2　模型的建立和参数选取

2.1　基本假设

为了使有限元模型数值分析既符合客观条件又便于研究分析，本文引入如下基本假设[6]：

（1）采用移动简谐荷载来模拟交通荷载，建立路堤三维实体模型对风积沙换填地基与风积沙低路堤进行动力分析。

（2）假设交通荷载作用下道路路面结构材料均匀、连续、各向同性，是线弹性的，路基土体受荷后发生的变形属于弹塑性小变形。

（3）假设道路路基、路面等结构层之间是连续变形的，各层不发生相对滑移，也不产生相对分离。

（4）假设在移动荷载作用过程中，道路路基路面的弹塑性参数不变。

2.2　分析方法

本文数值计算以沙漠地区穿沙公路风积沙低路基为研究对象，考虑车辆行驶中荷载作用时间非常短，激发了道路结构的动力响应，在分析中考虑结构动力惯性的关系，从瞬态动力学角度，使用动态分析方法[7]。鉴于道路结构路面材料刚度比较大，因此，在数值计算时，上部路面结构采用线弹性本构关系，弹性部分根据弹性模型定义参数，路基及以下部分均采用弹塑性本构关系，塑性部分采用库仑-摩尔塑性模型定义与计算。

2.3　荷载参数和接地面积

2.3.1　荷载参数

本文假设轮胎与路面接触面上压力呈均匀分布，暂不考虑水平荷载的影响。采用路面设计标准轴载BZZ-100，根据已有的相关研究成果，一般货车的后轴轴载大约是前轴轴载的2倍[8]，且前后轴距较大。所以，本文主要取后轴进行模拟计算，后轴内轮距为1.6m，根据接触面当量圆进行荷载换算后，荷载胎压为0.7MPa，荷载形式采用移动简谐荷载。

2.3.2　确定接地面积

对于双轮组车轴载，如果每一侧的双轮接地面积用一个当量圆来表示，则可称为单圆荷载，如果用两个当量圆表示，便是双圆荷载。其当量圆直径分别用d、D表示，可以按下列公式确定：

根据我国沥青路面设计规范中有关标准轴载的规定，轮载P=100/4kN，p=0.7MPa，所以，根据式（1）与式（2）可以分别计算出相应的当量圆直径：

本文所建的道路模型采用了正六面实体单元，需要将轮胎与路面的接触面等效转化为矩形。因此，可以将单圆荷载接触面简化为矩形面：

设荷载长度为0.24m，则等效矩形面宽度取0.3m。

同理，可以计算超载（20%、40%）下后轴轮胎的接地面积，见表1。

2.4　模型的建立及边界条件

2.4.1　分析模型

道路结构竖直方向上（Z方向）分3层：路面、路基和天然地基（含换填区），其中路面结构为0.24m，路基高度取为1.9m，地基厚度取5m，道路结构竖直方向厚度见表2。

道路结构在横向上是对称的，本文选取半幅道路作为研究对象，道路路基顶面横向宽度为8.5m，路基边坡坡度为1∶3，地基计算深度取5m，计算宽度至坡脚处为5m。在道路路线纵向（Y方向上）各结构层均取36m（6个波长，每个波长6m）。模型断面具体尺寸参数如图1和图2所示。

为了尽量消除边界长宽高与约束条件对传播中的应力波限制，减小边界尺寸对数值计算结果的影响，本模型中，移动荷载起始位置设置在距边界一定距离处，起终点荷载带范围是Y方向15～21m。图2是低路堤三维动力分析有限元模型示意图。

2.4.2　模型材料参数

模型中的路面材料参数取自文献[9、10]，根据现场探坑与室内试验结果，确定地基与风积沙路基主要参数，详细见表3。