大粒徑瀝青混合料在舊路補(bǔ)強(qiáng)中的有限元分析＊

李彩霞 張爭(zhēng)奇

（陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院公路工程系1） 西安 710018）（長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院2） 西安 710064）

0 引 言

隨著對(duì)大粒徑瀝青碎石混合料（large stone asphalt mixture，LSAM）作為新路柔性基層研究的不斷深入，對(duì)其進(jìn)一步作為老路補(bǔ)強(qiáng)層的研究也在不斷完善.王松根等［1］通過(guò)研究提出設(shè)計(jì)合理的LSAM 是解決重載交通下車轍問(wèn)題最經(jīng)濟(jì)有效的途徑之一.近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些省份在舊路改造中采用LSAM 柔性基層補(bǔ)強(qiáng)，將其直接鋪筑在舊瀝青路面上，一方面作為補(bǔ)強(qiáng)層，另一方面作為應(yīng)力吸收層及老路的排水層，取得了較好的效果［2］.但是，將LSAM 作為重載道路補(bǔ)強(qiáng)層方面的研究較少.針對(duì)用其作為道路補(bǔ)強(qiáng)層時(shí)的位置和厚度難以確定的問(wèn)題，本文建立分析模型，利用有限元程序ABAQUS計(jì)算分析，為相關(guān)工程提供參考依據(jù).

1 LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層的有限元分析模型

1.1 模型的建立

運(yùn)營(yíng)階段的道路實(shí)際承受的軸載遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載，基于此，文中主要分析重載作用下LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層的合理層厚，采用重載道路中有代表性的軸載220kN 作為研究參數(shù)，將其與標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN 進(jìn)行軸載換算，見(jiàn)表1.

表1 軸載計(jì)算參數(shù)表

結(jié)合國(guó)內(nèi)典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)確定了有限元分析所用路面結(jié)構(gòu)，見(jiàn)表2.

表2 有限元分析采用的瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

根據(jù)道路結(jié)構(gòu)層次劃分模型、荷載作用區(qū)域及邊界約束模型見(jiàn)圖1～2.

1.2 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值原則

圖1 道路結(jié)構(gòu)劃分模型

圖2 荷載作用區(qū)域及邊界約束模型

查閱大量工程實(shí)例資料，在半剛性基層瀝青路面養(yǎng)護(hù)施工時(shí)，LSAM 主要是用來(lái)處治上基層的材料，最常用的是LSAM-25及LSAM-302種類型［3］.本文以LSAM-25作為研究材料.各層材料在計(jì)算時(shí)的取值原則為：考慮施工中防止離析，LSAM 最小厚度不宜過(guò)薄，根據(jù)避免離析的要求，最小厚度宜為最大粒徑的2.5倍，最大公稱粒徑的3倍，因此，LSAM-25最小厚度宜大于7.5cm.有限元計(jì)算結(jié)構(gòu)中關(guān)于LSAM 厚度的最小取值為8cm，其他各層在計(jì)算時(shí)取推薦厚度的中值.各層材料的抗壓回彈模量等參數(shù)取值按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）推薦范圍確定，見(jiàn)表3.

表3 直接加鋪時(shí)的材料參數(shù)取值表

2 LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層合理層位和厚度的確定

根據(jù)國(guó)內(nèi)外關(guān)于LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層的研究資料，本文總結(jié)的典型結(jié)構(gòu)組合見(jiàn)表4.組合中包含了3種典型情況：直接加鋪在舊路面上；銑刨至基層頂加鋪；銑刨至路基頂加鋪（類似新建）［4-10］.

表4 LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層典型結(jié)構(gòu)組合

2.1 直接加鋪時(shí)LSAM 層合理厚度

取表4中的第一種結(jié)構(gòu)組合，利用表3中直接加鋪時(shí)的典型結(jié)構(gòu)及各層材料參數(shù)取值.面層SMA-13及AC-20厚度不變，考慮到LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層的經(jīng)濟(jì)性，參考國(guó)內(nèi)外補(bǔ)強(qiáng)層的厚度范圍，計(jì)算中通過(guò)改變LSAM 層的厚度（分別取8，10，12，15，18，20，22cm），利用ABAQUS分析確定直接加鋪時(shí)補(bǔ)強(qiáng)層合理厚度，總共計(jì)算7次.

每種組合下各結(jié)構(gòu)層類型、厚度及其相對(duì)應(yīng)的材料模量E與泊松比μ等參數(shù)代入有限計(jì)算程序，分析重載作用對(duì)補(bǔ)強(qiáng)層厚度的力學(xué)響應(yīng).將各種組合下LSAM 層底的主應(yīng)力及水平方向的應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表5.

表5 直接加鋪時(shí)LSAM 層底應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果表明，以上7 種組合中，補(bǔ)強(qiáng)層LSAM 層底的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，可以充分發(fā)揮該層材料的抗疲勞性能.將不同厚度的LSAM 層底的應(yīng)力繪制為如圖3所示的厚度-應(yīng)力變化曲線圖.通過(guò)分析對(duì)比，LSAM 層厚度變化范圍在8～15cm時(shí)，補(bǔ)強(qiáng)層底的應(yīng)力下降比較明顯，大于15cm之后，應(yīng)力值下降趨于緩和，且降低幅度較小，由圖可以看出，15cm 是拐點(diǎn).因此，將15cm作為直接加鋪時(shí)推薦的最大厚度.

圖3 直接加鋪時(shí)LSAM 層底應(yīng)力變化曲線圖

2.2 銑刨至基層加鋪

當(dāng)舊路破損嚴(yán)重，面層產(chǎn)生嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害、但基層強(qiáng)度滿足要求時(shí)，需要將舊路開(kāi)挖至基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)養(yǎng)護(hù).下面討論隨著LSAM 厚度變化，在重載作用下，補(bǔ)強(qiáng)層層底拉應(yīng)力的變化，進(jìn)一步確定銑刨至基層的情況下LSAM 層的合理厚度.采用表4中的第二種典型結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)層次及各層材料參數(shù)取值見(jiàn)表6.

表6 銑刨至基層加鋪材料參數(shù)取值表

將上述參數(shù)代入有限計(jì)算程序，將LSAM 層底的主應(yīng)力及水平方向的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表7.

表7 銑刨至基層加鋪時(shí)LSAM 層底應(yīng)力

上述計(jì)算結(jié)果應(yīng)力值均為負(fù)，說(shuō)明LSAM 層混合料均處于受壓狀態(tài)，說(shuō)明舊路銑刨至基層加鋪時(shí)，選取LSAM 混合料同樣可以較好地發(fā)揮其抗疲勞性能.由不同厚度對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，繪制出銑刨加鋪時(shí)LSAM 層底應(yīng)力曲線，見(jiàn)圖4.

圖4 銑刨加鋪時(shí)LSAM 層底應(yīng)力變化曲線圖

由圖4可以看出，銑刨加鋪時(shí)，8～12cm 之間，應(yīng)力下降幅度大于12～22cm，12cm 為其拐點(diǎn).當(dāng)LSAM 補(bǔ)強(qiáng)層厚度大于12cm 時(shí)，其層底應(yīng)力仍有下降趨勢(shì)，但幅度明顯較小.因此，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等方面綜合考慮，當(dāng)舊路銑刨至基層加鋪時(shí)，推薦LSAM 加鋪層的厚度為12cm.

最后，將不同加鋪形式下LSAM 層底的應(yīng)力曲線繪制一起，見(jiàn)圖5.由圖可得，兩種情況下，應(yīng)力的下降趨勢(shì)基本相似，這就說(shuō)明LSAM 同樣適宜于舊路銑刨至基層進(jìn)行加鋪的情況.LSAM 的加入對(duì)于減少病害對(duì)加鋪結(jié)構(gòu)的影響有顯著作用，但更適宜直接加鋪在舊瀝青路面上.

圖5 不同加鋪形式下LSAM 層底應(yīng)力變化曲線圖

當(dāng)舊路需要銑刨至路基頂進(jìn)行加鋪時(shí)，該類情況類似道路新建，LSAM 層的厚度可以按照新建道路的要求確定.最后，對(duì)于重載道路，當(dāng)采用LSAM-30類型時(shí)，按照避免離析的最小厚度2.5～3 倍公稱最大粒徑的要求，其厚度值應(yīng)該在LSAM-25的基礎(chǔ)上增加2～3cm.

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)舊路加鋪典型結(jié)構(gòu)初擬結(jié)構(gòu)組合庫(kù)，建立分析模型，利用ABAQUS有限元軟件計(jì)算確定了在舊路直接進(jìn)行加鋪及舊路銑刨至基層進(jìn)行加鋪時(shí)LSAM 層的合理厚度.利用ABAQUS有限元軟件計(jì)算確定補(bǔ)強(qiáng)層厚度變化對(duì)受拉不利層的最大主拉應(yīng)力及主要受拉方向應(yīng)力S11的影響.結(jié)論為：在舊路直接進(jìn)行加鋪時(shí)，LSAM 層的最大厚度為15cm；舊路銑刨至基層進(jìn)行加鋪時(shí)，其最大厚度為12cm.當(dāng)舊路需要銑刨至路基頂進(jìn)行加鋪時(shí)，該類情況類似道路新建，LSAM 層的厚度可以按照新建道路的要求確定.

［1］王松根，房建果.大碎石瀝青混合料柔性基層在路面補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用研究［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，17（3）：55-58.

［2］嚴(yán)二虎，沈金安.半剛性基層與瀝青層之間界面條件對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響［J］.公路交通科技，2004（1）：71-73.

［3］山東省交通廳公路局.大粒徑瀝青混合料柔性基層在老路補(bǔ)強(qiáng)中的應(yīng)用研究［R］.濟(jì)南：山東省交通廳公路局，2004.

［4］程祥俊.大粒徑柔性基層與半剛性瀝青混凝土路面的力學(xué)性能分析［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

［5］《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》編寫組.公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范.釋義手冊(cè)［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］California Department of Transportation.Flexible pavement rehabilitation manual［R］.USA：California，2001.

［7］江蘇省交通科學(xué)研究院.大粒徑瀝青混合料（LSAM）的研究與應(yīng)用［R］.南京：江蘇省交通科學(xué)研究院，2002.

［8］錢國(guó)平.重載條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜受力特征及力學(xué)響應(yīng)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

［9］DAVIES R M，SORENSON J.Pavement preservation：Preserving our investment in highways［J］.Public Roads，2000，65（2）：144-150.

［10］黃文元.高等級(jí)公路重載交通瀝青路面設(shè)計(jì)的研究［D］.北京：交通部公路科研所，2000.