路面瀝青加鋪層層底荷載應(yīng)力三維有限元分析

郝金東，張萬(wàn)輝，楊素超

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

目前，國(guó)內(nèi)早期建成的水泥混凝土路面已出現(xiàn)了不同程度的破壞，逐漸不能滿足交通運(yùn)輸服務(wù)的需求.因此，需要對(duì)水泥混凝土路面進(jìn)行大修改造.最常見(jiàn)的改建方法是在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混合料罩面層，其突出的優(yōu)點(diǎn)在于其下層有高強(qiáng)度的水泥混凝土路面板作為基層，可以承受較大的汽車荷載，上層的瀝青加鋪層又能顯著地改善路面使用性能，降低噪聲和揚(yáng)塵，提高行車的舒適性和安全性[1]，而且造價(jià)低廉、工期短、對(duì)交通和環(huán)境的影響較小.但是，舊水泥混凝土路面上存在著接縫和裂縫，在荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的重復(fù)作用下，瀝青加鋪層在對(duì)應(yīng)于舊路面板接縫、裂縫的位置上極易出現(xiàn)新的裂縫，這種裂縫常稱之為反射裂縫.由于反射裂縫的存在，不僅破壞了路面的整體強(qiáng)度，而且一旦地表水沿著反射裂縫向下滲透,容易導(dǎo)致面層逐漸失粘脫落，路基強(qiáng)度降低，大大縮短了瀝青罩面層的使用壽命.因此，反射裂縫問(wèn)題是舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層所面臨的一大難題.當(dāng)車輛接近并駛過(guò)裂縫時(shí)，在裂縫附近產(chǎn)生了拉—剪切—拉的作用，當(dāng)拉應(yīng)力或剪應(yīng)力超過(guò)瀝青混合料的強(qiáng)度極限時(shí)便產(chǎn)生張開(kāi)型和剪切型裂縫并擴(kuò)展，這種由交通荷載引起的裂縫我們稱之為荷載型反射裂縫.本文針對(duì)引起荷載型裂縫荷載應(yīng)力的幾個(gè)影響因素進(jìn)行研究.

1 建立有限元模型

研究對(duì)象由瀝青加鋪層、帶有裂縫或接縫的水泥混凝土路面和基礎(chǔ)組成，建立空間三維模型.為了便于理論分析，采用如下假設(shè)[2]：各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；各層層間豎向、水平位移均連續(xù)；基礎(chǔ)底面各向位移為0，基礎(chǔ)側(cè)面水平方向位移為0；不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響；地基為彈性半空間地基；接縫寬度假設(shè)為0.5 cm且接縫處無(wú)傳荷能力.為了反映半無(wú)限大空間基礎(chǔ)的特性，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大尺寸來(lái)模擬，瀝青加鋪層、水泥混凝土路面和基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID45[3]進(jìn)行應(yīng)力分析,路面結(jié)構(gòu)各層材料的厚度、彈性模量、泊松比如表1所示.

表1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of pavement’s structure

2 計(jì)算參數(shù)

擬定計(jì)算參數(shù)：水泥混凝土路面板長(zhǎng)L=5 m，寬度B=3.5 m，厚度h=24 cm.取基礎(chǔ)不同尺寸計(jì)算誤差分析，綜合考慮實(shí)際，基礎(chǔ)尺寸擬定為 12 m×5.5 m×8 m,行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa，單個(gè)輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，接觸面積為357.21 cm2，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為182 cm.經(jīng)過(guò)不同荷位計(jì)算分析比較，車輪荷載作用在接縫一側(cè)中部的偏荷載對(duì)加鋪層最為不利，也就是非對(duì)稱荷載作用[2]，布載方式如圖1所示.路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型如圖2所示.

圖1 最不利荷載位置示意圖Fig.1 Traffic loads at most disadvantaged positons

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of pavement’s structure

3 瀝青加鋪層的厚度對(duì)層底荷載應(yīng)力的影響

增加瀝青加鋪層的厚度，一方面可以降低加鋪層層底的拉應(yīng)力，另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低裂縫處的彎沉量和彎沉差，減小加鋪層的剪切應(yīng)力，而且裂縫擴(kuò)展到路表的時(shí)間也就越長(zhǎng)，防止或延緩反射裂縫的效果越好[4].但加鋪層的厚度也不能無(wú)限度地增加，一是經(jīng)濟(jì)上是不可行的，二是加鋪層過(guò)厚也易產(chǎn)生車轍，影響路面的使用性能.由于在非對(duì)稱荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)主要發(fā)生剪切型反射裂縫，所以只對(duì)瀝青加鋪層層底產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力τmax和有效應(yīng)力σe與瀝青加鋪層厚度的關(guān)系進(jìn)行分析,分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 瀝青加鋪層厚度的變化對(duì)接縫處荷載應(yīng)力的影響比較Fig.3 Joint’s stress comparing with the thickness changing of asphalt overlays

由圖3可知，在最不利荷載位置的非對(duì)稱荷載作用下，水泥混凝土接縫處或裂縫處的瀝青加鋪層層底最大剪應(yīng)力、等效應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加而減小，在6 cm到10 cm左右時(shí)應(yīng)力下降的幅度較大，再隨著加鋪層的增加應(yīng)力下降的幅度緩慢.由此可見(jiàn)，在交通荷載作用下，增加瀝青加鋪層的度，有利于降低加鋪層層底的剪應(yīng)力集中，對(duì)延緩剪切型反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的速度是很有效的.

4 軸載重量對(duì)加鋪層層底荷載應(yīng)力的影響

目前，許多公路超載、重載現(xiàn)象十分嚴(yán)重，使路面結(jié)構(gòu)遭到了加速破壞，所以有必要對(duì)瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析.

圖4 軸載重量變化對(duì)接縫處荷載應(yīng)力的影響比較Fig.4 Joint’s stress comparing with the loads changing

從圖4中可以看出，隨著車輛軸載的增加，水泥混凝土接縫處或裂縫處的瀝青加鋪層層底最大剪應(yīng)力、等效應(yīng)力都逐漸增加，與軸載基本成線性增加，說(shuō)明軸載壓強(qiáng)對(duì)路面的影響顯著，所以要嚴(yán)格限制超載車輛的運(yùn)營(yíng).

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層在交通荷載作用下的三維有限元分析，可得到以下結(jié)論：

(1)在交通荷載作用下，隨著瀝青加鋪層厚度的增加，瀝青層底的應(yīng)力減小.所以，增加瀝青加鋪層的厚度，降低裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，可以抑制反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展.加鋪層厚度在6～10 cm時(shí)，應(yīng)力下降幅度最為顯著，再隨著加鋪層的增加應(yīng)力下降的幅度緩慢，所以建議瀝青加鋪層的厚度在大約10 cm為宜.

(2)在施加靜載的條件下，隨著車輛軸載的增加，瀝青層底的應(yīng)力逐漸增大，與軸載基本呈線性關(guān)系，軸載壓強(qiáng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響顯著.因此，嚴(yán)格限制超載超限車輛運(yùn)營(yíng)具有十分重大的意義.在設(shè)計(jì)水泥混凝土路面瀝青加鋪層時(shí)，應(yīng)對(duì)重載的不利影響充分考慮.

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳 林,劉福軍.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫處治方案的探討[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2007，(10):1-2.

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[3] 張 研.瀝青混凝土路面病害與加鋪層的力學(xué)分析[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.7-10.

[4] 周 孔.水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的機(jī)理分析和防治措施[J].華東公路，2009，(2):1-3.