进行研究，得出层间接触状况改善，荷载对沥青路面力学响应的影响越小[3]；本文选用沥青路面力学3D专业有限元软件EverStressFE进行建模研究，这可克服传统的大型通用有限元软件，如ABAQUS、ANSYS等，模型建立复杂，计算耗时过长，针对性不强等问题，同时能在一定程度上减少了科研的成本。
2.沥青路面结构的三维模型建立2.1 路面结构形式和荷载说明根据工程实际，拟定半刚性沥青路面结构形式，具体参数如表1所列。
本次分析中，选用单轴双轮组荷载（100kN），接地压力为700kPa，单轮额定荷载为25kN，采用双圆垂直均布荷载的接地压力形式，单轮接地面半径为10.7cm。
2.2有限元模型根据轮载作用形式的对称性，本文所用三维有限元软件EverStressFE将模型进行简化，即选取双轮接地面的1/4作为模型的荷载作用部分，将模型有限域的尺寸定为1m × 1m × 1.83m，整个有限元网格被划分为5320个单元，24143个节点。
为了提高计算精度，轮载作用的局部区域设置的网格较为密集（=400mm，=551mm），沿方向和方向均为9个节点；轮载区域外的网格设置得较为稀疏，沿方向和方向均为6个节点。
半刚性基层水泥路面基层冲刷有限元研究
半刚性基层水泥路面基层冲刷有限元研究摘要∶荷载-水耦合作用下的基层冲刷是引起半刚性基层水泥路面早期病害的主要原因之一，为进一步研究基层冲刷的机理，本文以多孔介质理论为基础，运用大型有限元软件ABAQUS对不同车辆荷载作用下的基层冲刷水压力进行研究。
结果表明：重载是加速水泥路面早期破坏的重要原因之一。
关键词：半刚性基层；冲刷水压力；有限元模型1前言近年来，水泥路面在使用早期，特别是通车3~5年以后就发生了冲刷、板底脱空、错台等早期损坏现象，降低了道路的使用寿命。
尽管研究者们已形成共识：在有水的情况下，行车荷载的重复作用使得板底产生较大的水压力，致使基层产生冲刷，进而导致水泥路面的板底脱空、错台等病害，但是，对水泥路面在荷载-水耦合作用下的定量研究尚不多见。
2有限元模型的建立2.1本构模型的建立现代多孔介质理论的实质是先将固相和液相分开研究，建立固相和液相的平衡微分方程，并通过整体的质量守恒建立固相和液相的连续性方程，最后得到两者的线性动量守恒和整体质量守恒方程（即固体平衡方程、渗流连续方程和流体平衡方程）。
理想的饱和多孔介质轴对称半空间问题的控制方程为：流体平衡方程：渗流连续方程：式中：，—饱和混合料骨架的Lame常数；—冲刷水压力（KPa）；—车速（m/s）；—固体的密度（g/㎝3）；—流体的密度（g/㎝3）；—混合料饱和密度（g/㎝3），，n为孔隙率。
水泥路面存的各种接缝成为大气降水进入路面结构的通道，水分进入路面结构后积聚在板底，在车辆荷载的作用下冲刷基层。
此时，基层表面是气（空气）、流（水分）、固（基层材料）三相所构成的多孔介质。
在实际动力分析过程中，由于其耦合运动非常复杂，在一定问题的研究中（如面层结构受水侵害而处于潮湿状态时）将其视为理想的粘弹介质或弹性介质又不太合理；且由于半刚性基层材料不是连续的均匀介质，而是一个布满孔隙或裂隙的间断体，精确地求解这一问题非常困难，为此，做如下的简化和假设：（1）水泥混凝土板的翘曲变形属于小挠度弯曲问题；（2 ）简化为二维平面问题，不考虑水体横向流动；（3）无穷远处应力、应变、位移、冲刷水压力均为零；（4）各结构层层间接触面完全连续；（5）路面结构各层材料均匀、完全饱和且各向同性；（6）孔隙均匀分布，孔隙水渗流遵循达西定律；（7）不考虑小变形，不考虑由于温度变化引起的冲刷水压力变化，路面孔隙不变。
谈对半刚性基层路面的再认识
谈对半刚性基层路面的再认识【摘要】半刚性基层沥青路面在中国公路建设中具有重大的历史意义，直至目前，这种路面结构形式仍被广泛采用。
据统计，我国高等级公路路面基层90%以上采用半刚性基层。
文中对半刚性基层路面进行分析。
【关键词】半刚性；基层路面；再认识1.半刚性基层的优点1.1强度高一般来说，半刚性基层具有较高的强度，且具有强度随龄期不断增长的特性，因此半刚性基层路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。
已有工程证明，半刚性基层沥青路面的承裁能力完全可由半刚性基层分担，沥青面层可起功能层的作用。
1.2稳定性好半刚性基层材料具有较高的水稳性和抗凉稳定性，因此在水的作用及多次冻融反复作用下而不影响半刚性基层的承载能力。
1.3刚性大水泥稳定碎石混合料基层抗压回弹模量值可高达1800MPa，因而其上沥青面层弯拉应力相应减少，从而提高了沥青面层的耐久性。
1.4建设成本低半刚性基层由于可以就地取材，水泥、石灰、粉煤灰、石料等筑路材料当地一般都能供应，所以成本较低，可节约高速公路造价。
2.半刚性基层路面的缺点几十年来，半刚性基层的应用及研究虽然取得了丰硕的成果，但远未达到完美的程度。
半刚性基层的缺陷如下：（1）半刚性基层的收缩裂缝及由此引起沥青路面的反射裂缝不同程度的存在；（2）半刚性基层非常致密，水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚，造成路面破坏；（3）半刚性基层材料的强度、模量会由于干湿和冻融循环，在反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减；（4）半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性；（5）半刚性基层损坏后没有自愈能力，且无法进行缓解。
综上所述，我们要用客观的眼光看问题，不能因为半刚性基层存在问题就一棍子打死，在全厚式沥青路面没有研究成熟前，半刚性基层路面仍将是主流，所以半刚性基层挖潜是当务之急。
3.水泥稳定碎石基层施工中存在的问题3.1压实度超百大家都知道水泥稳定碎石基层施工中，压实度超百现象非常普遍，按照真实的压实度数据统计，超百率应在50%以上。
客车与半刚性护栏碰撞的有限元分析与模拟的开题报告
客车与半刚性护栏碰撞的有限元分析与模拟的开题报告1. 研究背景和意义道路交通事故已经成为现代社会的一大难题，其中交通事故中车辆与道路设施之间的碰撞所造成的人员伤亡和财产损失是未被充分重视的一个方面。
在交通事故中，客车碰撞到半刚性护栏的情况时常发生，因此对该情况进行深入的研究具有重要的现实意义。
有限元分析已经成为工程设计中常用的一种分析方法，其通过对结构运动状态的数学描述来计算其应力、变形响应等力学性质，其中包括车辆的运动状态、疲劳特征和碰撞情况等。
因此，运用有限元分析方法对客车和半刚性护栏的碰撞行为进行模拟研究，对交通事故的预防、减少交通事故中的人员伤亡和财产损失等方面具有重要的现实意义。
2. 研究内容和目标本文的研究内容是针对客车与半刚性护栏的碰撞行为，通过建立车辆、护栏和地面的有限元模型，进行碰撞过程中的数值模拟，并分析该碰撞行为对车辆和护栏的损伤程度、人员受伤情况等方面的影响。
本文的研究目标如下：（1）建立客车、半刚性护栏、地面的三维有限元模型。
（2）通过数值模拟的方法，模拟客车行驶时与半刚性护栏碰撞的过程，并对碰撞过程中客车的运动轨迹、速度、加速度、压力等参数进行分析。
（3）分析客车与半刚性护栏碰撞引起的车辆和护栏的损伤程度，并预测人员受伤情况。
建议。
3. 研究方法和步骤本文将通过有限元分析方法对客车与半刚性护栏的碰撞行为进行模拟，并分析其影响因素，研究步骤如下：（1）建立车辆、护栏和地面的三维有限元模型，包括车体、车轮、车架和护栏、地面等。
为了更好地模拟实际碰撞过程，需要考虑这些模型的材料特性、尺寸、形状等因素。
（2）通过有限元软件建立模型，确定碰撞过程中的初始状态，包括车辆和护栏初始的位置、速度和角度等。
（3）进行数值模拟，模拟碰撞过程中车辆和护栏的运动轨迹、速度、加速度、压力等参数的变化。
在模拟过程中需要考虑材料的弹性极限、断裂点及其相关力学特性。
（4）通过对模拟结果的分析，判断客车与半刚性护栏碰撞的影响因素，比如碰撞速度、碰撞角度等。
超载下半刚性基层沥青路面结构有限元分析
第44卷第3期2020年7月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Journal o£Wuhan University o£Technology(Transportation Science&Engineering)Vol.44No.3Jul.2020超载下半刚性基层沥青路面结构有限元分析王刚“张银博-（太平洋建设集团有限公司】〉乌鲁木齐830000）（新疆交通建设集团股份有限公司-乌鲁木齐830000）摘要:文中通过ANSYS有限元软件建立道路三维有限元模型，考虑趨载作用下，半刚性基层厚度和弹性模量在一定梯度变化情况时，道路各结构层层底力学响应情况，分析半刚性沥青路面结构各项力学响应量，并预估了不同路面结构形式下路面使用寿命.结果表明：结构层底部的拉应力或拉应变与路面结构疲劳寿命直接相关.在考虑车辆超载作用下，研究区域典型路面结构疲劳寿命较短.为了保证路面长期使用性能，进行路面设计时应选择在合理范围内增加基层厚度，防止基层与底基层所受水平拉应力过大,过早出现基底裂缝.关键词:超载;半刚性沥青路面;路面结构形式;有限元分析;疲劳寿命中图法分类号:U416.217doi：10.3963/j.issn.2095-3844.2020.03.0350引言近年来，随着西部开发大战略和丝绸之路经济带的实施，新疆交通运输业得到快速的发展，交通量剧增，随之而来的超载和重载现象也日益严重.按照规范设计的路面结构和设计标准已经满足不了正常的使用年限.和欧美国家相比,我国公路单车道的累积当量轴次远远大于设计轴载.如在设计年限为15年的公路上累积当量轴次为1.5X107〜2X107次，而我国据统计平均水平已达到了1亿次左右，有些路段甚至接近2亿次，以及气候环境影响因素长期作用,路面出现了纵、横向裂缝、泛油、车辙、路基沉陷等病害，这些病害的产生降低了高速公路的服务水平,缩短了道路的使用寿命，进而影响高速公路建设的综合效益充分发挥.因此，结合新疆地区特点，通过有限元分析的方法对现有路面典型结构进行力学响应分析，为延长路面的使用寿命提供必要的技术支持.1实测交通资料本文以我国新疆维吾尔自治区的交通状况为例，新疆位于我国西北边陲,亚欧大陆腹地，总面积为166万多kn?,约占全国国土面积的1/6,是中国面积最大的省区，地域辽阔.随着“十三五”规划及西部大开发战略的不断实施,新疆经济进入快速发展阶段,公路建设不断取得新成就,这对于加速现代亚欧大陆桥国际大通道形成，具有举足轻重的作用.此外，新疆地区高速公路上超载的现象也十分常见.图1为新疆某高速历年交通量统计情况.由图1可知，货车、特大货车数量增长稳健,货运车辆趋于重载化、总载不断增加,这些车辆绝大多数存在超载现象，个别轴载甚至可达13&2kN.因此，针对新疆高速公路沥青路面结构的力学分析，应适当考虑超载的情况卩叫霹詞闫靱壬s年份图1某高速历年交通量分布2路面结构及其材料参数的确定在参考G30吐乌大高速、乌奎高速，以及吐收稿日期：2020-05-18王刚（1982—）：男，硕士生，主要研究领域为公路工程・580・武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2020年第44卷和高速路面结构的基础上,选择表1的路面结构作为典型代表进行有限元分析卩旳.本文构建模型采用非线性材料本构关系，其中D-P模型（Druc-er-Prager）适用于抗压强度高于抗拉强度的材料,在岩石、混凝土和土壤材料的分析中，得到的分析结果较为准确.D-P材料特性参数需要三个物理量进行约束,分别为黏聚力C、内摩擦角0以及膨胀角0.当材料受剪时，会发生体积膨胀,膨胀角是表征体积膨胀大小物理量.当膨胀角0=0°时,材料不发生体积膨胀；当膨胀角申=<p时,材料发生较大的体积膨胀;O°V0Vp时,材料发生较小的体积膨胀.本文采用k平面上投影为von Mises圆的屈服面和非关联流动法则，即材料受剪时不发生体积膨胀，膨胀角0=0°.路面结构面层、基层、底基层、土基的参数选取参照研究区域实际路面结构以及已有的研究成果.表1沥青路面结构参数结构层材料厚度/m弹性模量(20°C)/MPa泊松比黏聚力c/kPa摩擦角卩/（°）面层沥青混凝土0.1512000.2534030基层水泥稳定砂砾0.1813000.2545058底基层天然级配砂砾0.204000.2512044土基砂砾土750.354835基层主要承受由面层传来的车辆荷载，并将力扩散到下面的垫层和土基中去.实际上基层是路面结构中的承重层，应具有足够的强度和刚度.为了探究基层材料参数对于力学响应的影响，本文另外选取了不同于原道路基层厚度及弹性模量的几组参数进行力学有限元分析.基层厚度选择18,24,30,36cm四组，基层弹性模量选择1100, 1300,1500,1700MPa四组.据此着重分析基层厚度、弹性模量在一定梯度变化情况时，道路各结构层层底力学响应情况.3有限元模型的建立沥青路面在行车方向和垂直方向为无限体,路宽方向为有限体,ANSYS有限元软件只能计算有限体单元结构应力，考虑到有限元计算的精度及效率，选取8mX8mX8m正方体模型金呦.模型选取纵向行车方向为X,横向垂直于行车方向为乙竖向路面结构厚度为Y.模型边界条件为:底面完全约束、顶面自由、路面前后方向和两侧均轴向约束.采用八节点六面体单元进行网格划分.为简化计算，路面结构层间按完全连续考虑.4路面结构力学响应分析路面标准轴载采用BZZ-100表示，轴载取值100kN,轮压为0.7MPa.考虑到研究区域高速公路车辆重载、超载化问题突出，计算轴载本文取150kN,由相关公式可得计算轮压为0.801 MPa.根据大量的试验及理论分析认为，轮胎的接地面积更接近于长椭圆形或者矩形等非圆形形状,为了计算方便与准确,可将轮胎接地形状简化为0.8712LX0.6L的矩形（L为轮胎接地长度）.通过计算可得，当量矩形的长为25.61cm,宽为17.4cm.4.1路面弯沉路面弯沉由路面承受荷载后，各结构层产生变形而产生,它可以反映出路面各结构层承载能力，并且在一定程度上可体现出道路的使用状况.弯沉值过大，表明各结构层承载能力不足,道路抵御病害的能力会不断减弱，伴随着交通荷载、气候状况、环境等外部因素的综合作用,从而导致一系列病害相继发生.因此，探究不同路面结构情况下，路面弯沉分布十分必要.图2为车辆荷载作用时不同基层厚度与弹性模量情况下路面弯沉分布.距轮隙屮心距离/m+I100MPa1300MPa*I500MPa*1700MPa 三-0.60£-0.61S-0.62圻-0.63或-0.64V-0.65空-0.66距轮隙中心距离/m23=-0.605E-0.610二-0615匕-0.620尻-0.625旨、-0.630$-0.635壬-0.64035-0.645图2a）不同基层厚度b）不同基层弹性模址不同基层厚度和基层弹性模量情况下路面弯沉分布由图％）可知，不同基层厚度路面最大弯沉均位于轮胎与路面接触面中心位置，在同一荷载水平作用下,路面弯沉随着基层层厚的增加而不断减小.基层厚度选择18cm时路面最大弯沉值为0.657mm,选择36cm时最大路面弯沉值为0.632mm.基本可以判定路面结构承载能力与基层厚度有关，基层厚度太薄,导致路面结构层变形过大，弯拉应力增加.由图2b）可知，不同基层弹性模量路面最大弯沉同样都位于轮胎与路面接触面中心位置，在同一荷载水平作用下，路面弯沉随着基层弹性模量的增加而不断减小.基层弹性模量为1100 MPa,路面最大弯沉为0.645mm,l700MPa时,路面最大弯沉为0.635mm,相差较小.第3期王 刚,等:超载下半刚性基层沥青路面结构有限元分析・581・4.2水平应力在较大的车辆荷载作用下，路面各结构层层 底会产生弯拉应力，由于面层、基层与底基层材料的抗拉强度较低，在车辆荷载反复作用下,各结构层层底容易发生开裂，从而形成荷载疲劳裂缝.本文从改变基层厚度与基层弹性模量角度入手来探究路面各结构层层底水平应力Sz 的分布情况, 结果见图3〜4.层材料、厚度选择不当或者施工中工程质量不达 标时,就会导致路面结构出现车辙、沉降、裂缝等 病害.以往研究发现,一般路面竖向压应力面层底部最大，如果面层过薄，竖向压应变无法在面层完 全消散，会进一步向基层和底基层传递.图5为不 同底基层厚度与弹性模量情况下，面层层底竖向压应力分布情况.8642086420o.O.O.O.O.O.O.0.0.距轮隙中心距离/m a ）不同基层”度64 2 0080604020o .O .0.0.o .O .O .O .距轮隙中心距离/m b ）不同基层弹性模量5 0 5 0 5 0 50 0 112 2距轮隙屮心距离/m-2-10 1 2 3a ）不同基层悖度距轮隙屮心距离/mb ）不同基层弹性模星图3不同基层厚度和基层弹性模量情况时基层底部水平应力Sz 分布图87654321O O O O O O O O 0.0.0.0.0.0.0.0.e d 2J 7 逻 4茶距轮隙中心距离An a ）不同基层序度p d s 、分六逻A W6 54 3 2 10,0①.0.0.0.0 O.O.O.O.O.O.距轮隙中心距离/m b ）不同基层弹件模虽4不同基层厚度和基层弾性模量情况时图5不同基层厚度和基层弹性模量情况时面层底部竖向应力SY 分布由图5可知，在基层厚度或者弹性模量变化 的情况下,面层层底竖向压应变分布规律类似,沿路面中心位置左右呈“W ”形分布，最大压应力均在车载中心处，且相差不大.不同基层厚度情况时,面层最大竖向压应力分布在0. 200〜0. 219MPa ;不同基层弹性模量情况时,面层最大竖向压应力分布在0. 214〜0. 228 MPa.本文选取的典型路面结构，路面面层共15 cm,厚度适中，竖向压底基层底部水平应力Sz 分布由图3可知，在考虑超重的车辆荷载作用下,不同基层厚度与弹性模量基层底部均出现水平拉应力.在不同基层厚度和基层弹性模量情况下，基层水平最大拉应力均发生在荷载中心处.其中选 择基层厚度为18,24,30,36 cm 时,基层最大水平拉应力分别为 0. 159,0. 131,0. 120,0. 126 MPa. 说明基层水平拉应力并不是简单随基层厚度增加而减少，而是存在临界范围，在临界范围内增加基层厚度可以减少拉应力，从而降低基层弯拉破坏 几率.当基层弹性模量为1 100, 1 300, 1 500,1 700 MPa 时，基层最大水平拉应力分别为0.104,0.120,0.135,0.150 MPa.由图4可知，选择基层厚度为18,24, 30,36cm 时，底基层最大水平拉应力分别为0. 072, 0. 060,0. 050,0. 039 MPa ；选择基层弹性模量为1 100,1 300,1 500,1 700 MPa 时,底基层最大水平拉应力 分别为 0. 052, 0. 050, 0. 048, 0. 046MPa.说明底基层水平最大拉应力随基层厚度以及弹性模量增加而减少.4.3竖向应力车辆荷载作用在路面上，会在沥青面层产生瞬时压应力，导致各结构层压密变形，当路面结构应力不大,但是进一步分析可得,4 cm 上面层层 底竖向压应力为0. 729 MPa,9 cm 中面层层底竖 向压应力为0. 324 MPa,因此路面设计时,面层不宜过薄.如果面层过薄，高温天气沥青路面结构层 会在车轮荷载作用下，内部材料流动，产生横向位移，形成失稳型车辙.由于选取的典型路面结构面层较厚，基层与底基层竖向压应力较小，分布规律与面层底部类似，压应力均集中于轮迹四周，故基 层与底基层结构层层底压应力不再赘述.4.4剪切应力从新疆高速历年路面病害调查数据可得推移、拥包、车辙病害多发，此类病害大多由于路面结构层中出现较大剪切应力.特别是夏季高温天气,沥青材料黏稠度降低，很小的剪切应力，就能导致路面发生损坏.新疆地区夏季气候极度干燥 且酷热，研究路面结构剪切应力分布很有必要.本文对路面结构层各向剪切应力进行比较分析，各结构层层底g 均大于r 严，且基层、底基层基本不 受剪切应力影响，数值较小,面层底部基层顶部的剪切应力最大，最大剪应力结果见表2.由表2可知,基层厚度变化情况下，面层层底 最大剪切应力变化明显;基层模量变化时,剪切应力基本保持不变.剪切应力对基层厚度变化更为•582•武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2020年第44卷表2路面结构层最大剪应力材料参数发生位置最大剪切应力/MPa18cm0.056024cm0.0458基层厚度变化面层底部30cm0.034136cm0.02851100MPa0.03541300MPa0.0341基层模量变化面层底部1500MPa0.03571700MPa0.0357敏感，18cm基层厚度时最大剪切应力是36cm时的2倍.因此，适当增加基层厚度，可以减少路面的剪切破坏.4.5路面结构疲劳寿命分析半刚性基层材料的抗拉强度较低，在车辆荷载反复作用下，层底容易发生开裂，发生结构破坏•现行规范选择基层或底基层拉应力（变）作为控制应力（变），与室内简支小梁弯拉试验或圆柱体间接拉伸试验测得的极限弯拉应力比较，运用疲劳性能方程，预估路面结构出现疲劳破坏时所能承受的重复应力作用次数•水泥稳定类材料的疲劳性能模型为lg Nf=12.409—12.570（护）（1）式中：6为反复弯拉应力，MPa；Rs为弯拉强度，MPa,根据室内试验数据取0.5MPa.本文选择基层底部拉应力作为控制应力，并采用4.2中不同基层厚度与模量对应下的最大水平拉应力值,通过上述预估模型计算各路面结构疲劳寿命.结果见表3〜4.表3不同基层厚度下路面结构疲劳寿命基层厚度/cm 基层弹性模量/MPacrt/MPa Ks/MPa疲劳寿命1813000.1590.5 2.58X1082413000.1310.5 1.31X1093013000.1200.5 2.47X1093613000.1260.5 1.74X109表4不同基层弹性模量下路面结构疲劳寿命基层弹性模量/基层厚度/fft/Rs/疲劳寿命MPa cm MPa MPa1100300.1040.5 6.23X1091300300.1200.5 2.47X1091500300.1350.5 1.04X1091700300.1500.5 4.35X10*通过表3〜4可知，在基层厚度达到30cm之前，路面结构疲劳寿命随基层厚度增加呈现大幅增长,30cm基层厚度的疲劳寿命是18cm时的9.6倍,继续增加基层厚度至36cm,疲劳寿命反而下降30%.由于基层材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现损伤，此类损伤会降低基层材料的强度及刚度.路面典型结构下的基层弹性模量为1300MPa,假设基层出现损伤，弹性模量下降为1100MPa,此时路面结构疲劳寿命为6.23X109,较基层弹性模量为1300MPa时增加T2.6倍.为了进一步研究基层弹性模量对于疲劳寿命的影响，增加基层弹性模量至1500,1700 MPa对应疲劳寿命较路面典型结构时分别下降57.9%.82.4%.基层弹性模量减少时，基层材料应力释放,弯拉应力降低，路面疲劳寿命增加•但基层弹性模量过低，路面结构承受荷载时基层与底基层产生较大塑性变形，底基层拉应力相应增加,底基层疲劳寿命下降，一旦超过底基层极限拉应力，就会出底基层裂缝，进而影响路面长期使用性能.5结论1）路面弯沉值随基层层厚以及弹性模量的增加而不断减小，最大弯沉均位于轮胎与路面接触面中心位置，基层厚度的改变对路面弯沉值分布波动性影响更大•在充分考虑工程造价条件下，选择较厚的基层厚度可以有效提高路面承载力.2）基层层底水平拉应力随基层弹性模量的增加而增加,底基层层底水平拉应力随基层弹性模量的增加而减小.底基层水平拉应力随基层厚度增加而减少，但基层水平拉应力不同，在路面典型结构基层厚度下，基层层底水平拉应力最大，继续增加基层厚度，基层层底水平拉应力先下降后增加•考虑到半刚性基层材料的抗拉强度远低于抗压强度,容易受拉破坏•为了保证路面良好长期使用性能，进行路面设计时应选择在合理范围内增加基层厚度，防止基层与底基层所受水平拉应力过大，过早出现基底裂缝.3）考虑车辆超载作用下，路面结构面层底部竖向压应力最大，当基层厚度与弹性模量梯度变化时，最大压应力相近•新疆地区夏季气候极度干燥且酷热,沥青材料粘稠度降低,沥青路面承受较大竖向压应力时，可能导致内部材料流动,产生横向位移，形成车辙病害.4）基层厚度变化情况下，面层层底最大剪切应力变化明显;基层模量变化时，剪切应力基本保持不变•因此适当增加厚度，也可以减少路面结构的剪切破坏.5）通过疲劳寿命分析可得，在考虑超载作用第3期王刚，等:超载下半刚性基层沥青路面结构有限元分析•583•下,典型路面结构设计不尽合理，可承受轴载仅为2.58X108次•为了保证道路使用的耐久性，应适当增加基层厚度及选择合理的基层弹性模量.参考文献［1］肖川.典型沥青路面动力行为及其结构组合优化研究［D］.成都:西南交通大学,2014.［2］张菁.精心规划：实现新疆综合交通协调发展-新疆维吾尔自治区发展计划委员会主任刘晏良先生访谈录口］.综合运输,2004(1):12-16.［3］袁小平，刘红岩,王志乔.基于Drucker-Prager准则的岩石弹塑性损伤本构模型研究［J］.岩土力学，2012, 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was predicted・The results show that the tensile stress or strain at the bottom of the structural layer is directly related to the fatigue life of the pavement structure.Considering the overload of vehicles?the fatigue life of typical pavement structures in the study area is relatively short・In order to ensure the long-term performance of the pavement,we should choose to increase the thickness of the base in a reasonable range to prevent the excessive horizontal tension stress of the base and the base from premature occurrence of base cracks・Key words：overload；semi-rigid asphalt pavement；pavement structure form；finite element analysis；fatigue life。
浅谈高速公路半刚性路面
浅谈高速公路半刚性路面摘要：我国高速公路上的半刚性路面通常由半刚性材料底基层、半刚性材料，基层和沥青面层构成。
关键词：高速公路半刚性路面1.我国已开放交通的高速公路半刚性路面,其沥青面层厚度多数为15-16cm,少部分为9-12cmo京津塘高速公路为18-23cm,广深高速公路为32cmo 多数分三层铺筑,9-1Ocm厚的面层分两层铺筑,12cm厚的面层有分两层也有分三层铺筑,23cm和32cm厚的面层则分四层铺筑。
多数高速公路的半刚性基层厚2Ocm,采用水泥稳定碎石(或砾石)或石灰粉煤灰稳定碎石(或砾石)。
半刚性底基层厚25-4Ocm,采用的材料有石灰土、水泥土、二灰土、二灰砂、二灰和水泥石灰土等。
半刚性材料层的总厚度通常不超过ωcm,最薄为4Ocmo迄今为止,仅有一条高速公路采用天然砂砾或矿渣做底基层。
近几年来,有些高速公路采用二层半刚性基层,厚36-4Ocm,用一层半刚性底基层,厚18-memo除严重超载和车辆多的运煤和运砂石材料等路线外,一般没有必要采用两层半刚性基层。
半刚性路面的总厚度变化在55-8Ocm(个别填土高度小和地下水位高且土质不好的路段),绝大多数在65-75cm之间。
2.各个结构层的作用1)半刚性材料层半刚性基层是路面的主要承重层,半刚性底基层是路面的辅助承重层，这两个结构层可提供半刚性路面所需的全部承载能力。
在全厚式基层情况下,则半刚性路面的承载能力可完全由半刚性基层满足。
在我国沥青路面设计规范中路面的承载能力用轴重100KN下路面表面的弯沉值表示。
半刚性路面的结构性破坏通常是由于整体性半刚性材料层底面拉应力超过容许值产生的。
对于常用的半刚性路面结构,由结构层底面拉应力引起的疲劳破坏将首先从底基层底面开始,并逐渐向上延伸,接着半刚性基层产生疲劳破坏,最后沥青面层产生疲劳裂缝以及整个路面产生结构性破坏。
一旦半刚性基层产生疲劳破坏,整个路面的结构性破坏就会很快发生。
面层产生疲劳破坏的初始征兆是轮迹带上产生细小纵向裂缝,随后产生横向裂缝及形成网裂和形变。
动载作用下半刚性路面垂直动力响应三维有限元模拟
动载作用下半刚性路面垂直动力响应三维有限元模拟
邓琼;张淳
【期刊名称】《公路工程》
【年(卷),期】2008(033)003
【摘要】针对交通动荷载引起半刚性路面结构的破坏问题,采用正弦波动荷载加载,利用三维有限元数值法对动载作用下路面各结构层垂直动位移和垂直动应力分布规律进行了模拟.分析结果表明,有限元法能够很好地模拟车辆通过时半刚性路面各结构层竖向动位移和动应力分布规律,其结论可以用来指导工程设计.
【总页数】5页(P68-71,101)
【作者】邓琼;张淳
【作者单位】湖南省交通规划勘察设计院,湖南,长沙,410008;湖南省交通规划勘察设计院,湖南,长沙,410008
【正文语种】中文
【中图分类】U416.01
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轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
层的刚度或厚度，得到以下规律：基层厚度不变，刚 度增大，导致基层底面最大拉应力增大，底基层底面
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高建红：轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
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最大拉应力减小；基层刚度不变，厚度增加，导致基 层、底基层底面最大拉应力都减小。超载越严重，在 面层、基层、底基层底面产生的拉应力越大。
应力越大，且随轴载成比例增加。图 # 全面反映了底 基层底面最大拉应力随基层模量、厚度的变化关系。 分析图 # 及表 " 可知：增加基层厚度也可以减小底基 层底面的最大拉应力，而且基层越厚，其模量变化对 底基层底面最大拉应力的影响越显著；基层模量、厚 度不变，轴载越大或超载越严重，底基层底面最大拉 应力也越大，同样随轴载成比例增加。
$" 半刚性路面各结构层的受力分析 对双圆垂直均布荷载作用下的三维实体模型进行 了有限元分析，从中找出轴载中截面（ 如图 " 所示）
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高建红：轮载作用下半刚性路面受力状况的有限元分析
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上各结构层底面的最大应力，部分结果列于表 ! 和表 " ，表中数值为负表示受压，数值为正表示受拉。图 ! 中 #$ 、%&、’( 线上的最大应力分别对应于面层层 底最大应力、基层层底最大应力、底基层层底最大应 力。由此可见，在笛卡尔坐标系中，以上三条线上某 一点的 ! 方向应力相当于轴对称课题中的径向应力， " 方向应力相当于轴对称课题中的切向应力，图 ! 中 " 方向垂直于纸面指向读者。图 " 给出了标准轴载作 用下基层、底基层底面 ! 和 " 方向的最大拉应力随 基层模量变化的关系曲线。由此曲线可知：基层和底 基层底面 " 方向拉应力大于等于 ! 方向拉应力，这 和轴对称课题中的切向应力大于等于径向应力相吻 合。非标准轴载作用下也具有以上结论。面层受其薄 厚和相对刚度大小的影响，层底应力有压有拉，当层 底为压应力时，! 方向压应力大于等于 " 方向压应力。
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论文摘要：为了研究半刚性路面实际的动态响应规律，依据路面动力学理论，运用有限元软件ABAQUS建立三维模型。
通过数值计算得出：横向应变和纵向应变都随着车辆行驶的速度提高，呈下降趋势下降幅度最高都达到15%以上，且横向应变都大于纵向应变。
在路面设计和研究时，不仅要考虑沥青面层底部最大拉应变值，还要考虑压应变值。
疲劳寿命试验时，要考虑应变比的影响，应变比与速度和轴载都有关系。
在车辆拥堵的地段，要适当提高沥青混合料的抗拉强度。
关键词：沥青路面；半刚性基层；动力响应；ABAQUS1 引言目前，大多数国家沥青路面设计方法，一般都把车辆荷载视为静荷载或近似等效静荷载。
但随着车辆行驶速度的大幅提高，静载模式已不能反映路面的实际受力状况。
关于路面结构动态力学模型的研究始于20世纪70年代,YangNC(1972)针对机场道面设计的需要提出有必要对飞机与道面间的动力相互作用进行研究,并建议用功率谱密度(PSD)描述两者之间的随机振动[1]。
GillespieTD等(1993)为研究重载车辆对路面的破坏作用,对动荷载特征和路面响应进行研究,分析了轴载、车辆悬挂系统、轴距、轮压等因素的影响[2]。
Zaman等考虑了路面沥青材料的粘弹属性[3]。
在国内,邓卫东等利用弹塑性动力有限元方法研究了路基不均匀沉降对沥青路面受力变形的影响[4]。
郝大力等对FWD荷载和车轮荷载作用下的层状体系路面结构响应的一般规律进行了分析[5-6]，张洪亮等对移动荷载下柔性路面的动力响应进行了分析[7]。
王金昌等利用断裂力学理论分析了含反射裂缝沥青路面的动应力强度因子规律[8]。
黄晓明(1990)对路面结构在特定动荷载作用下的一般响应进行了理论分析[9]，邓学钧等(1995)对弹性层状体系的动力响应进行了有限元计算[10]。
本文依据结构动力分析理论,对多层弹性体系路面在动态荷载作用下的响应进行分析。
2 基本理论有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个，且按一定方式相互联结在一起的单元的组合体[11]。
由于单元能按不同的联结方式进行组合，且单元本身可以有不同形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。
有限单元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。
3 典型半刚性沥青路面分析模型3.1 分析模型的参数与荷载简化模型分为4层，分别为沥青混凝土面层、水泥稳定碎石、低剂量水稳、土基。
3.2 有限元模型本文采用大型有限元软件ABAQUS建立三维模型，各层采用三维实体单元进行网格划分。
有限元尺寸水平方向6m×6m，最下一层土基深度为6m，其余各层为实际厚度。
边界条件为底面固定，其余四面在各个方向上固定。
采用有限元计算时，单元网格的划分不同对计算结果有很大的影响。
从有限元的基本理论可知，计算结果的精度一般随网格的不断细划而提高。
但网格划的过细将致使对计算机的性能要求太高，同时单元增多将增加计算的舍入误差。
所以要对结构进行网格实验，一般有两种方法：（1）采用高阶单元（2）细化网格。
本文两种方法综合运用，在荷载作用的地方采用高阶单元，同时也进行了收敛性分析。
为保证计算精度，网格三向尺寸不应相差过大，首先执行一个较为合理的网格划分的初始分析，在两倍的网格方案，比较两者的结果。
如果计算结果的差别小于1%，则网格密度是足够的，否则继续细化网格直至划分得到近似相等的结构。
4 结果分析4.1 速度的影响沥青混合料的设计和研究中关键力学指标是抗拉强度，这就要求我们必须清楚沥青混合料面层在车辆荷载作用下实际的应变状态。
为了研究的方便，图1、2分别给出单后桥车辆后桥轴载为10t时路面层底部应变随速度变化的曲线和应变比变化。
（1）从图中可以得出，各种速度下横向拉应变和横向压应变都大于纵向拉应变和纵向压应变。
（2）随着车辆速度的提高，不管是横向应变还是纵向应变，都基本呈下降趋势。
以纵向拉应变为例，车速80km/h时的纵向拉应变比车速10km/h时的纵向拉应变少14.3%，其余类比分析都少15%左右。
（3）静态车辆荷载下道路结构的沥青面层应变状态与车速80km/h的应变状态相差更大，特别是高等级路面车速都在80km/h以上这与静态荷载有很大差别，柔性路面静荷载设计模型无法反映实际交通状况。
（4）静态设计时，沥青混合料的抗拉强度远小于抗压强度，因此只关注最大拉应变大小。
但沥青混合料是由“沥青胶泥+集料”组成的，当沥青混合料承受交变应变状态的反复作用时，沥青胶泥和集料之间的粘结力受到破坏，使得抗拉强度大幅度下降。
因此，在沥青路面动态设计时，不但要考虑路面层底部拉应变的作用，而且要考虑压应变的作用;在疲劳寿命试验时，应考虑应变比(即最大压应变与最大拉应变之比)。
图3给出了应变比随车辆速度变化的曲线。
纵向应变比为1.54—1.7，随速度的增长增大；横向应变比在1.45左右变化幅度不大。
对于路面的某一点来讲，当车辆驶来和离去的时候该点的拉应变很小或为压应变；当车辆到达该点时，该点拉应变达到峰值。
为了便于说明，如图3所示沥青面层出现最大拉应力点的时程图。
根据前文式（8）把不同车辆速度转化为作用时间，经过力学分析得到图3所示的应变时程图。
从图3可以看出，速度越慢作用时间越长，应变越大。
由于沥青混合料的粘滞性，在拥堵的路面前一个车辆作用效果还没有完全恢复，后一个车辆就开始作用，一定程度上解释了为什么经常拥堵的路面损坏的比较严重。
3.2 轴载对应变的影响车辆速度为80km/h时，轴重分别为7t、10t、16t应变变化曲线。
(1)在三种轴载下，最大纵向拉压应变和最大横向拉压应变为上升趋势，但是变化幅度各不相同，最大横向拉应变变化范围比较广，最大横向压应变在轴载大于10t，应变値迅速增加。
(2)应变比曲线图中，纵向应变比呈现出上升趋势，随着轴载的增加而增大。
但横向应变比呈下降趋势且变化范围小。
4 结语利用有限元软件ABAQUS，建立三维模型对半刚性路面进行力学分析，得出如下结论。
(1)在行驶的车辆荷载下，沥青面层的纵向和横向拉压应变与静载模式有很大差异。
速度80km/h的纵向拉应变比速度为10km/h的纵向应变少15%左右。
(2)在交通拥堵的路面，应为车速比较慢且车流量大，沥青面层的应变比较大而且时间比较长，对沥青混合料的抗拉强度有很高的要求。
(3)沥青混合料的知道疲劳寿命不仅要清楚，沥青面层在交通荷载作用下的最大拉应变，也要在交通荷载作用下的应变比是多少。
疲劳寿命试验时，要考了应变比与速度和轴载的关系。
(4)不论是轴载还是速度的影响，沥青面层最大横向拉应变一般都大于纵向拉应变。
以后在现场检测和试验时要有充分考虑。
参考文献[1] YANG N C .Design of FunctionalPavements[M] .McGraw-Hill Book Company,1972.[2] GILLESPIE T D , KARAMIHAS S M, SAYERS M W.et all.Effects of heavy-vehicle characteristics onpavement response and performance[R].TRB Report 353,National Academy Press,1993.[3] Zaman M, Taheri M R, Alvappillai A. Dynamic response of a thick plate on viscoelastic foundation tomovingloads[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,1991,15(9):627-647.[4] 蒋建群,周华飞,张土乔.移动荷载下 Kelvin 地基上无限大板的稳态响应[J].浙江大学学报:工学版,2005,39(1):27-33.Jiang Jian-qun, Zhou Hua-fei, Zhang Tu-qiao. Steady-state response of infinite plate onKelvin foundation subjected to moving loads[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science,2005,39(1):27-33. (in Chinese);[5] 蒋建群,周华飞,张土乔.移动荷载下粘弹性地基上无限大板的稳态响应[J].中国公路学报,2006,19(1):26-29.Jiang Jian-qun, Zhou Hua-fei, Zhang Tu-qiao. Steady state response infinite plate onviso-elastic foundation subjected to moving load[J]. China Journal of Highway and Transport,2006, 19(1): 26-29.(in Chinese)[6] 邓学钧,孙璐.粘弹性地基上无限大板的瞬态响应[J].东南大学学报:自然科学版,1996,26(4):89-93 DengXue-jun, Sun Lu.Transient response of infinite plate on viscoelastic foundation by moving load[J]. Journal ofSoutheast University: Natural Science Edition, 1996, 26(4):89-93. (in Chinese);[7] 张洪亮,胡长顺,许伟清.移动荷载作用下柔性路面的动力响应[J].长安大学学报:自然科学版,2005,25(5):6-10.ZhangHong-liang, Hu Chang-shun , Xu Wei-qing. Dynamic response of flexible pavementunder moving load[J]. Journal of Chang an University: Natural Science Edition, 2005,25(5): 6-10. (in Chinese);[8] 郝大力,王秉纲.路面结构动力响应分析[J].长安大学学报:自然科学版,2002,22(3):9-12.Hao Da-li, WangBing-gang. Dynamic response of pavement structure[J]. Journal of Chang an University: Natural Science Edition,2002, 22(3): 9-12. (in Chinese)[9] 黄晓明.路面结构在动荷作用下的力学分析[D].南京:东南大学,1990;[10] 邓学钧,黄晓明,沈伟新.弹性层状体系的动力响应分析[J].土木工程学报,1995,28(3).[11] David Croney，Pau1Croney.Design and Performance of Road Pavement.The McGraw-HillCompanies.Inc.1997[12] 黄仰贤(美). 路面分析与设计[M].北京:人民交通出版社,1998.。