新老路面結(jié)構(gòu)拼接部位的受力狀態(tài)分析

馬曉暉,李立寒

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

為了滿足急劇增長(zhǎng)的交通需求,近年來(lái)我國(guó)已對(duì)多條高速公路進(jìn)行了擴(kuò)建。研究人員雖然對(duì)高速公路拼接段的沉降變形規(guī)律及處治措施進(jìn)行了相應(yīng)分析,但是對(duì)高速公路拓寬工程中新老面層模量差異對(duì)新老路面拼接結(jié)構(gòu)的受力影響分析較少。

我國(guó)高速公路的加寬擴(kuò)建開始于本世紀(jì)初。目前關(guān)于高速公路的加寬技術(shù)研究也主要集中在新老路基的不協(xié)調(diào)變形及控制技術(shù)。在新老路面的拼接研究方面,主要是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的一些設(shè)計(jì)原則和施工技術(shù)。理論分析則主要體現(xiàn)在利用平面應(yīng)變有限元法對(duì)新路基固結(jié)沉降在路面結(jié)構(gòu)中引起的附加應(yīng)力進(jìn)行分析,而只有極少數(shù)研究對(duì)新老路面拼接的內(nèi)容有所涉及[1-3]。

因此本文研究主要通過模擬分析手段,結(jié)合實(shí)際工程,利用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS建立典型拼接路面結(jié)構(gòu)的三維模型。由于拼接部位在豎直車輪荷載下主要承受集中的剪切力作用,因此對(duì)路面拼接結(jié)構(gòu)拼接處的面層內(nèi)剪應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,分析新老路面結(jié)構(gòu)層模量差異對(duì)路面拼接結(jié)構(gòu)的受力影響。通過合理的建模、單元選用及拼接部位特殊性質(zhì)的模擬處理,可以得到與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)最接近的分析結(jié)果,解決室內(nèi)試驗(yàn)由于條件局限無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問題,為試驗(yàn)研究提供解決方案及綜合驗(yàn)證,從而為道路拓寬中新老路面結(jié)構(gòu)拼接的設(shè)計(jì)及施工提供理論參考。

圖1 幾何模型及坐標(biāo)系

1 計(jì)算模型和參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)分析模型的建立

所取拼接結(jié)構(gòu)為:統(tǒng)一罩面層10 cm,下部新老路面結(jié)構(gòu)均為10 cm面層,40 cm基層,15 cm墊層。幾何模型如圖1所示。

在圖1中左半幅為老路結(jié)構(gòu),右半幅為新路結(jié)構(gòu),新老路銜接的豎直平面即為拼接面。計(jì)算坐標(biāo)系的規(guī)定如下:坐標(biāo)原點(diǎn)位于路表拼接線上,X坐標(biāo)軸為道路橫向方向,垂直于新老拼接面;Z坐標(biāo)軸為道路縱向方向;Y坐標(biāo)軸為道路深度方向,垂直于路面,正向向上。

1.2 有限元模型及邊界條件

荷載按標(biāo)準(zhǔn)雙圓荷載規(guī)定為:半徑δ=0.106 5 m,雙圓中心間距d=3×δ,接觸壓力P=0.7 MPa。在有限元模型中為了便于變化荷載位置及在有限元程序中施加荷載步,對(duì)雙圓荷載進(jìn)行簡(jiǎn)化,根據(jù)作用面積等效原則將雙圓荷載簡(jiǎn)化為1組16 cm×22.28 cm的矩形,雙輪間距保持不變。計(jì)算時(shí)考慮最不利荷載位置[4],即荷載在老路一側(cè)且輪跡邊緣位于拼接線上時(shí)的偏載情況,如圖2中的1對(duì)矩形格柵區(qū)域。

模型采用彈性層狀體系理論建模,層與層之間應(yīng)力、位移連續(xù)。模型尺寸按道路橫向、縱向及地基厚度變化取各項(xiàng)指標(biāo)收斂時(shí)的尺寸,面層各層厚度按實(shí)際道路結(jié)構(gòu)。模型約束條件為側(cè)向左、右、前、后四面法向約束,底面全約束。在有限元模型中路面各結(jié)構(gòu)層采用solid45空間8節(jié)點(diǎn)等參單元模擬,地基以表面單元施加彈性地基模量代替。

在計(jì)算中,關(guān)于拼接面的處理,假定了連續(xù)和光滑兩種情況。連續(xù)指新老路面的粘接效果處于理想狀態(tài),能連續(xù)傳遞應(yīng)力,即在拼接面的接觸單元上存在法向和切向剛度;光滑指新老路面沒有任何粘接作用,只能傳遞壓應(yīng)力,即在拼接面的接觸單元上只有法向剛度,無(wú)切向剛度。

圖2 計(jì)算點(diǎn)位置

1.3 計(jì)算參數(shù)

假定材料為線彈性,參考規(guī)范[5]的相關(guān)規(guī)定,取20℃抗壓模量值,老路結(jié)構(gòu)層模量按對(duì)應(yīng)新材料的模量折減,本文計(jì)算按75%折算。另外瀝青混凝土面層直接受車輪荷載作用,且瀝青混合料是一種粘彈性材料,模量差異大,因此在進(jìn)行相關(guān)計(jì)算時(shí),考慮了兩個(gè)水平的面層模量。

本文計(jì)算所取的典型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)見表1。其中模量組合2面層模量相對(duì)模量組合1較大[6]。由于基層及以下結(jié)構(gòu)不直接受車輪作用,故在計(jì)算中仍以抗壓模量為依據(jù)。由于老地基經(jīng)過長(zhǎng)期的固結(jié)作用已趨于穩(wěn)定,且主要是比較“差異”,因此變化新地基模量,使之與老地基模量相當(dāng)、大于或小于。

表1 各結(jié)構(gòu)層材料計(jì)算參數(shù)

由于同時(shí)考慮了基層拼接面連續(xù)和基層拼接面不連續(xù)兩種情況,為了便于統(tǒng)一比較,主要關(guān)心拼接結(jié)構(gòu)面層的受力,而面層主要受剪應(yīng)力作用,所以選取豎直平面內(nèi)的面層剪應(yīng)力及路表變形作為計(jì)算參數(shù)。計(jì)算點(diǎn)位置如圖2。

計(jì)算不同荷載下拼接面1-1上瀝青層上部靠近路表處A點(diǎn)及瀝青層底B點(diǎn)的剪應(yīng)力變化情況。A點(diǎn)為最大剪應(yīng)力發(fā)生的位置,深度隨路面結(jié)構(gòu)不同有所變化。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 墊層和地基模量差異的影響分析

在不同的墊層和地基模量下,瀝青層上部A點(diǎn)及瀝青層底B點(diǎn)的剪應(yīng)力分布見表2。

表2中,墊層模量變化時(shí),拼接面上的剪應(yīng)力變化極為微小,故本文主要討論面層和基層模量差異對(duì)路面拼接結(jié)構(gòu)的受力影響。

表2 墊層和地基模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)的受力影響 MPa

2.2 模量差異對(duì)拼接結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響分析

當(dāng)基層、墊層、地基取相同參數(shù)而將模量組合1老路面層模量在600 MPa(新老模量相差50%)至1 200 MPa(新老模量相當(dāng))之間變化,將模量組合2老面層模量在2 000 MPa(新老模量相差50%)至4 000 MPa(新老模量相當(dāng))之間變化,考察拼接面上瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力。

以各結(jié)構(gòu)層模量變化(新老模量差異)的百分比為橫坐標(biāo),分別以面層最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力比為縱坐標(biāo),對(duì)比各因素對(duì)拼接結(jié)構(gòu)受力影響的大小,如圖3及圖4。

2.2.1 拼接界面連續(xù)條件分析

圖3 基層拼接面連續(xù)時(shí)模量差異對(duì)路面結(jié)構(gòu)層受力影響

由圖3可見

1)當(dāng)拼接界面新老基層連續(xù)時(shí),兩種模量組合拼接結(jié)構(gòu)的受力影響規(guī)律較為接近。

2)在絕對(duì)數(shù)值上,模量組合2(面層模量較大)的最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力都較模量組合1(面層模量較小)大。

3)對(duì)于每一種模量組合

(1)當(dāng)在拼接界面新老基層連續(xù)時(shí),新老面層模量差異對(duì)拼接面上瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力有較大影響,而對(duì)拼接面上瀝青層底的剪應(yīng)力影響較小。當(dāng)老路面層模量降為新面層模量的50%時(shí),最大剪應(yīng)力由0.192 9/0.199 3MPa(模量組合1/模量組合2,下同)變?yōu)?.218 6/0.232 9 MPa,增加接近20%;而層底剪應(yīng)力由0.086 3/0.093 3 MPa變?yōu)?.078 5/0.080 1MPa,減小約10%。

(2)新老基層模量差異對(duì)拼接面上瀝青層內(nèi)的最大剪應(yīng)力并無(wú)顯著影響,卻對(duì)拼接面上瀝青層底的剪應(yīng)力有較大影響,當(dāng)老路基層模量降為新基層模量的50%時(shí),拼接面上瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力由0.196 7/0.205 5MPa變?yōu)?.202 8/0.222 9MPa,增加不足10%,層底剪應(yīng)力由0.0759/0.076 9MPa變?yōu)?.086 9/0.093 9 MPa,增加了約20%。

2.2.2 拼接界面光滑條件分析

由圖4可見,基層拼接面不連續(xù)時(shí)與基層拼接面連續(xù)時(shí)拼接結(jié)構(gòu)的受力影響因素有相同之處,也有不同之處。

圖4 基層拼接面不連續(xù)時(shí)模量差異對(duì)路面結(jié)構(gòu)層受力影響

相同點(diǎn)

(1)新老面層模量差異對(duì)最大剪應(yīng)力的影響最大。

(2)新老基層模量差異對(duì)瀝青面層底部的剪應(yīng)力影響最大。

(3)在不同模量組合下,新老面層和基層模量差異對(duì)最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律是接近的。

(4)在基層連續(xù)或不連續(xù)的情況下,新老墊層和新老地基模量差異對(duì)于拼接結(jié)構(gòu)的(受力影響都很小。

(5)當(dāng)新老路面面層及基層模量差異大于40%后,拼接面上瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

不同點(diǎn)

(1)當(dāng)基層拼接面不連續(xù)時(shí),面層最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力都增大,層底剪應(yīng)力更加顯著。當(dāng)新老面層模量相同時(shí),模量組合1和模量組合2的最大剪應(yīng)力由0.192 9/0.199 3MPa變?yōu)?.1952/0.210 3 MPa,分別增加了1.2%和5.5%;而層底剪應(yīng)力則由0.086 3/0.093 3 MPa變?yōu)?.129 5/0.136 6 MPa,增加了50%和46%。

(2)在路面結(jié)構(gòu)組合中面層模量越大,則面層中的剪應(yīng)力也相應(yīng)越大,且新老基層拼接面不連續(xù)時(shí)這種差異更加明顯。當(dāng)基層拼接面連續(xù)時(shí),模量組合2的最大剪應(yīng)力比模量組合1的最大剪應(yīng)力大4%左右,而層底剪應(yīng)力比模量組合1的約大0.7%。當(dāng)基層拼接面不連續(xù)時(shí),模量組合2的最大剪應(yīng)力與層底剪應(yīng)力,分別比模量組合1的大約8%和6%。

(3)當(dāng)基層拼接面不連續(xù)時(shí),兩種模量組合下層底剪應(yīng)力的變化規(guī)律相差較大。當(dāng)老路基層模量降為新基層模量的50%時(shí),模量組合1的層底剪應(yīng)力由0.118 6 MPa變?yōu)?.136 0 MPa,增加了約16.6%;而模量組合2的層底剪應(yīng)力由0.131 2MPa變?yōu)?.138 6MPa,只增加了約6.7%。

3 結(jié)論

通過分析典型拼接結(jié)構(gòu)在不同結(jié)構(gòu)層模量差異下,拼接面上最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力的變化情況,相關(guān)結(jié)論如下。

(1)當(dāng)基層拼接面連續(xù)及不連續(xù)時(shí),新老面層模量差異越大,拼接面上面層的最大剪應(yīng)力越大,層底剪應(yīng)力越小,最大剪應(yīng)力的變化更加顯著。

(2)當(dāng)基層拼接面不連續(xù)時(shí),面層最大剪應(yīng)力和層底剪應(yīng)力都增大,層底剪應(yīng)力則更加顯著。因此在實(shí)際工程中應(yīng)保證新老路面拼接面有一定的連續(xù)性。

(3)在路面結(jié)構(gòu)組合中面層模量越大,則面層中的剪應(yīng)力也相應(yīng)越大,且在新老基層拼接面不連續(xù)時(shí)這種差異更加明顯。因此在進(jìn)行路面拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可適當(dāng)采用較小剛度的面層材料。

(4)新老面層與新老基層模量差異對(duì)拼接結(jié)構(gòu)受力影響顯著,當(dāng)保留老面層和老基層時(shí)應(yīng)確保其具有足夠的剩余強(qiáng)度(模量),建議模量差異不大于40%。

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