軸載及應(yīng)力吸收層參數(shù)對(duì)“白改黑”路面內(nèi)應(yīng)力影響

姜 利 蘇 禹 解雙瑞

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

水泥混凝土路面在我國(guó)開(kāi)始使用時(shí)間較早，應(yīng)用范圍很廣。近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通荷載逐漸向重型化發(fā)展，交通量也大幅增長(zhǎng)，導(dǎo)致路面加速破壞現(xiàn)象日益嚴(yán)重，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層，既能提高路面結(jié)構(gòu)的承載力又能改善行車(chē)的舒適性。但是由于剛性基層接縫或裂縫的普遍存在，瀝青面層會(huì)沿接縫或裂縫處產(chǎn)生反射裂縫，嚴(yán)重影響路面的耐久性[1]。研究表明，在舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間設(shè)置改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層，能改善路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，有效延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[2]，而處于剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)層交界面的應(yīng)力吸收層在接縫處的受力狀態(tài)非常不利，且在長(zhǎng)期的車(chē)輛荷載作用下更易促成反射裂縫的產(chǎn)生。因此，有必要對(duì)復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力吸收層的受力狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的分析。本文通過(guò)建立基于應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型，分析軸載、加鋪層厚度及材料參數(shù)變化時(shí)對(duì)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力的影響，為合理設(shè)計(jì)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)提供參考。

1 有限元計(jì)算模型及參數(shù)

1.1 計(jì)算模型

視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，研究對(duì)象是由瀝青面層、應(yīng)力吸收層、帶有接縫的水泥混凝土基層和地基組成，建立三維有限元模型，瀝青面層、應(yīng)力吸收層、水泥混凝土基層和地基均采用C3D8R單元，模型簡(jiǎn)圖如圖1所示。對(duì)各結(jié)構(gòu)層做如下假設(shè)[3,4]：

1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體材料；

2)路面各層粘結(jié)狀態(tài)良好，且無(wú)層間位移；

3)地基底面各方向上位移為0，側(cè)面水平方向上位移為0；

4)水泥混凝土板接縫寬度為1 cm，且接縫處無(wú)傳荷能力；

5)不計(jì)重力作用。

1.2 計(jì)算參數(shù)

參考實(shí)際工程舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)，取半幅路面為研究對(duì)象，擬定路面結(jié)構(gòu)基本計(jì)算參數(shù)如下：舊水泥混凝土板尺寸為5 m×4.5 m×0.22 m，接縫寬度為1 cm，基礎(chǔ)尺寸擬定為10.01 m×4.5 m×9 m。采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載，軸重100 kN，輪胎接地壓強(qiáng)0.7 MPa，單輪接地當(dāng)量圓直徑21.3 cm，兩輪中心距31.95 cm。為確保計(jì)算結(jié)果收斂性，將單個(gè)輪壓作用范圍等效為18.6 cm×19.2 cm，接觸面積為357.12 cm2，兩輪中心距31.4 cm的矩形均布荷載，如圖2所示。各層厚度及材料參數(shù)[5,6]見(jiàn)表1。

表1 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

結(jié)構(gòu)層瀝青混凝土面層應(yīng)力吸收層舊水泥混凝土板基礎(chǔ)厚度/cm10322900模量/MPa1 20040030 000100泊松比μ0.250.250.150.35

2 應(yīng)力吸收層荷載應(yīng)力分析

采用控制單一參數(shù)變量的方式對(duì)應(yīng)力吸收層層底接縫處的荷載應(yīng)力進(jìn)行系統(tǒng)的分析。根據(jù)最大剪應(yīng)力準(zhǔn)則、最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則、Von Mises屈服準(zhǔn)則以及摩爾—庫(kù)侖理論，在進(jìn)行舊水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面分析時(shí)，只要考慮最不利點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1,Mises等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax三個(gè)值。研究表明，舊水泥混凝土接縫處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致瀝青加鋪層應(yīng)力過(guò)大引起反射裂縫[2]。因此，以應(yīng)力吸收層層底水泥混凝土接縫處為最不利點(diǎn)，如圖3所示。其中A點(diǎn)為瀝青加鋪層底應(yīng)力吸收層應(yīng)力對(duì)比點(diǎn)，B點(diǎn)為應(yīng)力吸收層之上的加鋪層底與A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)。

2.1 軸載變化對(duì)應(yīng)力吸收層荷載應(yīng)力的影響

在國(guó)內(nèi)的主要干線公路上，重載及超載車(chē)輛大量存在，單軸雙輪組最大荷載達(dá)到了240 kN，加速了路面破壞，嚴(yán)重縮短了瀝青路面的使用壽命[7]。為定量分析車(chē)輛荷載對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)造成的不利影響，對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)在各級(jí)軸載作用下的受力狀況進(jìn)行力學(xué)分析。當(dāng)瀝青加鋪層表面作用的行車(chē)荷載由100 kN以20 kN為一級(jí)增加到240 kN時(shí)，加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，表3，圖4，圖5。

表2 車(chē)輛荷載作用下應(yīng)力吸收層接縫處荷載應(yīng)力隨軸載變化

軸載/kNA點(diǎn)荷載應(yīng)力/kPaB點(diǎn)荷載應(yīng)力/kPaσ1σeτmaxσ1σeτmax100563.41 171.01 212.370.6564.3636.7120676.41 404.41 453.985.1677.0764.0140789.41 637.81 695.599.6789.8891.3160902.41 871.31 937.1114.0902.61 018.71801 015.42 104.72 178.7128.51 015.41 146.02001 128.52 338.12 420.3143.01 128.11 273.32201 241.52 571.62 662.3157.41 240.91 400.62401 354.52 805.02 904.4171.91 353.71 527.9

表3 車(chē)輛荷載作用下B點(diǎn)相較于A點(diǎn)應(yīng)力隨軸載變化趨勢(shì)

由表2,表3,圖4,圖5可知，軸載的變化對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力有顯著的影響。隨著軸重的增加，A,B兩點(diǎn)的荷載應(yīng)力呈現(xiàn)明顯的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。軸載從100 kN增加到240 kN時(shí)，B點(diǎn)相較于A點(diǎn)，最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax降低幅度分別在87.37%,51.74%,51.77%,47.42%左右，當(dāng)軸重達(dá)到240 kN時(shí)，A點(diǎn)的最大剪應(yīng)力為2 904.4 kPa，約為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的2.4倍。由此可見(jiàn)，重載會(huì)使加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)荷載應(yīng)力大幅度增加，更加容易加速反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，應(yīng)力吸收層能夠在很大程度上分散傳遞到瀝青加鋪層底的應(yīng)力，雖然效果會(huì)隨著軸重的增加而略有減弱，但影響不大。

2.2 應(yīng)力吸收層厚度對(duì)應(yīng)力吸收層荷載應(yīng)力的影響

當(dāng)應(yīng)力吸收層厚度從1 cm以1 cm為增量級(jí)增加到5 cm時(shí)，加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,表5,圖6,圖7。

表4 車(chē)輛荷載作用下應(yīng)力吸收層接縫處荷載應(yīng)力隨厚度變化

表5 車(chē)輛荷載作用下B點(diǎn)相較于A點(diǎn)應(yīng)力隨厚度變化趨勢(shì)

從表4，表5,圖6，圖7可以看出，隨著應(yīng)力吸收層厚度的增加，接縫處加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，應(yīng)力吸收層厚度由1 cm增加到5 cm時(shí)，最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax在A點(diǎn)處分別降低了5.03%～11.24%,0.92%～16.19%,0.36%～11.01%；在B點(diǎn)處分別降低了37.81%～96.52%,9.97%～26.02%,10.79%～25.93%；B點(diǎn)相較于A點(diǎn)分別降低了62.82%～99.86%,16.07%～54.60%,6.47%～54.98%。由此可見(jiàn)，隨著應(yīng)力吸收層厚度的增加，A,B兩點(diǎn)處荷載應(yīng)力逐漸減小，A點(diǎn)處等效應(yīng)力和最大剪應(yīng)力在應(yīng)力吸收層為3 cm以上時(shí)降幅較大，說(shuō)明較厚的應(yīng)力吸收層在吸收車(chē)輛荷載傳遞到舊水泥混凝土路面頂面的應(yīng)力上有明顯的效果，但在B點(diǎn)處當(dāng)應(yīng)力吸收層厚度達(dá)到3 cm以上時(shí)各應(yīng)力的降幅均有所減弱，同時(shí)B點(diǎn)相較于A點(diǎn)的應(yīng)力有大幅度降低，在1 cm～3 cm時(shí)降低幅度較大，但隨著厚度的逐漸增加應(yīng)力的降低幅度有趨于平緩的趨勢(shì)。

2.3 應(yīng)力吸收層模量對(duì)應(yīng)力吸收層荷載應(yīng)力的影響

當(dāng)應(yīng)力吸收層模量從800 MPa以100 MPa為間隔降低到200 MPa時(shí)，加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表6,表7,圖8,圖9所示。

表6 車(chē)輛荷載作用下應(yīng)力吸收層接縫處荷載應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量變化

表7 車(chē)輛荷載作用下應(yīng)力吸收層接縫處應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量變化趨勢(shì)

由表6,表7,圖8,圖9可知，接縫處加鋪層結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量的減小而逐漸降低。應(yīng)力吸收層模量由800 MPa減小到200 MPa時(shí)，A點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax分別降低了6.60%～26.84%,4.30%～15.82%,6.07%～16.64%；B點(diǎn)的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax分別降低了6.12%～64.62%,3.92%～14.60%,4.03%～14.03%。B點(diǎn)相較于A點(diǎn)分別降低了86.03%～95.02%,50.71%～52.97%,43.85%～53.37%。由此可見(jiàn)，隨著應(yīng)力吸收層模量的減小，A,B兩點(diǎn)處荷載應(yīng)力逐漸降低，無(wú)論是A點(diǎn)還是B

點(diǎn)，低模量的應(yīng)力吸收層都對(duì)其應(yīng)力的分散有較好的效果；B點(diǎn)相較于A點(diǎn)的荷載應(yīng)力有大幅度降低，其中σ1降幅逐漸增大，當(dāng)模量達(dá)到200 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)力的吸收率達(dá)到了約95%，而σe,τmax降幅則逐漸減小，但對(duì)應(yīng)力的吸收率仍能達(dá)到51%和44%左右。在實(shí)際工程中，應(yīng)綜合考慮溫度等環(huán)境因素進(jìn)行瀝青混合料應(yīng)力吸收層材料設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)應(yīng)力吸收層作為復(fù)合式路面中與剛性基層相連接的柔性結(jié)構(gòu)層，其受力狀態(tài)相對(duì)復(fù)雜，在剛性基層接縫處，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，適當(dāng)?shù)脑黾討?yīng)力吸收層厚度和降低模量，能夠減小接縫處應(yīng)力吸收層底面最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe、最大剪應(yīng)力τmax的值，可延緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2)應(yīng)力吸收層厚度在1 cm～3 cm時(shí)應(yīng)力下降幅度較大，在4 cm～5 cm時(shí)降低幅度減小，說(shuō)明隨著厚度的增加應(yīng)力吸收層“吸收”應(yīng)力的效果會(huì)逐漸減弱，綜合考慮性?xún)r(jià)比等其他因素，取厚度為3 cm左右較為適宜；應(yīng)力吸收層模量在200 MPa～500 MPa時(shí)對(duì)σ1的“吸收”效果較為顯著，而在500 MPa～800 MPa時(shí)對(duì)σe,τmax的“吸收”效果相對(duì)較好，可以此為參考進(jìn)行瀝青混合料應(yīng)力吸收層材料設(shè)計(jì)。

3)重載或超載對(duì)路面的使用壽命非常的不利，當(dāng)軸重達(dá)到240 kN時(shí)，應(yīng)力吸收層底面接縫處的最大剪應(yīng)力達(dá)到2 904.4 kPa，約為標(biāo)準(zhǔn)軸載下的2.4倍，而剪應(yīng)力又是產(chǎn)生剪切型裂縫的主要因素，因此，在舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)重載產(chǎn)生的不利影響給予足夠的重視。