沥青封层对水泥路面振动性能的影响

毛德均，赵朝华，谷建义

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074)

0 引言

我国高等级公路主要采用沥青路面和水泥混凝土路面两种路面结构形式。和沥青路面相比，水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、耐久性好、有利于夜间行车、施工简便等优点;也具有平整度相对低，光、热反射能力高导致司机眩光疲劳等缺点［1］，这些缺点影响了水泥路面的行车舒适性。

封层一般是为封闭表面空隙、防止水分侵入而在路面面层或基层上铺筑的有一定厚度的乳化沥青混合料薄层。铺筑在路面面层表面的称为上封层，铺筑在路面面层下面、基层表面的称为下封层。沥青上封层可以作为一种道路预防性养护技术措施，用于沥青路面和水泥混凝土路面日常的养护与路面改造［2-3］。该技术具有良好的防水、抗滑、耐磨和填充作用，可显著改善路面的使用性能，延长路面使用寿命［4-6］沥青下封层可以改善基层与面层间应力传递状况从而达到改善面层的受力性能的目的。其作用主要在于层间粘结，以达到既保证基层防水、抗冲刷，又适度降低面板与基层的摩擦;减小混凝土板拉应力，起到一定应力吸收或应力缓解的作用。有关研究表明，下封层可以作为一种防治沥青加铺层反射裂缝的有效措施［7］。

沥青封层的应用以往一般在沥青路面中较多，近年来使用范围亦逐步扩展到水泥路面，如在广东梅河高速公路路面工程的施工实践当中就在其水泥路面上铺设了1 cm左右厚度的沥青封层。众所周知，水泥路面行车舒适性通常比沥青路面差，特别是水泥路面在使用一定年限后发生各种病害后更是如此。因此在水泥路面上加铺一层沥青上封层，降低车辆行驶时对水泥路面的感应刚度，对于降噪和减少司机长时间驾驶的眩光疲劳，从而提高水泥路面的路用性能和车辆行驶的舒适性有积极作用。沥青上封层还可以对路面病害进行处治，从而延长路面使用寿命。

笔者结合有限元分析软件ANSYS建立三维有限元模型，将动荷载分别作用于普通水泥混凝土路面结构和加铺了一层厚度不等的乳化沥青上封层的水泥混凝土路面结构，计算分析沥青封层及其厚度变化对水泥路面在动载作用下振动性能的影响。

1 有限元模型的建立

1.1 主要计算参数的设定

在建立路面结构三维有限元模型之前，首先确定路面材料的参数及各结构层厚度。结合本次研究的重点也为了便于分析，将传统水泥路面结构作一定简化。路面的各基层简化为一层地基承载板，从而将加铺了乳化沥青封层的普通水泥混凝土路面简化为3层结构，路面结构示意如图1。

图1 路面结构示意Fig.1 Conventional diagram of road structure

路面结构各层材料参数的取值参考水泥路面和沥青路面的相关规范，对于封层的厚度，参考公路沥青路面养护技术规范规定。在此为验证不同厚度封层对水泥路面受力性能的影响有何异同，特取封层厚度值分别为 0，0.5，1.0，1.5，2.0 cm。每层材料的详细参数见表1。

表1 路面结构层材料参数Table 1 Material parameters of road structure layer

1.2 计算模型的设定

对沥青上封层和水泥路面面层用solid45单元模拟，路面的基层采用solid92单元模拟。有限元分析单元划分越精细，计算结果精度越高;同时计算量会成倍增长，对计算机的要求越高，需要的计算时间也越多。兼顾计算精度和计算的方便性，对沥青封层和面层的solid45单元采用自定义六面体网格划分，对地基的solid92单元都采用计算机自由网格划分。

为更好地符合实际并便于分析，取模型的平面尺寸为3.5 m×5.0 m，三维有限元模型的建立遵循以下基本假设:

1)各层皆为均质、连续、各向同性的连续弹性体。层间接触为完全连续;

2)地基底面完全约束，而四周则对法向位移进行约束。这种假设与弹性层状体系无限远处位移为零相比，结果的精度会降低，但与实际受力变形状态较为符合，对路面结构应力分析的影响较小，可以满足计算精度;

3)不计路面结构的自重影响。

1.3 荷载参数的设定

道路计算采用的车轮荷载通常为标准轴载BZZ-100，单轴双轮组合的每个轴上有4个车轮，单个车轮分配的轴重为25 kN，与路面的接触面可近似理想化为20.0 cm×20.0 cm的正方形。本次研究冲击动荷载的大小取值为25 kN，为单个轮胎分配的轴载。车辆在水泥路面上行驶，在车辆及路面的因素(如汽车发动机的振动，路面不平顺如接缝、裂缝、坑槽等)共同作用而发生振动，这种振动一方面影响了行车的舒适性，另一方面产生对路面的的振动冲击荷载。通常情况下车辆在道路上行驶发生振动时轮胎对路面的冲击荷载为一正弦曲线荷载，为了便于模型加载，将其简化为一斜坡荷载(如图2)，荷载作用时间为0.025 s，瞬态分析荷载子步数取8。

图2 荷载作用Fig.2 Loading pattern

计算结果考察的主要内容是振动冲击动荷载作用下路面结构应力分布情况，加载点下对应面层底部位置的等效应力、剪应力Syz和竖向位移随荷载子步的变化情况。

2 有限元计算结果分析

2.1 变形分析

在设定的冲击动荷载作用下，加不同厚度沥青上封层的各种路面结构的面层底部竖向位移随时间变化曲线如图3。

图3 面层底部竖向位移随荷载子步变化曲线Fig.3 Vertical displacement curve of the surface bottom with load substep

由图3可见各条曲线基本重合，说明沥青封层对改善水泥路面变形效用不明显。分析原因有两点:

1)从材质上看，封层沥青混合料弹模比水泥混凝土小、而泊松比则比其大，弹模和泊松比是反应材料变形性能的重要指标;

2)沥青封层的厚度通常也比较薄，工程实际中，封层厚度通常为1 cm左右，一般不超过1.5 cm，即便是达到2 cm，也不到水泥面板厚度的1/10。

以上两方面原因综合决定封层刚度要比水泥面层小得多，而刚度是抗变形的重要指标，由此决定了沥青上封层对水泥面板的抗变形性能影响甚微。

2.2 应力分析

2.2.1 应力云图分析

对比图4(a)、(b)可以发现，在振动冲击荷载作用下，在同一时间节点上，没有沥青封层的水泥路面结构其荷载效应在路表的影响范围明显比有沥青封层的大，尤其在路面的横向上较为明显。由此可知，即便设置较薄的沥青封层都可以很好地抑制荷载作用效应在路表的扩散。

但由图4(b)、(c)可看出，沥青封层厚度的改变对应力云图分布影响不大，2 cm厚的应力云图和0.5 cm厚的应力云图相差不大。笔者认为，沥青封层是一层柔性层，水泥面层是刚性层，沥青封层的加铺可以有效降低车辆行驶时对水泥路面的感应刚度，从而减小振动冲击荷载作用效应的扩散;但由于封层和水泥面层的刚度的相对悬殊又使得封层厚度的增加并不能让这一功效有较大的提升。因此对旧水泥路面破损的处治，加铺一层厚度较薄的沥青封层是可选的措施，可有效提高路面的路用性能。

2.2.2 面层底部等效应力、剪应力Syz分析

由图5可知，在振动冲击荷载作用的整个过程中，面层底部的等效应力变化曲线为典型的S型曲线。前期应力增长速率快，后期增幅小并趋于平缓。层底峰值等效应力出现在第7荷载子步上，不是在荷载峰值处出现。且加铺沥青封层后，层底等效应力值有所减小，但减小幅度不大。

图4 等效应力应力云图Fig.4 Stress nephogram of Von Mises stress

图5 面层底部等效应力随荷载子步变化曲线Fig.5 Von Mises stress curve of surface bottom with load substep

由表2知，加铺0.5 cm厚沥青封层后层底峰值等效应力由 0.186 7 MPa 降至 0.185 9 MPa，降幅约约为 0.4%。当封层厚度增加至 1.0，1.5 和 2.0 cm时，其降幅分别约为2%，3%和5%。

表2 面层底部峰值等效应力值Table 2 Maxmium Von Mises stress of the surface bottom /MPa

由图6可知，面层底部剪应力Syz的变化趋势和等效应力相似，不过，沥青封层对层底抗剪的影响要比对等效应力影响稍加明显。

图6 面层底部剪应力Syz随荷载子步变化曲线Fig.6 Shear Syzcurve of the surface bottom with load substep

由表3数据知，加铺0.5 cm沥青封层后面层底部峰值剪应力Syz值降幅约为1%，当封层厚度为1.0，1.5 和 2.0 cm 时，降幅分别约为 4%，8.5% 和14.5%。

表3 面层底部峰值剪应力值SyzTable 3 Maxmium chear stress Syzof the surface bottom /MPa

对层底等效应力和剪应力Syz计算数据的分析表明，沥青上封层能在一定限度上改善水泥路面面层底部应力状况。且随着封层厚度的增加，正应力和剪应力值都有所降低，厚度变化初期降幅小，后期降幅增大。这种改善对正应力来说不明显，而对剪应力则要稍明显些。考虑到在工程实际中，沥青封层厚度多为1.0 cm左右，一般不超过1.5 cm。因此，综合来看，可以说无论对于正应力还是剪应力，沥青上封层对改善水泥路面在振动冲击荷载作用下的受力作用不明显。

3 结语

笔者结合有限元计算，分析了不同厚度的沥青上封层对水泥路面车辆振动响应的影响，得到以下结论:

1)在水泥路面上加铺薄层沥青上封层可以有效降低车辆行驶对水泥路面的感应刚度，即便是一层0.5 cm厚的沥青封层，其对抑制振动冲击荷载作用效应在路表的扩散有明显效果，特别是道路的横向上。因此对普通水泥路面，建议对水泥路面的裂缝特别是横向裂缝进行及时有效的处治，避免路面进一步破坏，加铺薄层沥青上封层是可选的措施。

2)薄层沥青上封层对改善水泥路面在振动冲击荷载作用下的变形及受力性能有一定作用，但不明显。水泥路面加铺沥青上封层的作用主要还是起到抗滑、增强防水性、提高平整度等作用从而提高路面的路用性能和提高车辆行驶的舒适性。

3)在车辆振动冲击荷载的作用下，随着封层厚度的增加，正应力和剪应力值都有所降低，厚度变化初期降幅小，后期降幅增大。在工程实践中，应综合考虑设计中涉及到的各种因素来确定封层厚度。

［1］ 邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2005.

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