復(fù)合式路面層間剪應(yīng)力分析

吳丹丹

(太原公路分局勘測(cè)設(shè)計(jì)所，山西太原 030012)

0 引言

近幾年來(lái)，我國(guó)在道路工程方面取得快速的發(fā)展，許多新興的技術(shù)手段被運(yùn)用到施工當(dāng)中。在水泥混凝土路面上鋪設(shè)瀝青，成為現(xiàn)在比較常見(jiàn)的一種方式，這就形成了一種混凝土和瀝青混凝土組成復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)。這樣做的好處，不但可以節(jié)省瀝青的使用量，而且還可以彌補(bǔ)純?yōu)r青路面剛性要求不足的缺點(diǎn)。雖然如此，復(fù)合式路面本身也存在著隱患，比如上層的瀝青和下層的混凝土分層鋪設(shè)，模量方面相差比較懸殊、變形協(xié)調(diào)性差。特別是在外部環(huán)境氣溫比較高，或者承載車(chē)輛質(zhì)量比較大的時(shí)候，這種復(fù)合式路面很容易發(fā)生剪切側(cè)滑的破壞，所以粘結(jié)層材料的選取和厚度布置就成為改善符合路面抗剪性能的鑰匙，對(duì)于提高道路工程的壽命有著深遠(yuǎn)的影響。國(guó)內(nèi)外很多道路方面的專家都致力于復(fù)合式里面的層間最大剪力，尤其是剪切角度的研究，但是始終沒(méi)有取得定論。筆者在彈性層間狀體系理論的基礎(chǔ)上，運(yùn)用BISAR3.0程序分析了對(duì)混凝土瀝青復(fù)合式路面的層間最大剪力、剪切角以及其變化規(guī)律，為提高層間抗剪能力提供了理論基礎(chǔ)。

1 確定結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算參數(shù)

首先采用混凝土瀝青復(fù)合式路面建立三維模型，然后運(yùn)用BISAR3.0程序分析在荷載作用下層間的剪應(yīng)力和剪切角。在路面層間結(jié)構(gòu)是完全連續(xù)不間斷的，瀝青層和水泥混凝土層是均勻的，路面結(jié)構(gòu)層間四周水平位移均為零，不計(jì)算本身材料的自重等理想狀態(tài)下，荷載取單軸雙輪組100 kN垂直均勻分布的標(biāo)準(zhǔn)軸載，軸壓的半徑為10.65 cm。水平方向的荷載按緊急剎車(chē)狀態(tài)計(jì)算，那么路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)選取如下:

瀝青混凝土層:回彈衡量為1 200 MPa，泊松比為0.3，厚度取10 cm。水泥混凝土層:回彈衡量為30 000 MPa，泊松比為0.15，厚度取20 cm。水泥穩(wěn)定碎石基層:回彈衡量為1 500 MPa，泊松比為0.25，厚度取30 cm。土基礎(chǔ):回彈衡量為40 MPa，泊松比為0.4。在得到數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立坐標(biāo)系，坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)在雙圓荷載的中間，x軸與汽車(chē)的行駛方向保持一致，y軸為路面的橫向，z軸豎直向下。經(jīng)過(guò)周密的計(jì)算，在完全結(jié)合狀態(tài)下，當(dāng)x取9.585 cm，y取15.975 cm時(shí)，層間的剪力最大。

2 層間應(yīng)力的分析

為了模擬實(shí)際情況下路面層間在行車(chē)荷載下的受力情況，進(jìn)行室內(nèi)斜剪試驗(yàn)。粘結(jié)層與水平之間的夾角，我們稱之為剪切角，它的取值應(yīng)該是層間最大剪應(yīng)力和軸壓半徑的比值的反正切值。

1)瀝青混凝土層模量的影響。影響瀝青模量的因素有很多，最為明顯的是外界環(huán)境溫度和外部荷載。隨著時(shí)間的變化，溫度越高，瀝青的剛性越小，瀝青混凝土的模量越低。根據(jù)之前得出的數(shù)據(jù)，把控制點(diǎn)定在坐標(biāo)(9.585，15.975)，瀝青的層厚取10 cm，瀝青混凝土的模量為 500 MPa，1 500 MPa，2 500 MPa，3 500 MPa，4 500 MPa時(shí)，計(jì)算瀝青混凝土的層間剪力分別為0.262 3 MPa，0.256 2 MPa，0.251 7 MPa，0.248 4 MPa，0.245 8 MPa。剪切角分別為:31.35°，31.29°，31.33°，31.44°，31.58°。從計(jì)算結(jié)構(gòu)不難看出，隨著瀝青混凝土層間模量的不斷增大，層間的最大剪力和剪切角都是減小的趨勢(shì)。模量從500 MPa上升到4 500 MPa的過(guò)程中，層間最大剪力減小了6.2%左右，剪切角雖然也變小，但是幅度很小，所以得出，瀝青混凝土模量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響并不是很大。

2)瀝青混凝土厚度的影響?？刂泣c(diǎn)依舊取在(9.585，15.975)，瀝青的模量控制在1 500 MPa不變，改變?yōu)r青混凝土層厚度，根據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)得出的瀝青混凝土層間剪力和剪切角變化數(shù)據(jù)如下:

瀝青層間厚度取6 cm，8 cm，10 cm，12 cm，14 cm，16 cm 時(shí)，層間最大剪力分別為 0.326 3 MPa，0.291 3 MPa，0.256 2 MPa，0.223 0 MPa，0.193 0 MPa，0.166 9 MPa。剪切角分別為 32.14°，31.98°，31.29°，30.39°，29.43°，28.51°。由計(jì)算得到的結(jié)果可以看出，隨著瀝青混凝土厚度的增加，瀝青層間的最大剪力和剪切角呈減小趨勢(shì)。在整個(gè)厚度從6 cm上升到16 cm的過(guò)程中，層間剪力降幅達(dá)到48.8%，剪切角的幅度也達(dá)到了11.3%。由此可見(jiàn)，和瀝青模量相比，瀝青混凝土層的厚度對(duì)于層間最大剪力和剪切角的影響是相當(dāng)顯著的，所以，提高瀝青層的厚度可以更為有效的減少層間剪力，降低層間剪切破壞的可能性。

3)粘結(jié)層模量的影響。約束條件改為瀝青混凝土的模量不變，保持在1 500 MPa、厚度保持10 cm不變，粘結(jié)層厚度取5 mm不變，首先對(duì)瀝青層和粘結(jié)層的層間最大剪力作用位置是否隨粘結(jié)層模量變化而變化進(jìn)行分析研究。計(jì)算結(jié)果表明，在這一部分，層間的最大剪力依舊發(fā)生在x取9.585，y取15.975處。同樣的，在混凝土層和粘結(jié)層的層間最大剪力作用位置一樣是此點(diǎn)。此時(shí)，瀝青層和粘結(jié)層的總厚度為10.5 cm。

控制點(diǎn)依舊設(shè)在(9.585，15.975)，研究各接觸面最大剪力、剪切角隨著粘結(jié)層的變化規(guī)律。當(dāng)粘結(jié)層模量在150 MPa，300 MPa，500 MPa時(shí)，瀝青和粘結(jié)層的層間最大剪力相對(duì)50 MPa分別增大32.90%，51.97%，63.16%，剪切角相對(duì) 50 MPa 分別增大19.08%，31.15%，38.36%;混凝土和粘結(jié)層的層間最大剪力相對(duì)50 MPa 分別增大 33.24%，52.08%，63.04%，剪切角相對(duì) 50 MPa分別增大19.62%，31.69%，38.90%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用低模量的粘結(jié)層可以有效降低層間剪應(yīng)力、剪切角。

4)粘結(jié)層模量取50 MPa恒定不變，分析粘結(jié)層厚度對(duì)于混凝土粘結(jié)層層間以及瀝青粘結(jié)層層間最大剪力的影響。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)論:a.粘結(jié)層厚度為0 mm～6 mm時(shí)，瀝青粘結(jié)層層間最大剪應(yīng)力依然發(fā)生在x方向9.585 cm，y方向15.975 cm處。b.粘結(jié)層厚度為6 mm～12 mm的階段，層間最大剪應(yīng)力發(fā)生在x方向6.39 cm，y方向 15.975 cm 處。c.粘結(jié)層厚度在 12 mm ～15 mm階段內(nèi)時(shí)，層間最大剪應(yīng)力發(fā)生在x方向3.20 cm，y方向15.975 cm處。粘結(jié)層厚度不同，最大剪力均隨著粘結(jié)層厚度的增大而變小，且下降最為顯著的階段就是從0 mm～3 mm的階段。說(shuō)明在瀝青層和混凝土層中間鋪設(shè)一定厚度的粘結(jié)層意義是十分重大的，但是若粘結(jié)層厚度不斷的增大，收益并不明顯，所以需要找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)，使收益達(dá)到最大。除此之外，確定厚度的時(shí)候，還需要考慮粘結(jié)層厚度和復(fù)合式路面粘結(jié)性能是否吻合。目前采用比較廣泛的是纖維瀝青應(yīng)力吸收粘結(jié)層，采用環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)膠進(jìn)行連接。經(jīng)過(guò)多方的試驗(yàn)和專家的計(jì)算得出結(jié)論，當(dāng)粘結(jié)層厚度為3 mm時(shí)，層間的抗剪能力最強(qiáng)大。

5)行車(chē)荷載與溫度綜合影響。水平荷載應(yīng)該考慮在緊急剎車(chē)狀態(tài)下，仍是垂直荷載的1/2。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)證明，層間最大剪力與行車(chē)荷載呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系，而剪切角幾乎不隨行車(chē)荷載的變化而變化，維持在19.7°左右。主要原因是由于質(zhì)量很大的車(chē)體作用在路面上時(shí)，層間剪力增加的同時(shí)，豎向應(yīng)力也在按相同比例增加，這就導(dǎo)致剪切角度幾乎為一個(gè)不變的常數(shù)。同時(shí)外界溫度對(duì)于瀝青混凝土的模量影響很大，盡管從之前的結(jié)論中可知，瀝青混凝土模量對(duì)復(fù)合式路面層間剪力影響不大，但是在南方一些高溫地區(qū)，夏天的高溫仍然會(huì)導(dǎo)致層間抗剪強(qiáng)度的下降，加上超載車(chē)輛的作用，還是會(huì)有發(fā)生剪切破壞的可能。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn)可以看出，瀝青混凝土復(fù)合式路面層間的最大剪力、剪切角對(duì)溫度、結(jié)構(gòu)層厚度、材料模量、行車(chē)負(fù)荷等參數(shù)的敏感性。其中不難看出，瀝青層的厚度、粘結(jié)層的模量、行車(chē)荷載這三個(gè)方面對(duì)于層間剪力和剪切角的影響最為顯著。

［1］胡長(zhǎng)順，王秉綱.復(fù)合式路面設(shè)計(jì)原理與施工技術(shù)［M］.北京:人民交通出版社，1999.

［2］王火明，凌天清，肖友高，等.剛?cè)釓?fù)合式路面界面層強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(6):1033-1036.

［3］顧興宇，王文達(dá).水泥混凝土橋面黏結(jié)層抗剪性能要求及簡(jiǎn)化計(jì)算［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10(2):20-25.