碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

摘要：采用有限元方法，對(duì)比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，碾壓混凝土基層初期模量值比水泥穩(wěn)定碎石基層大得多，15年衰減后其模量值仍達(dá)到2000MPa，瀝青層底一直處于受壓狀態(tài)。與水泥穩(wěn)定基層相比，瀝青面層與碾壓混凝土基層之間的剪應(yīng)力增大了30.1%左右。因此，實(shí)際工程中應(yīng)著重提供瀝青面層與碾壓混凝土基層之間的防水粘結(jié)層性能。

關(guān)鍵詞：路面工程；瀝青路面；碾壓混凝土；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類(lèi)號(hào)： TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

碾壓混凝土（Roller Compacted Concrete 簡(jiǎn)稱(chēng) RCC）是一種單位用水量較少、坍落度為零的超干硬性混凝土[1]。使用硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)摻和料、水、砂、外加劑和分級(jí)控制的粗骨料拌制成無(wú)坍落度的干硬性混凝土，采用與水泥穩(wěn)定碎石基層施工相同的運(yùn)輸及鋪筑設(shè)備，用振動(dòng)分層壓實(shí)，適用于大體積混凝土工程[2]。碾壓混凝土基層的優(yōu)點(diǎn)是：工期短、經(jīng)濟(jì)、高彎拉強(qiáng)度、高彈性模量、耐久性路面、優(yōu)良的抗水損害性能、優(yōu)良的抗溫度疲勞性能、降低了建設(shè)期的調(diào)價(jià)分析[3]。這些優(yōu)點(diǎn)使得碾壓混凝土基層特別適用于高速、重載下的高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)。本文采用有限元方法，對(duì)比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學(xué)響應(yīng)。

1計(jì)算方法

車(chē)輛荷載通過(guò)軸載作用在路面上，由于軸的對(duì)稱(chēng)性，路面結(jié)構(gòu)在車(chē)輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)分析僅需考慮半邊輪載的作用。表征車(chē)輛輪載作用下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特性的最簡(jiǎn)單方法是將路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為多層體系。彈性多層體系在圓形均布荷載作用下的計(jì)算圖示如圖1。其中，輪載為標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7MPa， 其轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題后，施加的荷載大小為117371Pa，雙圓荷載半徑=10.65cm，輪距3=31.95cm，初步擬定的路面結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

根據(jù)國(guó)內(nèi)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006），以及參考國(guó)內(nèi)外經(jīng)試驗(yàn)實(shí)踐證明的常用的參數(shù)，在本項(xiàng)目中路面結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中所采用的材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。

模型深度取3m，寬度取6m，模擬路面結(jié)構(gòu)采用CPE8R（8節(jié)點(diǎn)二次平面應(yīng)變縮減積分單元）單元，分析類(lèi)型為平面應(yīng)變。路面結(jié)構(gòu)有限元分析如圖4。

圖4 路面結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1基層開(kāi)裂后瀝青層底彎拉應(yīng)力分析

根據(jù)南非路面研究結(jié)果，水穩(wěn)基層一般在第3年后出現(xiàn)收縮裂縫，5年后出現(xiàn)荷載裂縫，8年后水穩(wěn)基層碎裂成粒料。結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況，建議模量逐年衰減取值如表2所示。

RCC路面結(jié)構(gòu)與CTB路面結(jié)構(gòu)在衰減年限內(nèi)瀝青層層底拉應(yīng)力對(duì)比，如圖5所示。

圖5 不同路面結(jié)構(gòu)瀝青層底彎拉應(yīng)力隨模量衰減曲線

當(dāng)RCC模量衰減到很低時(shí)（20年左右），即當(dāng)RCC衰減成碎石時(shí)，模量取值為200MPa，瀝青層底由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，拉應(yīng)力為213723Pa。

當(dāng)RCC為40cm，模量衰減為200MPa時(shí)，輪中心處瀝青層層底拉應(yīng)力為188157Pa。

2.2瀝青面層與基層之間剪應(yīng)力分析

碾壓混凝土RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 碾壓混凝土RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知，荷載外緣附近剪應(yīng)力值大于內(nèi)緣處，應(yīng)力等值線以輪緣為中心向四周擴(kuò)散，層間剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)于輪緣外側(cè)，瀝青面層與RCC基層層間剪應(yīng)力為353603Pa。

含水泥穩(wěn)定碎石基層（CTB）瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石CTB基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應(yīng)力云圖

由應(yīng)力云圖可知，荷載外緣附近剪應(yīng)力值大于內(nèi)緣處，應(yīng)力等值線以輪緣為中心向四周擴(kuò)散，瀝青面層與CTB基層層間剪應(yīng)力為271559Pa。相比兩種路面結(jié)構(gòu)，與半剛性基層比，RCC模量大，從而導(dǎo)致瀝青層與基層之間剪應(yīng)力較大。與水泥穩(wěn)定基層相比，面層與基層之間的剪應(yīng)力增大了30.1%左右。

3結(jié)語(yǔ)

采用有限元方法，對(duì)比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明：

（1）兩種結(jié)構(gòu)的路面隨著年限的增長(zhǎng)，基層逐漸開(kāi)裂，面層與基層模量衰減，相比之下基層的模量衰減更為迅速，導(dǎo)致第9年開(kāi)始，含水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石基層（CTB）瀝青層底由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)。相比較而言，RCC基層初期模量值比水泥穩(wěn)定碎石基層大得多，15年衰減后其模量值仍達(dá)到2000MPa，因此瀝青層底一直處于受壓狀態(tài)。當(dāng)RCC模量衰減到很低時(shí)（20年左右），即當(dāng)RCC衰減成碎石時(shí)，模量取值為200MPa，瀝青層底由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力；

（2）與半剛性基層比，RCC模量大，從而導(dǎo)致瀝青層與基層之間剪應(yīng)力較大。與水泥穩(wěn)定基層相比，面層與基層之間的剪應(yīng)力增大了30.1%左右。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉數(shù)華，曾力，吳定燕.碾壓混凝土抗裂性能研究[J]重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（5）：71-75.

[2] 凌建明， 西紹波.碾壓混凝土在機(jī)場(chǎng)場(chǎng)道工程中的應(yīng)用[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)， 1997（5）： 598-603.

[3] 董祥. 碾壓混凝土在我國(guó)道路建設(shè)中的意義及工程應(yīng)用[J].中國(guó)港灣建設(shè)， 2007（5）： 20-23.