沥青混凝土路面加铺层结构力学分析

耿 皓,王 臣,崔海弘

(哈尔滨商业大学,哈尔滨 150028)

沥青混凝土路面具有行车平稳、舒适、噪声低维修养护方便、可以再生利用等优点,在各类公路和城市道路中得以广泛应用.随着交通量的不断增加和轴载的逐渐加重,路面结构的损坏也日益加剧,许多沥青路面在通车不久就产生不同程度的损坏[1].另外,当温度变化时在路面结构层中产生温度应力,当温度应力超过路面结构材料的抗拉强度时或温度应力反复作用时,也会导致路面结构层的破坏.随着路龄的增长路面逐渐产生各种破坏,最终需要作某些处理.当沥青路面结构承载力不能满足行车荷载的要求或表面损坏严重,采用一般养护技术措施在经济上不合理时,对沥青路面进行加铺改建可恢复其结构承载力.为此,本文依托 2008年哈大(哈尔滨—大庆)高速公路加铺改造工程项目,采用有限元理论,对沥青混凝土加铺层在荷载、温度应力作用下的受力情况进行了力学分析和比较,以掌握沥青路面交通荷载、环境因素(温度变化)、材料参数以及设置防反射裂缝措施后对旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构的影响规律,为确定经济、合理的路面结构加铺方案提供理论依据.

1 有限元模型的建立

为深入分析沥青加铺层结构中的荷载应力和温度应力,采用三维有限元法对设置及未设置防反射裂缝层的加铺层结构进行对比分析.各实体模型如图1所示.模型 1为直接加铺沥青路面结构;模型 2为设置防反射裂缝措施(如 STRATA应力吸收层)后加铺结构;模型 3为旧混凝土面板破碎后新建沥青路面[2].视路面结构为弹性层状体系,由于层间铺洒粘层油,因此假定各层完全连续接触,将破碎混凝土面板视为新建沥青面层的半刚性基层.各层材料参数如表1所示.交通荷载为标准轴载 BZZ-100,轮胎内压 0.7 MPa,单个轮压作用范围 18.9 cm×18.9 cm,双轮间距 32 cm,两侧轮隙间距为 182 cm[3].

图1 三维实体模型

表1 各层材料参数

2 车辆荷载作用下沥青加铺层力学分析

2.1 沥青混凝土厚度对加铺层受力的影响

沥青混凝土加铺层的厚度与反射裂缝的扩展速度有很大的关系,加铺层越厚,其防止或延缓反射裂缝的效果就越好,裂缝扩展到路表面的时间也就越长,但加铺层也不可能无限度地增厚,一是因为经济上不可行,二是加铺层过厚易产生车辙,影响路面的使用性能[4].随着加铺层厚度的增加,加铺层层底的正应力随加铺层厚度的增加而减小,剪应力随加铺层厚度的增加先增加后减小,在 7 cm附近剪应力达到最大值,从加铺层受力状况来看,在行车荷载作用下,加铺层处于三向受压状态,可能产生压密变形.表2是加铺层层底应力随厚度的变化参数值.2.1

表2 加铺层层底应力随厚度变化

2.2 裂缝的发育情况对加铺层受力的影响

沥青路面的裂缝形式是多种多样的,裂缝的发育程度也各不相同.裂缝的贯穿程度、裂缝的宽度等都可能对加铺层的受力产生一定程度的影响[5].具体参数如表3所示.

表3 裂缝的贯穿程度对加铺层受力的影响

由图2层底应力随裂缝宽度变化可以看出,随着裂缝贯穿程度的不断加重,加铺层层底的剪应力值明显增大,当裂缝贯穿面层、基层和底基层时,剪应力的值比无裂缝时的值提高 1.5倍以上,这对加铺层的受力极其不利,在这种情况下加铺层可能因为剪切而很快产生破坏.在 1 cm的范围内,裂缝的宽度对加铺层层底应力影响不大,从图2可以看出当裂缝由 0.1 cm增加到 1 cm时,加铺层内应力有小范围的减小.但是当裂缝从无到有变化时(对应于图2中裂缝宽度由0～0.1 cm)加铺层层底应力有一个突变,这也是加铺层在裂缝处产生应力集中的体现.由此可以看出,原路面带裂缝的情况下加铺层的应力明显不利于原路面无裂缝的情况,而裂缝宽度较小时可能对加铺层的受力更为不利[6].

2.3 超载作用下加铺层内的受力情况

轮载经由轮胎传给路面,轮胎与路面接触面上的平均竖向压力受轮胎的内压力、轮胎的类型、轮载的大小等因素的影响:本文取轴重分别为 100、120、160、200、220、260、300 kN进行分析 .见表4

图2 层底应力随裂缝宽度变化

表4 加铺层应力随轴重变化

由表4可以看出,随着轴重的增加,加铺层内的压应力、剪应力都相应增加.而通过图3、4的比较发现,当原路面有裂缝时,这种变化趋势更为显著.当超载量太大时,超载车辆将显著加快加铺层压密变形的产生,在沥青加铺层产生结构性车辙另外,过大的剪应力也会使加铺层产生失稳性车辙和推移等破坏形式[7].

图3 带裂缝层底应力随轴重的变化

图4 无裂缝层底应力随轴重的变化

3 温度荷载应力分析

3.1 温度荷载的选取

路面结构温度场的变化是一个复杂的过程,一般研究忽略了路面结构各层最大温度的后滞效应,而采用简化的指数函数来模拟路面结构温度随深度的变化,这显然与实际状况有些不符[7].因此,本文对温度荷载直接选取温度梯度来分析温度翘曲应力,采用降温幅度来分析温度收缩应力.该方法不仅物理意义清楚明了,而且所选荷载与产生应力呈正比例关系(表5),从而避开了结构层参数与路面结构温度场的交互影响.根据哈大高速公路所处自然区划分,加铺 10 cm沥青层后,25 cm旧水泥混凝土面板最大温度梯度取 20℃/m,降温幅度ΔT=-2℃.另外,在旧水泥混凝土路面沥青加铺层中,沥青混凝土实际属于黏弹性材料,温度场的变化一般仅影响其劲度模量,而对于旧水泥混凝土面板等脆性材料,则容易在温度变化下产生温度翘曲和收缩,继而在沥青层底部产生较大的拉伸和剪切应力[8].因此,本文仅考虑旧水泥混凝土面板温度翘曲和降温收缩.

表5 各计算参数与温度梯度的变化

3.2 温度翘曲应力分析

(6为对旧水泥混凝土路面进行处治、修复或施加防反射裂缝措施前后,在旧混凝土面板产生温度翘曲时,各计算参数的比较结果.

从表6可以看出,处治防反射裂缝后沥青加铺层的结构应力状况有了明显的改善.其中加设STRATA应力吸收层对沥青层最大剪切应力有了较大的降低,但是对沥青层最大拉应力和旧水泥混凝土底部最大拉应力影响不大,而改善接缝传荷与破碎旧混凝土面板对温度翘曲所产生的应力影响均较为明显.

表6 处治防反射裂缝后沥青加铺层结构各计算参数(温度翘曲)

3.3 温度收缩应力分析

表7为对旧水泥混凝土路面进行处治、修复或施加防反射裂缝措施前后,在旧混凝土面板产生温度收缩时,各计算参数的比较结果.

表7 处治防反射裂缝后沥青加铺层结构各计算参数(温度收缩)

从表7可以看出,处治防反射裂缝后沥青加铺层的结构应力状况有了明显的改善.其中加设STRATA应力吸收层对沥青层最大拉应力影响较明显,但是对沥青层剪切应力和旧混凝土板底部最大拉应力影响不大.而改善接缝传荷与破碎旧混凝土面板对温度收缩所产生的应力影响均较大.

4 结 语

1)旧沥青混凝土路面上铺筑沥青混凝土加铺层,当原路面带有裂缝时行车荷载作用下会在加铺层内产生很大的应力集中,并且裂缝发展越严重对加铺层内的受力情况越不利.因此在铺筑沥青混凝土加铺层时首先要处理好原路面的裂缝,以减小对加铺层的不利影响.

2)加铺层本身的性质对加铺层内的受力有一定的影响,适当增加厚度,可以减小其内部应力.

3)对旧水泥混凝土路面进行处治修复和施加防反射裂缝措施后加铺沥青层,相对于直接加铺沥青层,结构应力状况有了明显的改善.其中,加设STRATA应力吸收层大幅降低了沥青层底部的最大拉应力和沥青层最大剪应力,而改善接缝传荷与破碎旧混凝土面板对温度翘曲和温度收缩所产生的应力影响均较为明显.

[1] 徐东伟.沥青混凝土路面加铺层力学分析[J].北方交通,2008,14(4):24-26.

[2] 张 鹏.旧水泥混凝土路面黑色罩面反射裂缝的防治[J].长安大学学报:自然科学版,2005,25(3):16-18.

[3] 公路水泥混凝土路面设计规范[S].JTG D40-2002.

[4] AKUBLUT H,ASLANTAS K.Finite element analysis of stress distribution bituminous pavement and failure mechanism[J].Materials and Design,2005,26(4):383-387.

[5] 谈至明,姚祖康.层间约束引起的双层水泥混凝土路面板的温度应力[J].交通运输工程学报,2001,1(1):25-28.

[6] 胡长顺,曹东伟.有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析[J].中国公路学报,1999,12(增刊):1-8.

[7] 陈先华,黄 卫,王建伟,等.浇注式沥青混凝土铺装破坏原因[J].交通运输工程学报,2004,4(4):5-9.

[8] 曾 胜,何宇航.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构力学分析[J].长安大学学报:自然科学版,2008,28(2):19-21.