復(fù)合板車轍試驗(yàn)分析研究

◎ 65056部隊(duì) 閆其來 王 李

選擇六種復(fù)合板進(jìn)行車轍試驗(yàn)，利用ANSYS有限元軟件計(jì)算實(shí)際路面以及復(fù)合車轍板不同深度瀝青層內(nèi)的壓力和剪應(yīng)力分布情況，系統(tǒng)地分析研究復(fù)合板車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗車轍性能的準(zhǔn)確性。

一、不同結(jié)構(gòu)復(fù)合板抗車轍性能試驗(yàn)研究

在某公路工程中，為了提高瀝青混凝土的抗車轍性能，利用復(fù)合板車轍試驗(yàn)確定瀝青混合料的級(jí)配和油石比，瀝青上面層選用了兩種瀝青混合料，分別是AC-13改性瀝青混合料和SMA-13改性瀝青混合料，下面層選用三種瀝青混合料，分別是AC-20改性瀝青混合料、AC-20基質(zhì)瀝青混合料、SMA-20改性瀝青混合料，按試驗(yàn)規(guī)程成型車轍板，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

表1 車轍試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果， 上面層中SMA-13改的動(dòng)穩(wěn)定度高于AC-13改，下面層中AC-20基的動(dòng)穩(wěn)遠(yuǎn)低于其它兩種混合料。

利用上表中的五種瀝青混合料，分兩次碾壓成型六種復(fù)合車轍板，其上、下層的搭配組合見表2：

表2 復(fù)合車轍板搭配組合

使用上表中的六種搭配組合，進(jìn)行復(fù)合板車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3：

表3 復(fù)合板車轍試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，六種搭配組合的復(fù)合車轍板動(dòng)穩(wěn)定度值處在2400～2800次/mm之間，差值基本處在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，不同搭配組合車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度與上層板存在一定的相關(guān)性，與下層板基本沒有相關(guān)性，說明上層板是復(fù)合板車轍試驗(yàn)中產(chǎn)生車轍的主要區(qū)域，下層板內(nèi)基本無車轍產(chǎn)生。

二、復(fù)合板車轍試驗(yàn)和實(shí)際路面瀝青層內(nèi)應(yīng)力計(jì)算分析

上述試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的試驗(yàn)結(jié)果不符，為了分析產(chǎn)生上述試驗(yàn)結(jié)果的原因，利用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)復(fù)合車轍板和實(shí)際路面瀝青層的應(yīng)力分布情況進(jìn)行力學(xué)計(jì)算和分析。

1、計(jì)算參數(shù)的選擇

瀝青混合料是典型的粘彈性材料，模量從常溫下的600～1000 下降到高溫時(shí)的不足200 ，模量的變化又會(huì)影響到各層應(yīng)力場(chǎng)的分布,所以應(yīng)力計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同的溫度選擇不同的計(jì)算模量?？紤]到超載的影響，本文計(jì)算中采用三種壓力分別為0.7 、0.9 和1.1 。

車轍試驗(yàn)的荷載應(yīng)力計(jì)算圖式見圖1：

圖1 車轍試驗(yàn)應(yīng)力計(jì)算荷載作用圖式

實(shí)際路面結(jié)構(gòu)組合按我國(guó)的典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行，荷載應(yīng)力計(jì)算圖式如圖2：

圖2 實(shí)際路面荷載應(yīng)力計(jì)算圖式

2、瀝青層內(nèi)壓應(yīng)力分布情況對(duì)比分析

根據(jù)ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果，不同荷載作用下車轍板和實(shí)際路面瀝青層不同深度的瀝青層內(nèi)壓應(yīng)力分布情況如圖3所示：

復(fù)合車轍板的上面層所承受的壓力最大，隨車轍板深度的增加壓力迅速減小，在三種不同荷載作用下，在瀝青層深度達(dá)到4cm后，下層板所受的壓力均不超過0.4 ，在下層板具有一定的承壓能力后，基本上無車轍產(chǎn)生，說明復(fù)合板的壓實(shí)型車轍主要產(chǎn)生在上面層，下面層產(chǎn)生壓實(shí)型車轍的可能性很小。

實(shí)際路面的上面層所承受的壓力最大，隨著瀝青層深度的增加，壓應(yīng)力下降速度較慢，在瀝青面層以下4～18cm深處，仍然承受著1.0～0.5 的壓力，尤其是在高溫條件下，瀝青混合料的模量在200 以下，在較大的荷載作用下，實(shí)際瀝青路面的4～18cm深處仍能產(chǎn)生較大的壓實(shí)型車轍。

3、瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力分布情況對(duì)比分析

不同荷載、不同深度，車轍板和實(shí)際瀝青路面的剪應(yīng)力分布情況如圖4所示：

車轍板瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力隨深度的增加而增加的速率很大，在距板上表面1cm處出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，最大剪應(yīng)力可達(dá)0.25 以上，隨板內(nèi)深度增加，剪應(yīng)力減小速度非?？欤诎鍍?nèi)4cm深處，最大剪應(yīng)力不超過0.05 ，所以上面層是復(fù)合板車轍試驗(yàn)中產(chǎn)生車轍的主要區(qū)域，下層板所承受的剪應(yīng)力很小，不容易產(chǎn)生車轍。

實(shí)際路面瀝青層內(nèi)剪應(yīng)力與車轍板內(nèi)剪應(yīng)力的變化規(guī)律相同，隨深度的增加迅速增大，在達(dá)到一定深度后，隨瀝青層深度增加，剪應(yīng)力減小，但其不同之處在于最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在距路表4～5cm處，正好處在上、下面層的交界處，最大剪應(yīng)力可達(dá)0.1 ，然后剪應(yīng)力隨瀝青層深度的增加而減小，但減小的速度緩慢，在瀝青層深度為10cm處，仍承受著約0.5 的剪應(yīng)力，所以實(shí)際路面的中、下面層很容易產(chǎn)生車轍。

總之，復(fù)合板車轍試驗(yàn)中，上面層所承受著較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，下面層所受的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力很小，在下層瀝青混合料具備一定的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度之后，對(duì)車轍試驗(yàn)結(jié)果的影響不大，車轍主要產(chǎn)生在上面層；實(shí)際瀝青路面的中、下面層內(nèi)仍承受著較大壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，又由于中、下面層瀝青混合料的抗車轍性能有限，是產(chǎn)生車轍的主要區(qū)域。

三、結(jié)論

ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果和復(fù)合板車轍試驗(yàn)均表明：

1）復(fù)合板車轍試驗(yàn)時(shí)，上面層承受著較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，下層板處所承受的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力均很小，車轍主要產(chǎn)生在上面層內(nèi)，下面層基本無車轍產(chǎn)生；而實(shí)際路面中，上面層和下面層均承受著較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，所以上面層和下面層均有車轍產(chǎn)生。

2）車轍試驗(yàn)和實(shí)際路面中，瀝青層內(nèi)不同深度壓應(yīng)力和剪應(yīng)力相差較大，沒有客觀反映實(shí)際路面瀝青混合料的高溫抗車轍性能，使用其評(píng)價(jià)實(shí)際瀝青路面的抗車轍性能存在一定的局限性。

3）根據(jù)ANSYS有限元軟件計(jì)算結(jié)果，實(shí)際瀝青路面最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在瀝青層深度4～5cm處，高溫季節(jié)，瀝青路面深度10cm處，仍承受著高達(dá)0.5 以上的壓應(yīng)力和0.1以上的的剪應(yīng)力，很容易產(chǎn)生車轍，所以在路面設(shè)計(jì)中，要想取得良好的抗車轍性能，應(yīng)適當(dāng)提高中、下面層瀝青混合料的抗車轍性能。

圖3 復(fù)合車轍板和實(shí)際路面瀝青層內(nèi)壓應(yīng)力分布情況

圖4 不同荷載、不同深度車轍板和實(shí)際瀝青路面的的剪應(yīng)力分布情況