路基压实度对路面沉降规律的影响有限元分析（交通）

                                李  筠

                （石家庄市京昆高速公路京石管理处  石家庄050000）

摘要  为确定压实度对沥青混凝土路面的影响，借助有限元软件，系统分析90%，92%，94%，

96%，以及98%5种路基压实状态下路面的沉降规律。结果表明，路基压实度从90%增加到

98%，沉降减少近1倍，相同路基压实度下，路面上部的沉降要大于路面下部的沉降，路基沉降具有不均匀性，路基压实度越低，不均匀沉降就越剧烈。

关键词  路基压实度沉降有限元

    随着交通荷载的日益重型化，交通量的大幅增长，高速公路路面的早期破坏现象较为严重，车辙、裂缝、沉陷、坑槽等路面破坏现象几乎出现在所有路面结构中，为交通工具的正常行驶和公路的养护造成了很大的困难。造成这些现象的原因是多方面的，但路基的强度与稳定性对路面工程质量的影响是其中的重要因素。高标准压实是保证路基强度和稳定性的重要措施，不仅可以提高路基土强度，对行车荷载反复作用下产生的永久变形也有抑制作用，可以防止路面过早产生车辙、沉陷等病害。但是，在路基施工时往往局部压实度达不到规范要求，如不及时处理会引起路基不均匀沉陷，导致路面局部沉陷、产生纵向裂纹和桥头跳车，对行车安全及舒适程度影响较大，缩短了路面的使用寿命。

    基于此，本文利用有限元软件系统分析不同压实度路基在车辆荷载作用下的沉降变形规律，为路基设计和施工奠定基础。

1  车辆动载下路基路面的有限元建模

    路面结构在水平方向和深度方向取其有限尺寸，应用三维实体单元进行离散处理，在非对称横断面上完全约束，对称面上限制垂直于对称面方向的位移，底部完全约束，面层表面作为自由面，不进行任何约束。

1.1  材料的力学参数

    根据弹性波传播速度、路基密度和路基弹性模量之间的关系，得到：

    对于不同的密度，弹性模量E和剪切模量G也将发生变化。随着孔隙度减小，密度增大，同时，E和G也将增大，且E，G增大速度要比的增大快得多。通过以上公式，对于不同的压实度，可以求出对应的弹性模量E和剪切模量G。路面、路基材料的计算参数见表1。

1.2边界条件的确定

    在模型中XY平面为横断面，X轴为横向，Y轴为竖向，Z轴为纵向（即行车方向）。模型中面层、基层、路基与地基分别作为不同的组（即代表不同的材料），但都采用块体元进行计算。纵向的2个断面（即与Z轴垂直的2个断面）的Z方向位移被约束，横向的2个断面（即与X轴垂直的2个断面）的X方向位移被约束，竖向最底面的X，Y，Z方向位移被约束。

1.3  车轮与地面接触面积

    本文计算荷载采用标准双轮轴载100 k N，轮压0. 707 M Pa。实际每个轮胎接触面积大致形状可由1个矩形和2个半圆形组成，其接触面积A。如图1。

    为了方便有限元计算，接触面积可进一步简化为等宽的单一矩形0. 8712L×0.6 L。因为接触面积由每个轮胎承受的荷载除以轮压求得，Ac=25×103/0. 707 - 35 361  mm²．故L=260mm。

2  沥青路面路基三维有限元模型

    首先建立路基的有限元离散模型。将路基视为三维实体，沿宽度方向取14. 75 m（单向3车道）路基路面断面图见图2a），考虑到结构对称，故取横断面一半进行建模分析，见图2b）。在面层、基层、底基层、路基、地基采用SOLID45实体单元。SOLID45为8节点三维单元，每个节点有3个自由度，即X，Y，Z方向的平动自由度。路面按层划分网格，模型单元网格见图2c)。

    根据路面设计规范，以双轮组单轴载100 k N为标准轴载进行分析计算，即P₀=10 k N。为更好地利用有限元模拟实际汽车荷载作用下路面的动力响应分析，采用2车道2辆车对路面施加荷载，每辆车为4轮组车辆，共12个加载面，每个加载面的面积为0. 871 2L×0.6L，这样荷载作用时动态响应的迭加效果比较明显，所以进行路基路面动力响应分析时，从整体上分析动态响应的趋势和变化规律。轮载作用见图3。

标准轴载转化为车轮轮压，在半波正弦荷载作用下，共进行55次循环，其车轮轮压时程图见图4。

3不同路基压实度下路面路基沉降分析

    对于整个模型，针对不同的路基平均压实度，分别给出了Y方向位移图。不同压实度路面位移见图5。

由图5可见，随着循环次数的增加，呈现变形越来越大的趋势。路基、基层和路面均是由散粒材料填筑而成，在车辆荷载作用下，路基、基层和路面均要产生变形。路基、基层和路面的总变形分为弹性变形和塑性残余变形。残余塑性变形随车辆荷载的作用次数而不断累积增加成为累积永久变形。对于路面而言，累积永久变形表现为车辙；路基和基层的累积永久变形即为沉降。竖向位移（弯沉）是我国沥青路面设计中的一个重要的力学指标，反映了路面整体承载能力和使用状况的好坏。

    为反映路基压实度与沉降之间的关系，特绘制不同位置下、不同路基压实度下的沉降时程曲线。其中图6是土基顶部不同路基压实度下沉降时程曲线；图7是路基顶部不同路基压实度下沉降时程曲线；图8是面层顶部不同路基压实度下沉降时程曲线。

    由图6～8可见，路基压实度虽然只增加一点，但对于沉降的影响却比较大。路基压实度从90%增加到98%，沉降平均可以减少近1倍。原因在于路基压实度的变化，其弹性模量和剪切模量也将发生变化，且弹性模量和剪切模量增大速度要比路基压实的增大要大得多。这样由于路基刚度的急速增加，自然在相同荷载作用下，整体沉降要小。

4结论

    (1)路基压实度从90%增加到98%，沉降平均减少近1倍。

    (2)相同路基压实度下，路面上部的沉降要大于路面下部的沉降。路基具有不均匀性。路基压实度越低，不均匀沉降就越激烈。

    (3)为减少路面在交通荷载作用下发生车辙，也应该提高路基的压实度。