硅谷杂志：高速公路路基变形分析 |
| 2012-11-07 08:59 作者：郑若瑜 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月7日文】据《硅谷》杂志2012年第16期刊文称，在ANSYS10.0平台上，根据Durker-Prager屈服准则，对高速公路路基在部分路面承受压力情况下的变形进行分析。并且用控制变量的方法分别从路面上车轮类型和所加荷载大小两方面来深入研究。根据各种情况下高速公路模型的变形以及应力、应变分布云图来分析各种变化对高速公路路面的影响。
0引言
高速公路的路基一般分为三层，分别为AC、Base和SG。在变形中一般认为AC和SG是弹性的，Base为DP塑性。DP材料的屈服强度随侧限压力（静水压力）的增加而增加，其塑性行为被假定为理想弹塑性。同时，DP材料选项考虑了由于屈服而引起的体积膨胀，但不考虑温度变化的影响，适用于混凝土、岩石和土壤等颗粒状材料。我们经过试验数据分析可知路面各层的弹性模量对高速公路路面变形的影响不大，故本文中不考虑由于路面各层材料弹性模量差异带来的影响。
1建立模型
如图1所示即高速公路路基的简化模型，模型宽度可设为2000-5000mm。路面各层材料特性如下表1。
图1
表1
2有限元分析
1）首先选择分析模式为结构类型。
2）选择单元类型。因路基分三种材料分析，故选用三种PLANE82单元。并将单元类型设置为平面应变类型。
3）设置材料参数。其中DP材料参数如下：粘聚力：10，内摩擦力：30，膨胀角：30。
4）建立有限元几何模型。
5）划分网格。在划分网格时每一层高度均分为20份，左边受力处网格应相对密集，故宽为152.4*2内网格也分为20份。右边网格分为10份，并以0.2渐进，左密右疏分布。
6）施加约束为：左侧约束x方向，地面约束Y方向。同时在上端左侧152.4mm长度处施加0.55MPa的线压力。
7）进行非线性求解。得到应力分布，其中最大应力为1.641MPa，最小应力为0.152e-3MPa。由ANSYS软件结果图可以发现应力集中分布在左上端所加压力处。并可知其中最大应变为0.001317，最小为0.553E-7。同时关注其Y方向上最大位移即最大变形为2.854mm。根据所得数据可以大致描绘出路基模型的应力-位移曲线，从而得知其变形特征。
3深入分析
在这个问题上，本文作者决定采用控制变量法，分别对加载车轮形状和所加荷载大小进行分析，从而得出对高速公路路基变形影响最大的因素。
1）加载车轮形状。假设公路受压的为一辆双轮汽车，即受力在左端长度为152.4*2mm的线压力上，每段长为152.4mm上施加压力0.275MPa。得到应力分布和变形。
将单车轮和双车轮的路基加载情况进行对比，如表2。
车轮类型 最大变形 Von-Mises等效应力 Von-Mises等效应变
最小值 最大值 最小值 最大值
单车轮 2.854 0.512e-3 1.64 0.553e-7 0.001317
双车轮 2.669 0.136e-3 1.747 0.453e-7 0.0013
表2
2）设路面所加荷载载分别为0.55MPa、0.7MPa、0.85MPa、0.95MPa时，将得到的最大变形和应力、应变分布进行对比，如表3。
施加荷载 最大变形 Von-Mises等效应力 Von-Mises等效应变
最小值 最大值 最小值 最大值
0.55 2.854 0.512e-3 1.64 0.553e-7 0.001317
0.7 3.631 0.194e-3 2.088 0.703e-7 0.00167
0.85 4.411 0.236e-3 2.536 0.854e-7 0.002035
0.95 4.93 0.263e-3 2.834 0.955e-7 0.00227
表3
4结论
由表2的数据，当所加荷载恒定为0.55MPa时，单车轮下路面最大变形为2.854mm，双车轮下路面最大变形为2.669mm，可见适当增加轮胎个数可以减小路面的变形，从而保护高速公路。
由表3的数据可见，当所加荷载分别为0.55MPa、0.7MPa、0.85MPa、0.95MPa时，路面的变形分别为2.854mm，3.631mm，4.411mm，4.93mm，可见荷载的变化对公路的变形影响很大，当所加荷载超过路面的设计值，路面发生塑性变形就会大大降低公路的使用寿命。
由此，我们可以知道，对路面变形大小影响最大的因素为所施加的荷载。超载作为沥青路面早期破坏的一个重要原因，应该加大防范干预的强度。同时，为了延长公路的使用寿命，建议载荷较大的货车增加轮胎个数，实现应力分散。
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