大厚度基層力學性能分析研究

黃 歡， 高 攀， 張澤川

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層采用水泥穩(wěn)定類材料，通過分層鋪筑或一次鋪筑碾壓成型，厚度通常在30～36 cm之間[1]。

當水泥穩(wěn)定碎石基層的厚度超過30 cm時，鋪筑機械對其成型影響較大，實際工程一般分層鋪筑[2]。分層鋪筑的施工技術(shù)與基層整體受力的設(shè)計理念相違背，受力狀況由整體變?yōu)閮杀邮芰?，層間黏結(jié)部位產(chǎn)生了嚴重的應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低了路面的使用性能和使用壽命[3,4]。隨著超寬幅攤鋪機和大噸位振動壓路機在實際施工中的使用，大厚度施工技術(shù)成為可能[5]。與基層分層施工工藝相比，大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層整體施工工藝的路用性能明顯提高。依據(jù)瀝青路面設(shè)計方法，本文以路表彎沉、基層底面拉應(yīng)力、面層底面和基層底面的最大主應(yīng)力、面層底面最大剪應(yīng)力等為指標，對分層施工工藝和大厚度工藝進行力學響應(yīng)分析，為瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計提供參考[6]。

1 力學分析模型及設(shè)計參數(shù)

1.1 力學模型

采用彈性層狀體系理論對瀝青路面進行設(shè)計。依據(jù)《規(guī)范》[7]，以無機結(jié)合料穩(wěn)定類作為基層類型，以水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力及瀝青混合料層永久變形量作為設(shè)計指標。

利用ABAQUS分別建立適合的路面結(jié)構(gòu)三維模型,如圖1所示，定義標準軸載BZZ-100為車輛荷載，輪胎接地壓力為0.7 MPa。在建模計算時進行簡化，單輪接觸面為矩形，尺寸為0.8712L×0.6L，L=260 mm，接觸面積為0.228 m×0.157 m。

圖1 有限元模型

本文在計算模型中設(shè)置一個接觸面，位于上基層和下基層之間，用于模擬分層攤鋪時上下基層之間的接觸。通過定義接觸面，創(chuàng)建接觸屬性并將接觸屬性賦予接觸對來模擬層間接觸。層間接觸面的相互作用分為沿接觸面法向和切向兩種相互作用。模型中以庫侖摩擦模型模擬接觸面間的切向相互作用，以摩擦因素μ模擬摩擦行為。

1.2 設(shè)計參數(shù)

考慮整層全厚度施工、分層施工兩種工藝，本章對兩種工況的大厚度水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面進行分析模擬。

工況一為36cm大厚度基層，采用上基層、下基層分層施工。上、下基層的厚度組合分三種：上基層18cm+下基層18 cm，上基層20 cm+下基層16 cm，上基層16cm+下基層20 cm?？紤]層間接觸，μ取0.5。

工況二為大厚度基層大厚度施工工藝，并分別采用了36 cm、34 cm、30 cm、26cm四個厚度進行對比。荷載考慮正常荷載與重載情況。

瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)

利用有限元軟件ABAQUS建立三維模型，對兩種工況的基層瀝青路面性能進行分析模擬。對分層施工工藝和大厚度工藝進行力學響應(yīng)分析，以路表彎沉值大小、基層底面拉應(yīng)力、面層底面和基層底面的最大主應(yīng)力、面層底面最大剪應(yīng)力為評價指標。

2 標準軸載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

2.1 工況一(分層施工)

分析在標準軸載作用下工況一的模型力學響應(yīng)。計算結(jié)果見表2。

表2 標準軸載作用下分層式瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

當基層采用分層施工時，上、下基層厚度組合不同時，路表彎沉、基層底面拉應(yīng)力等指標不同。采用16 cm+20 cm的組合方式，路表彎沉值最小，基層底面拉應(yīng)力相差不大。18 cm+18 cm結(jié)構(gòu)在標準軸載下的云圖如圖2所示。

圖2 18 cm+18 cm結(jié)構(gòu)在標準軸載下的云圖

2.2 工況二(全厚度整層施工)

原水泥穩(wěn)定碎石基層施工時因攤鋪機械、壓路機的性能限制，整層攤鋪時不能滿足施工要求，實際施工中的分層施工工藝無法滿足要求。隨著大噸位振動壓路機和超寬幅攤鋪機在施工過程中的使用，大厚度施工技術(shù)成為可能。利用有限元軟件ABAQUS建立計算模型，模擬分析在標準軸載作用下大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學性能(均采用CTB)。計算結(jié)果見表3。

表3 標準軸載作用下大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

由表3可知，當面層及底基層結(jié)構(gòu)相同時，基層厚度增大，路表彎沉減小，基層底面拉應(yīng)力也減小，有利于路面結(jié)構(gòu)的受力。

大厚度路面結(jié)構(gòu)(36 cm)在標準軸載下的云圖如圖3所示。

圖3 大厚度路面結(jié)構(gòu)(36cm)在標準軸載下的云圖

2.3 兩種路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)對比分析

詳見表4。

表4 標準軸載作用下分層式與大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

由表4可知，在相同的路面結(jié)構(gòu)中，在標準軸載作用下，采用大厚度基層施工工藝的路面結(jié)構(gòu)的力學性能明顯優(yōu)于采用分層施工的路面。采用同樣的基層厚度，整層施工時，路表彎沉減小14.3%，基層底面拉應(yīng)力減小7.9%。整層施工時，基層厚度為30cm與分層施工36cm在基層底面拉應(yīng)力指標是相同的，即整層施工可減小基層的設(shè)計厚度。

3 重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)分析

在有限元數(shù)值模擬過程中，以標準軸載BZZ-100的1.5倍作為路面車輛荷載超載工況，輪胎接地壓力為1.05 MPa，分別建立有限元模型，分析兩種工況下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)。

3.1 工況一(分層施工)

采用分層攤鋪施工工藝時，建立有限元計算模型，分析重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學性能，計算結(jié)果見表5。

表5 重載作用下分層式瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

由表5可知，重載交通作用下，路面結(jié)構(gòu)的基層底面拉應(yīng)力增大明顯，增大42%，路表彎沉值增大65%。

3.2 工況二(全厚度整層施工)

采用大厚度施工工藝時，建立有限元模型，分析重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學性能(均采用CTB)。計算結(jié)果見表6。

表6 重載作用下大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

由表6可知，在面層及基層結(jié)構(gòu)相同時，基層厚度的降低將使瀝青路面結(jié)構(gòu)在受到荷載時，可以采用增加基層厚度有效減少路表彎沉，從而降低面層的應(yīng)力。

3.3 兩種路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)對比分析

見表7。

表7 重載作用下分層式與大厚度瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)

由表7可知，在相同的路面結(jié)構(gòu)中，在重載作用下，采用大厚度施工工藝的路面結(jié)構(gòu)的路面的力學性能方面也優(yōu)于采用分層攤鋪碾壓的路面。大厚度施工的路表彎沉減小11.4%，基層底面拉應(yīng)力減小13.0%。

4 結(jié) 論

(1)本文主要分析瀝青路面結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石基層在使用有限元軟件不同的攤鋪工藝情況下，不同路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)。利用ABAQUS建模，分別分析了在標準軸載、重載作用下，路面基層結(jié)構(gòu)采用分層攤鋪和大厚度攤鋪施工工藝的力學響應(yīng)。

(2)在標準軸載作用下，采用大厚度基層施工工藝的路面結(jié)構(gòu)的力學性能明顯優(yōu)于采用分層施工的路面。采用同樣的基層厚度，整層施工時，路表彎沉減小14.3%，基層底面拉應(yīng)力減小7.3%。

(3)在標準軸載作用下，整層施工時，基層厚度為30 cm與分層施工36 cm在基層底面拉應(yīng)力指標是相同的，即整層施工可減小基層的設(shè)計厚度。

(4)在重載作用下，采用大厚度施工工藝的路面結(jié)構(gòu)的路面的力學性能方面也優(yōu)于采用分層攤鋪碾壓的路面。大厚度施工的路表彎沉減小11.4%，基層底面拉應(yīng)力減小13.0%。