舊水泥混凝土路面不同接縫寬度下瀝青加鋪層力學(xué)響應(yīng)分析

王志剛,李銳鐸,樂明靜,崔亞麗

(1.平頂山市公路管理局，河南 平頂山，467000；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山，467036)

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舊水泥混凝土路面不同接縫寬度下瀝青加鋪層力學(xué)響應(yīng)分析

王志剛1,李銳鐸2,樂明靜2,崔亞麗1

(1.平頂山市公路管理局，河南 平頂山，467000；2.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山，467036)

采用塊體離散元方法，分析了一定厚度加鋪層情況下，不同接縫寬度對加鋪層的受力影響，確定了舊水泥路面改造處理的臨界接縫寬度理論標(biāo)準(zhǔn)；并在確認(rèn)該臨界寬度后計(jì)算了最佳的加鋪層厚度，為舊水泥路面改造處理設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論指導(dǎo)。

水泥路面加鋪；臨界接縫寬度；塊體離散元；力學(xué)響應(yīng)

工程實(shí)踐表明，瀝青加鋪層的反射裂縫大多產(chǎn)生于舊水泥混凝土的接縫處，因?yàn)榻涌p處是整個路面質(zhì)量最薄弱部位，瀝青加鋪層應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在此，即產(chǎn)生所謂的應(yīng)力集中現(xiàn)象，接縫處瀝青加鋪層底部開始開裂，然后逐漸向上擴(kuò)展，最終貫穿整個加鋪層[1-4]。本文采用塊體離散元方法，通過計(jì)算在一定厚度加鋪層情況下不同接縫寬度對加鋪層的受力狀況影響，確定了舊水泥路面改造處理的臨界接縫寬度，以及在獲取該臨界寬度后計(jì)算最佳的加鋪層厚度，為舊水泥路面改造處理設(shè)計(jì)提供相關(guān)理論指導(dǎo)[5]。

1　塊體離散元方法簡介

塊體離散元方法(Discontinuous Deformation Analysis，DDA非連續(xù)變性分析方法)通過不連續(xù)面間的相互約束建立整個系統(tǒng)的力學(xué)平衡條件，與一般的連續(xù)介質(zhì)法不同，它引入了非連續(xù)接觸和慣性力，采用運(yùn)動學(xué)方法解決非連續(xù)問題，其特點(diǎn)是考慮了變形的不連續(xù)性和引入了時間因素，既可以計(jì)算靜力問題，又可以計(jì)算動力問題，同時也可分析小變形及大變形問題。DDA法是兼具有限元與離散元法優(yōu)點(diǎn)的一種數(shù)值方法[6-7]。

2　計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

本次離散元計(jì)算采用笛卡兒直角坐標(biāo)系，以公路延伸向?yàn)閤軸，垂直路面方向?yàn)閥軸，以公路里程向前及垂直路面向上為正。水平方向取兩塊水泥板長度10 m，路面下路基深度3 m。

行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，接觸面積為357.21 cm2，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為182 cm。計(jì)算邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格劃分如圖1所示，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示[8-9]。

圖1　水泥面板接縫寬度對瀝青加鋪層強(qiáng)度影響計(jì)算模型

結(jié)構(gòu)層厚度/cm彈性模量/MPa泊松比瀝青混凝土加鋪層1018000.25舊水泥混凝土面層26300000.15土基600600.35

3　計(jì)算工況及評價指標(biāo)

本次主要探討舊水泥路面接縫對瀝青加鋪層受力變形的影響。

計(jì)算工況1：分析不同水泥面板接縫寬度(1 cm、2 cm、3 cm及4 cm)對某一厚度(假定12 cm)瀝青加鋪層受拉及彎沉的影響，以探求原路面的臨界接縫寬度。

計(jì)算工況2：在臨界接縫寬度下，加鋪層厚度對瀝青加鋪層受拉及彎沉的影響，以探求最佳加鋪層厚度。

計(jì)算指標(biāo)以瀝青加鋪層的最大拉伸應(yīng)力及最大豎向位移(彎沉)的計(jì)算結(jié)果分析評價。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1加鋪層厚度12 cm，不同接縫寬度下瀝青加鋪層受拉及彎沉計(jì)算結(jié)果

通過塊體離散元軟件計(jì)算，豎直方向位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2　接縫寬度2cm瀝青加鋪層的豎向位移云圖

在不同水泥面板接縫寬度情況下，瀝青加鋪層最大拉應(yīng)力及最大彎沉值與水泥面板接縫寬度的關(guān)系如圖3所示。

圖3　瀝青加鋪層最大拉應(yīng)力及最大彎沉值與水泥面板接縫寬度的關(guān)系

路面受寬度18.9 cm均布壓力0.7 MPa作用下，從不同水泥面板接縫寬度的計(jì)算結(jié)果可以看出，面板受力翹起導(dǎo)致拉應(yīng)力多在水泥面板接縫兩端分布，接縫寬度的變化對水泥面板接縫附近瀝青加鋪層受拉情況影響較大，瀝青加鋪層的最大拉應(yīng)力及彎沉值均隨接縫寬度的增大而增加，其中接縫寬度超過2 cm時，加鋪層的最大拉應(yīng)力和最大彎沉變形急劇增大，超過3 cm時，加鋪層的最大拉應(yīng)力及彎沉變形增加幅度較小，趨于平緩，由此說明，接縫寬度2 cm是臨界接縫寬度，當(dāng)接縫寬度超過2 cm時，加鋪層受力更為不利，最大拉應(yīng)力及最大豎向變形均會急劇增大，容易產(chǎn)生加鋪層的拉伸破壞，導(dǎo)致反射裂縫的產(chǎn)生。

4.2接縫寬度2 cm，不同加鋪層厚度對加鋪層受拉及彎沉的影響計(jì)算結(jié)果

通過塊體離散元軟件計(jì)算，豎直方向位移計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

在不同瀝青加鋪層厚度情況下，瀝青加鋪層最大拉應(yīng)力及最大彎沉值與瀝青層厚度的關(guān)系如圖4所示。

當(dāng)水泥面板接縫寬度2 cm，路面受寬度18.9 cm均布壓力0.7 MPa作用下，從不同瀝青加鋪層厚度的計(jì)算結(jié)果可以看出，加鋪層主要集中在荷載作用區(qū)域下接縫兩端，當(dāng)厚度達(dá)到12 cm時，面板易受力翹起，導(dǎo)致拉應(yīng)力多向水泥面板兩端分布，此時，瀝青層的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)拐點(diǎn)，最大拉應(yīng)力最小，表明，在臨界接縫寬度2 cm時，加鋪層厚度需達(dá)到12 cm厚才能使加鋪層受力狀態(tài)最佳；而彎沉值隨加鋪層厚度的增大而減小，說明隨著加鋪層厚度的增加，其整體抗壓強(qiáng)度也在增加，產(chǎn)生豎向位移在逐漸減小。

圖4　瀝青加鋪層最大拉應(yīng)力及最大彎沉值與瀝青層厚度的關(guān)系

5　結(jié)論

采用塊體離散元方法，探究了原路面的臨界接縫寬度及最佳加鋪層厚度。通過計(jì)算分析可以得出如下結(jié)論：

(1)瀝青加鋪層的最大拉應(yīng)力及彎沉值均隨接縫寬度的增大而增加，其中接縫寬度超過2 cm時，加鋪層的最大拉應(yīng)力和最大彎沉變形急劇增大，超過3 cm時，加鋪層的最大拉應(yīng)力及彎沉變形增加幅度較小，趨于平緩。由此說明，在加鋪層厚度為12 cm時，接縫寬度2 cm是臨界接縫寬度；

(2)在臨界接縫寬度2 cm時，加鋪層厚度需達(dá)到12 cm厚才能使加鋪層受力狀態(tài)達(dá)到最佳。因此，如果舊水泥路面接縫寬度過大，建議在加鋪前進(jìn)行相應(yīng)處理。在英德S253線舊水泥路面處理工程中，對過寬的接縫(寬度達(dá)到4 cm)采用瀝青貫入碎石進(jìn)行處理，并在接縫處貼厚3～6 mm、寬50～60 mm的土工布材料。經(jīng)過兩年的通車運(yùn)行，路面未見反射裂縫，效果良好，值得借鑒。

[1]顧強(qiáng)康,冷培義.水泥混凝土道面上瀝青加鋪層反射裂縫試驗(yàn)研究[J].中國公路學(xué)報(bào),1999,12(1):21-27.

[2]曹東偉,胡長順,曹景民,等.水泥混凝土路面瀝青加鋪層板縫彎沉差指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(1):1-6.

[3]張肖寧,鄒桂蓮,賀志勇.瀝青混合料抵抗反射裂縫能力的評價方法研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2001,29(7):88-91.

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[5]常振虎,石振武.舊水泥混凝土路面改造處治技術(shù)對比研究[J].低溫建筑技術(shù),2010,22(3):62-64.

[6]田振農(nóng),李世海,劉曉宇,等.三維塊體離散元可變形計(jì)算方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(s1):2833-2840.

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Mechanics response of asphalt concrete overlay on old cement concrete pavement under different joint width

WANG Zhi-gang1,LI Rui-duo2,YUE Ming-jing2,CUI Ya-li1

(1. Pingdingshan Highway Administration Bureau,Pingdingshan 467000,China; 2.Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036,China)

The block discrete element method was used to analyze the stress effects of different joint width on the asphalt overlay which under a certain thickness.And the critical of the old cement concrete pavement joint width standard theory was determined for renovating and treatment.The optimum overlay thickness was calculated after confirming the critical width.It provides theoretical guidance for the old cement concrete pavement about renovating and treatment design.

cement pavement overlay;critical joint width;block discrete element;mechanical response

2015-11-25

河南省交通運(yùn)輸廳2010年度科技項(xiàng)目(2010P240)

王志剛(1975—)，男，河南平頂山人，高級工程師。

1674-7046(2016)04-0065-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.013

U418

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