瀝青路面塑性基礎(chǔ)鋪層的應(yīng)力影響有限元分析

(新疆路橋北疆工程建設(shè)有限公司，新疆 昌吉 831100 )

塑性基礎(chǔ)鋪層密切關(guān)聯(lián)和影響著瀝青路面構(gòu)造的應(yīng)力狀態(tài)，揭示其中的關(guān)聯(lián)規(guī)律，對提高瀝青路面鋪筑質(zhì)量具有工程應(yīng)用意義，本文分析了瀝青相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面一般構(gòu)造，借助ANSYS有限元數(shù)值分析系統(tǒng)，分析瀝青路面塑性基礎(chǔ)鋪層工程，助力建設(shè)優(yōu)質(zhì)適用的塑性基礎(chǔ)鋪層瀝青路面。路面材料參數(shù)如表1所示。

研究選用均布雙矩形載荷模擬汽車載荷狀態(tài)，其具體規(guī)格18cm×19.6cm，載荷取為0.7MPa，載荷中心間距為31.4cm。

表1 路面材料參數(shù)

一、有限元數(shù)值模型的建立

采用ANSYS系統(tǒng)建立有限元數(shù)值分析模型，其長×寬×深規(guī)格取為6×6×8（m），載荷面網(wǎng)格長×寬取為3×3.33（cm），底面施加Y向約束，前后面分別施加X向和Z向約束。路面各層假定以平面無限大的彈塑性結(jié)構(gòu)層。有限元路面構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)模型具體如圖2所示。

圖2 有限元路面構(gòu)造網(wǎng)絡(luò)圖

圖3 分析路徑

二、瀝青路面塑性基礎(chǔ)鋪層應(yīng)力影響數(shù)值分析

（一）塑性基礎(chǔ)鋪層對面層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)影響

塑性材料模量的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)取值可以在700MPa～1100MPa間選擇，這里先選擇1000MPa實(shí)施模擬分析。分別分析3條路徑上路面彎沉、垂向剪力和底層拉應(yīng)力狀。3條路徑分別是矩形載荷邊角，矩形載荷邊緣中心及矩形載荷中心，分析路徑具體如圖3所示。

兩種基層路面載荷中心部位的路面彎沉值揭示，比較剛性基礎(chǔ)鋪層路面，塑性基礎(chǔ)鋪層路面的各構(gòu)造層彎沉值存在4%～5%的加增量。

與剛性基礎(chǔ)鋪層瀝青路面相比較，塑性基礎(chǔ)鋪層路面在中鋪層及上鋪層的垂向剪力相對有所加增，與剛性基礎(chǔ)鋪層瀝青路面相比較，塑性基礎(chǔ)鋪層路面在下鋪層中的垂向剪力呈明顯降低，降低幅度約11%，有利于改進(jìn)完善下鋪層的受力狀態(tài)。

（二）塑性基礎(chǔ)鋪層模量差異對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)的影響

基于1100MPa、1000MPa、900MPa、800MPa和700MPa模量分別計(jì)算塑性基礎(chǔ)鋪層的垂向剪力、底層拉應(yīng)力和路面彎沉。隨著模量的加增，塑性基礎(chǔ)鋪層路面的彎沉呈逐漸降低，但至始至終大于瀝青相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面的路面彎沉值。對于塑性基礎(chǔ)鋪層路面的底層拉應(yīng)力來說，模量差異的影響并不明顯。底層拉應(yīng)力隨著層位加深，對應(yīng)呈現(xiàn)梯次減小態(tài)勢；隨模量的加增，底層拉應(yīng)力自中鋪層起略有對應(yīng)加增，并且瀝青相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面的底層拉應(yīng)力大于塑性基礎(chǔ)鋪層路面的底層拉應(yīng)力，影響多集中于塑性基礎(chǔ)鋪層、下鋪層及上鋪層。

在上鋪層及中鋪層中，塑性基礎(chǔ)鋪層瀝青路面的剪力始終高于瀝青相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面對應(yīng)部位的剪力；而塑性基礎(chǔ)鋪層路面的剪力，在下鋪層和以下層次中，均低于瀝青相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面對應(yīng)部位的剪力，這意味塑性基礎(chǔ)鋪層可將剪力良好的分配給不同結(jié)構(gòu)層，使瀝青路面的應(yīng)力狀態(tài)相對更為合理。

（三）塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值差異對路面構(gòu)造受力狀態(tài)的影響

在路面構(gòu)造中，考慮相對剛性材料的優(yōu)點(diǎn)，保留適當(dāng)厚度值的相對剛性材料構(gòu)造層，加鋪塑性基礎(chǔ)鋪層，令其既有的相對剛性部位下移，不再集中一體承重，以輔助層的功能參與路面構(gòu)造的受力。這種構(gòu)造可充分發(fā)揮相對剛性基礎(chǔ)鋪層及塑性基礎(chǔ)鋪層的優(yōu)點(diǎn)，使路面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)一步優(yōu)化?？紤]相對剛性鋪筑層的加入可極大地改進(jìn)完善路面構(gòu)造的受力狀態(tài)，所以瀝青面層厚度值可適當(dāng)?shù)慕档?。故于研究中，只設(shè)置兩層瀝青面層，相對剛性層取以一定厚度值，對塑性基礎(chǔ)鋪層給予厚度值特定變更，觀察塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值差異對構(gòu)造層應(yīng)力狀態(tài)的影響。分別取值塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值是20cm、15cm、10cm及6cm，厚度值差異對路面彎沉的影響。路面彎沉隨塑性基礎(chǔ)鋪層的厚度值加增，對應(yīng)呈線性梯次減小，其路面彎沉值相對于只設(shè)置了相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面小許多。故于相對剛性鋪筑層上設(shè)置塑性基礎(chǔ)鋪層可明顯降低路面彎沉。

底層拉應(yīng)力隨塑性基礎(chǔ)鋪層的厚度值加增，呈現(xiàn)梯次減小的態(tài)勢，但差異不大；同只設(shè)相對剛性基礎(chǔ)鋪層或者只設(shè)塑性基礎(chǔ)鋪層的瀝青路面相較，其上鋪層的底層拉應(yīng)力，低于只設(shè)置塑性基礎(chǔ)鋪層路面，高于只設(shè)置相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面，在塑性基礎(chǔ)鋪層及中鋪層，底層拉應(yīng)力均低于只設(shè)置相對剛性基礎(chǔ)鋪層路面相應(yīng)層的底層拉應(yīng)力。

厚度值差異條件下，在中鋪層和上鋪層中，剪力差異不大。剪力最小的情況發(fā)生于只設(shè)置相對剛性基礎(chǔ)鋪層，剪力最大的情況發(fā)生于只設(shè)置塑性基礎(chǔ)鋪層；隨塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值差異，剪力在相對剛性及塑性基礎(chǔ)鋪層內(nèi)呈現(xiàn)差異較大。構(gòu)造層中的剪力隨塑性基礎(chǔ)鋪層的厚度值加增對應(yīng)呈現(xiàn)梯次減小的態(tài)勢；在塑性基礎(chǔ)鋪層內(nèi)部，當(dāng)塑性基礎(chǔ)鋪層取以較薄厚度值時(shí)，其垂向剪力相對較大。

三、結(jié)語

等厚度值條件下，塑性基礎(chǔ)鋪層出現(xiàn)的路面彎沉大于相對剛性基礎(chǔ)鋪層的路面彎沉，增加幅度約4%；設(shè)置塑性基礎(chǔ)鋪層對改進(jìn)完善路面構(gòu)造層中的剪力擁有明顯效果。在中鋪層及上鋪層中，與剛性基礎(chǔ)鋪層相比較，塑性基礎(chǔ)鋪層路面出現(xiàn)的剪力大，而于下鋪層及基層中的情況恰好正相反。

相對剛性鋪筑層再設(shè)塑性基礎(chǔ)鋪層時(shí)，塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值差異對塑性基礎(chǔ)鋪層及相對剛性鋪筑層中的剪力相關(guān)性明顯，對上鋪層及中鋪層中的剪力有不明顯影響。加增塑性基礎(chǔ)鋪層厚度值可明顯下降相對剛性及塑性基礎(chǔ)鋪層的剪力。如果塑性基礎(chǔ)鋪層相對較薄條件下，其影響效果即變得不明顯，實(shí)際運(yùn)用中不宜選用較薄的塑性基礎(chǔ)鋪層。