摘要瀝青混凝土道路由于其艱難的使用條件，在使用年限內經受各種復雜的外部載荷，研究其服役過程中的力學性能對道路至關重要。從橫斷面看，道路是由各種不同的層組合而成，本文利用有限元軟件MARC以此建立有限元模型進行分析。結果表明各層厚度和材料參數對道路的力學性能有相當大的影響，以此可以為道路設計和施工具有指導意義。
　　關鍵詞：瀝青道路；混凝土；分析
　　0引言
　　隨著社會發展，交通事業的發展，全國的道路日益增多，其中瀝青混凝土道路由于設計成熟，施工方便成為交通設施的主流。但由于瀝青混凝土道路是使用過程中，經受各種苛刻的自然條件和各種復雜的外部載荷，正逐步受到眾多學者的關注[1-3]。比如，高速鐵路對路基的穩定及變形控制提出了很高的要求,尤其對路堤工后沉降的控制,國外有極嚴格的標準。我國《京滬高速鐵路線橋隧站設計暫行規定》提出了路堤工后沉降不大于10cm,沉降速率不大于3cm/年的標準。梅英寶等建立了循環荷載作用下軟粘土地基中孔壓發展的經驗模型,采用動態彈塑性有限元法分析了交通荷載作用下道路與軟土地基共同作用的變形特征;第二是交通荷載作用下半填半挖路基的不均勻沉降研究.鄧衛東等對交通荷載作用下的半填半挖路基進行彈塑性動力有限元分析,計算出填土路基與開挖路基的差異沉降針對瀝青混凝土道路，被研究最多的是地基沉降問題、應力分布問題。高速行駛的車輛產生的動力荷載是運動的,同時由于車輛自身的振動,使得車輛荷載大小發生變化,路基的受力性狀非常復雜.交通荷載的周期較長,頻率較低,產生應力波的波長較長,波傳播較遠,影響范圍較大,而很多學者只是研究了在靜荷載作用下的道路應力及變形.如Subei等[4]采用有限元和邊界元相結合的方法,分析了路面、路基和地基在靜荷載作用下的應力及變形。
　　另一方面，相對于實體實驗，即便是縮小比例尺的道路模型也是經濟花費較高的選擇，而且一個模型只能用于一個工況，在道路受多種復雜載荷作用下，實體實驗往往顯得代價昂貴。而數值方法不失為一種經濟的選擇，我們可以通過數值模擬尤其是有限元法，預先知道某些常規響應，以此對道路設計，施工和養護提供指導。本文利用有限元軟件MARC對上述兩問題進行研究，通過考慮道路中各層結構的幾何和物理兩方面，研究道路的交通載荷下的響應。
　　1數值模型
　　1.1道路結構
　　道路的面層，基層和地基各自分別包含許多層，總共可達20層以上。但是，在面層各子層中，由于其使用材料和施工工藝相近，總是被歸結為面層。這里，我們也忽略子層間的差異，作為單一材料考慮。所以，我們這里所模擬的道路結構如圖1。
　　
　　圖1道路結構示意圖
　　
　　圖1所示，道路被簡化4層。我們假設軟土地基是半無限體，所以被模擬的只有上面3層，即面層、基層和填土層。另外，由于在行車過程中，由于車產生的載荷總是對稱的，這里也被考慮一半。
　　1.2道路各層幾何和物理特性
　　為便于計算，我們總是假設各層是均勻的各向同性材料，且各層之間粘界完好無缺陷，即不產生相互活動和脫離。視混凝土面層、基層和底基層為線彈性材料,填土層為彈塑性材料。其材料參數見表1。路基土材料模型采用彈塑性模型
　　及相關的流動法則,并考慮了幾何非線性的影響.屈服準則采用Mohr-Coulomb屈服準則.實際上，我們這里考慮的單一載荷即時的應力分布和沉降情況，所以塑性在這里并沒有產生；考慮塑性作用應該是在疲勞分析中才用到。所以這里僅限于彈性分析。
　　
　　表1道路各層幾何和物理參數

　　1.3關于有限單元的說明
　　在此模擬過程中，車輛載荷被考慮成輪胎寬度的均布載荷，其等效寬度取為222mm[5]通過調整其值的大小反映各種復雜的外部載荷，這樣可以免去真實交通載荷的復雜性。另外，我們主要是考察道路在載荷作用的沉降和應力分布，把一個三維問題簡化為二維，即平面應力問題。是此數值模擬中，采用常規的四節點矩形單元。邊界條件如上面假設的那樣，路基被考慮成半無限體以后，可以認為是固定邊界。同時，所有的模擬均限定在靜力學范圍內。建立有限元模型以后，劃分的網格如圖2所示。
　　
　　圖2模型有限元網格劃分
　　2計算及結果討論
　　2.1道路沉降及應力分布
　　針對實際情況，雙車道路由于其對稱性取其1/2進行模擬；同時相對于其他載荷車載在這里被認為是主要因素，所以為一均勻載荷，其寬度為車輪寬度，通過調整其值大小反映實際的道路受載情形。由于在這里，我們重點分析的是多層道路在載荷作用下應力和位移響應，我們把載荷取為50MPa。這樣分析是必要的，只有得到多層道路在靜載荷下的基本性質，才能為進一步的如疲勞開裂及動力分析提供指導。
　　如圖3所示，y向的位移呈左右對稱分布，且中間的位移沉降最大，在左右兩邊較小。y向位移從面層到基層最后到填土層位移在減小，且其趨勢在變化（云圖中凹形反轉成凸形）；由于填土層的泊松比較大，在填土層造成較大的橫向變形，這就要求在道路設計和施工中，夯實填土層是非常必要的，避免造成基礎破壞從而引起道路的結構破壞。

　　圖3y向位移（道路沉降）
　　在道路的使用過程中，防護和維修是非常必要的。一方面道路在不斷受載，另一方面又在加以維護，這就要求我們時刻關注道路的即時狀況，而面層以下的基層和填土層是無法被直觀觀察到的，但是我們通過應力分析了解道路的受力情況，從而可以為道路養護提供依據。
　　圖4和圖5分別是道路在均勻載荷的x向和y向應力云圖。從圖4的x向應力云圖可以看出，即使把道路簡化為3層結構，其應力響應也極其復雜。大體上，圖形分為正應力和負應力區。面層是負應力區，在過度到基層時，應力也在逐漸變成正值，其變化的臨界位置在各層黏結界面上，基層是正應力區，然后過度到填土層的負應力區。我們知道填土層大都是天然土壤，空隙較大，而負（壓）應力可以促進土壤緊致，改善道路的穩定；但是在實際情況中，道路在反復作用下，由于空隙的收縮，將使土壤產生較大沉降，反而對道路不利。這就再次說明，作為道路的最底層，如何讓填土層夯實是相當重要的。其次，道路是多層復合結構，有的甚至達到20層以上，過多的層數使應力分布趨于緩和，避免單層集中受力，但多層必定造成多界面，界面由于在這里被考慮成完全黏結，即位移連續，但應力非連續，必定造成另一層次的應力不均勻現象，在實際存在橫向力情況下，便可能造成層間滑移。所以在道路設計時要綜合考慮，選擇合適的層數不僅是經濟的考慮更始安全的考慮。

　　圖4x向應力云圖

　　圖5y向應力云圖
　　相比于x向的應力分布，y向的應力云圖和y向位移是相對應的。像x向應力云圖一樣，也是主要分為正應力和負應力區。不同的是，y向正應力區分布在道路兩端部。上面已經分析過，正應力將帶來不利因素，由于其分布位置，邊坡和中間帶為克服此不利因素將取得決定性。同時我們可以看到，到道路建在堅硬基礎上（即基礎底部的位移可以忽略不計或者說其剛度很大）時，基礎將不會出現正應力，這就要求在道路選線時要充分考慮地形，盡量將道路建在堅硬基礎上。
　　2.2結論
　　本文建立了簡化的道路三層模型，即面層，基層和填土層，并分析了多層道路在均勻靜載荷下的應力及位移響應。得到關于道路設計，施工養護的建議：
　　1）道路應盡量建在堅硬基礎上，這樣可以避免道路兩端部的正應力，從而產生道路塌陷
　　2）邊坡和中間帶對抑制橫向位移和y向正應力是有益的
　　3）選擇合適的層數不僅的經濟的考慮，更是安全因素的考慮。合適的層數將對道路結構穩定性產生至關重要的影響
　　3參考文獻
　　[1]劉軍波，謝志勇.臺后路基填土對橋臺樁基礎影響的有限元分析[J].山西建筑,2009,35(12):340-341
　　[2]李西斌,賈獻林.交通荷載作用下軟土路基沉降有限元分析[J].福州大學學報，2008,36(4):604-609
　　[3]薛新華,張我華.考慮損傷的軟土路基變形分析[J].土木建筑和環境工程，2009，31(1):77-82
　　[4]黃仰賢.路面分析與設計[M].北京:人民交通出版社,2005.