設(shè)置抗裂結(jié)構(gòu)層的舊水泥混凝土路面加鋪結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

劉國(guó)霞

（河北省寬城滿族自治縣交通運(yùn)輸局）

由于瀝青加鋪結(jié)構(gòu)中張開(kāi)型反射裂縫的普遍性與嚴(yán)重性,為了系統(tǒng)分析各種瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理,尋找合理的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)類型,本文結(jié)合前人研究成果總結(jié)出防裂效果顯著的幾種加鋪結(jié)構(gòu),為了進(jìn)一步研究舊水泥混凝土接縫處瀝青加鋪層應(yīng)力集中現(xiàn)象采用有限元分析軟件對(duì)各種加鋪結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行了分析,分別討論了溫度應(yīng)力的影響,為各種加鋪結(jié)構(gòu)的推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 典型瀝青加鋪結(jié)構(gòu)類型

1.1 應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)

應(yīng)力吸收層瀝青混合料是由大量的細(xì)集料、填料和特殊高彈性聚合物改性瀝青結(jié)合料組成,其公稱最大粒徑為4.75mm,礦料級(jí)配0～2.36mm的集料占70％以上,特種改性瀝青用量在8％～10％之間。由于其瀝青含量高、混合料中細(xì)礦料比重大,所以具有高彈性、不透水及柔韌性能好等優(yōu)點(diǎn),其承受的疲勞循環(huán)次數(shù)遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料,因此,其具有更優(yōu)良的抗裂性能。

1.2 大粒徑瀝青碎石加鋪結(jié)構(gòu)

大粒徑瀝青碎石是一種以粗集料的骨架結(jié)構(gòu)為典型特征的瀝青混合料,具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性,由于其在作為基層使用時(shí)所用的集料粒徑通常較大,故稱之為大粒徑瀝青混合料LSAM（Large Stone Asphalt Mixes）。國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青碎石基層的研究表明,鋪設(shè)大粒徑瀝青碎石是較為有效的防治反射裂縫的方法之一。在舊路（半剛性基層瀝青路面或水泥混凝土路面）改造中普遍采用“大粒徑瀝青混合料”補(bǔ)強(qiáng)技術(shù),將大空隙瀝青碎石混合料直接鋪筑在舊路路面上,既可以作為補(bǔ)強(qiáng)層,也可以作為應(yīng)力擴(kuò)散層防止反射裂縫,還可以作為新路面的排水層；在貧混凝土基層上鋪筑大空隙瀝青碎石混合料,可有效防止或延緩瀝青面層反射裂縫。

1.3 土工織物瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)

土工合成材料（有紡布、無(wú)紡布、土工格柵、玻璃纖維網(wǎng)格等）,由于其優(yōu)良的抗拉力學(xué)特性、批量生產(chǎn)、穩(wěn)定的質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易的施工特點(diǎn),己被廣泛應(yīng)用于土木工程的各個(gè)領(lǐng)域。在瀝青加鋪層底部鋪設(shè)土工織物形成加筋罩面層,可以延緩反射裂縫。我國(guó)道路中目前用的較多的是玻璃纖維網(wǎng)格。玻纖網(wǎng)格具有較高的拉伸強(qiáng)度和較低的延伸率,耐高溫性能極其優(yōu)越。為了很好地與瀝青混凝土相容,表面還附著一層瀝青質(zhì)涂料。

2 瀝青加鋪結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

采用三維模型計(jì)算溫度應(yīng)力,與實(shí)際情況比較接近。溫度應(yīng)力的計(jì)算模型如圖1所示。層間接觸情況按最不利情況考慮,即假設(shè)各層層間豎向、水平位移完全連續(xù)。計(jì)算點(diǎn)位如圖2所示。力學(xué)分析采用的計(jì)算參數(shù)為：舊水泥混凝土路面板長(zhǎng)5m,板寬4.5m,厚度22 cm,接縫寬度1 cm。經(jīng)過(guò)收斂性分析后確定擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為12.01m×6.5m×9m。各結(jié)構(gòu)層的參數(shù)見(jiàn)表1。根據(jù)楊斌等人的研究,在分析加鋪層溫度應(yīng)力時(shí),如果路面溫度升高,接縫處加鋪層底面受壓,這種情況下加鋪層底部不易產(chǎn)生反射裂縫,所以本文在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)只考慮降溫情況,取△T=-10℃。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型（單位：cm）

圖2 計(jì)算點(diǎn)位示意圖

2.1 應(yīng)力吸收層瀝青加鋪結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

本節(jié)在對(duì)比分析過(guò)程中取應(yīng)力吸收層厚度為2.5 cm,瀝青加鋪層模量為1 400MPa,其他參數(shù)不變。分別計(jì)算直接加鋪結(jié)構(gòu)和設(shè)置應(yīng)力吸收層的加鋪結(jié)構(gòu)兩種模型,隨著瀝青層厚度的增大,加鋪結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力變化如表2所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表2 瀝青層層底及應(yīng)力吸收層層底溫度應(yīng)力變化表（A點(diǎn)和B點(diǎn),MPa）

從表2可以看出,隨著瀝青加鋪層厚度的增加,不管是直接加鋪結(jié)構(gòu)還是設(shè)置應(yīng)力吸收層的加鋪結(jié)構(gòu),其內(nèi)部的溫度應(yīng)力都逐漸減小。對(duì)于直接加鋪結(jié)構(gòu),當(dāng)瀝青加鋪層的厚度從6 cm增加到16 cm時(shí),瀝青層層底的溫度應(yīng)力、和分別從4.943、4.231和2.457減小到1.747、1.270和0.863,減小了64.7％、69.9％和64.9％。對(duì)于設(shè)置應(yīng)力吸收層的加鋪結(jié)構(gòu),當(dāng)瀝青加鋪層的厚度從6 cm增加到16 cm時(shí),瀝青層層底的溫度應(yīng)力、和分別從0.762、0.716和0.413減小到0.231、0.227和0.142,減小了69.7％、68.3％和65.6％。說(shuō)明不管是對(duì)于直接加鋪結(jié)構(gòu)還是設(shè)置應(yīng)力吸收層的加鋪結(jié)構(gòu),增加瀝青層的厚度對(duì)于減小瀝青層底的溫度應(yīng)力是有利的。

2.2 大粒徑瀝青碎石瀝青加鋪結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

為比較不同類型裂縫緩解層在溫度應(yīng)力作用下的受力狀況,采用同等厚度的普通瀝青混凝土來(lái)代替大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層,分別對(duì)兩種加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)對(duì)比分析。計(jì)算參數(shù)：瀝青加鋪層的厚度從6 cm增大到16 cm；大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層模量600MPa,厚度10 cm。對(duì)比結(jié)構(gòu)的普通瀝青混凝土裂縫緩解層模量1 200 MPa,厚度10cm,其它參數(shù)不變。溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 溫度應(yīng)力作用下不同類型裂縫緩解層應(yīng)力變化表（A點(diǎn),MPa）

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,當(dāng)采用大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層后,在溫度應(yīng)力作用下,其層底的應(yīng)力均比采用同等厚度的普通瀝青混凝土裂縫緩解層要小。當(dāng)瀝青加鋪層厚度為8 cm時(shí),大粒徑瀝青碎石層底的 σ1、σe和 τmax要比普通瀝青混凝土緩解層層底的各種應(yīng)力分別減小12.7％、18.1％和12.5％。說(shuō)明采用大粒徑瀝青碎石緩解層后對(duì)溫度應(yīng)力有大幅度降低,可有效減少反射裂縫的產(chǎn)生。

2.3 土工織物瀝青加鋪結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

為比較設(shè)置土工合成材料對(duì)加鋪層溫度應(yīng)力的改善效果,對(duì)設(shè)置夾層的加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力分析。計(jì)算時(shí)土工織物夾層厚度取0.3 cm,拉伸模量從10 MPa變化到5 000MPa。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 加鋪層溫度應(yīng)力隨夾層拉伸模量的變化表（B點(diǎn),MPa）

計(jì)算結(jié)果表明,土工夾層的加入對(duì)減小瀝青層層底的溫度應(yīng)力效果很明顯。當(dāng)土工夾層的拉伸模量從10MPa變化到5 000 MPa時(shí),瀝青層層底的和分別從3.882 MPa、3.331MPa和1.656 MPa減小到1.594MPa、1.358 MPa和0.759MPa,減小了58.9％、59.2％和54.2％。所以隨著土工夾層拉伸模量的增高,瀝青層層底溫度應(yīng)力減小的幅度越大,采用高模量的土工夾層能有效減少瀝青加鋪層的開(kāi)裂。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在降溫情況下,文中提出的三種舊水泥混凝土路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)與直接加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)相比,溫度應(yīng)力要減小很多,可大大減少?gòu)堥_(kāi)型反射裂縫的產(chǎn)生。

（2）通過(guò)對(duì)車輛荷載作用下各種瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的有限元分析得知,接縫處瀝青加鋪層最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力基本上隨加鋪層厚度的增加呈減小的趨勢(shì),加鋪層厚度越大溫度應(yīng)力越小。對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn),設(shè)置應(yīng)力吸收層和大粒徑瀝青碎石抗裂結(jié)構(gòu)層以后,接縫處最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力都有較大程度的減小。土工織物夾層的抗裂效果與夾層材料的模量有較大關(guān)系,當(dāng)模量越大時(shí)對(duì)溫度應(yīng)力的減小程度越大。

[1]楊斌.舊水泥路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)研究[D].長(zhǎng)安大學(xué)博士論文,2005.

[2]孫業(yè)香.舊水泥混凝土路面綜合處治與瀝青加鋪層設(shè)計(jì)研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[3]李祖仲,陳拴發(fā),華敏.Sampave層厚度對(duì)瀝青結(jié)構(gòu)層內(nèi)力影響分析[D].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2007,28（4）.

[4]李淑明.舊PCC路面上AC加鋪層設(shè)計(jì)方法的研究[D].同濟(jì)大學(xué)博士論文,2002.

[5]李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[D].中國(guó)水利水電出版社,2007.