大粒径沥青混合料在旧路补强中的有限元分析＊

李彩霞 张争奇

（陕西交通职业技术学院公路工程系1） 西安 710018）（长安大学公路学院2） 西安 710064）

0 引 言

随着对大粒径沥青碎石混合料（large stone asphalt mixture，LSAM）作为新路柔性基层研究的不断深入，对其进一步作为老路补强层的研究也在不断完善.王松根等［1］通过研究提出设计合理的LSAM 是解决重载交通下车辙问题最经济有效的途径之一.近年来，国内一些省份在旧路改造中采用LSAM 柔性基层补强，将其直接铺筑在旧沥青路面上，一方面作为补强层，另一方面作为应力吸收层及老路的排水层，取得了较好的效果［2］.但是，将LSAM 作为重载道路补强层方面的研究较少.针对用其作为道路补强层时的位置和厚度难以确定的问题，本文建立分析模型，利用有限元程序ABAQUS计算分析，为相关工程提供参考依据.

1 LSAM 补强层的有限元分析模型

1.1 模型的建立

运营阶段的道路实际承受的轴载远远大于设计时的标准轴载，基于此，文中主要分析重载作用下LSAM 补强层的合理层厚，采用重载道路中有代表性的轴载220kN 作为研究参数，将其与标准轴载100kN 进行轴载换算，见表1.

表1 轴载计算参数表

结合国内典型的沥青路面结构确定了有限元分析所用路面结构，见表2.

表2 有限元分析采用的沥青路面结构及材料参数

根据道路结构层次划分模型、荷载作用区域及边界约束模型见图1～2.

1.2 各结构层材料参数取值原则

图1 道路结构划分模型

图2 荷载作用区域及边界约束模型

查阅大量工程实例资料，在半刚性基层沥青路面养护施工时，LSAM 主要是用来处治上基层的材料，最常用的是LSAM-25及LSAM-302种类型［3］.本文以LSAM-25作为研究材料.各层材料在计算时的取值原则为：考虑施工中防止离析，LSAM 最小厚度不宜过薄，根据避免离析的要求，最小厚度宜为最大粒径的2.5倍，最大公称粒径的3倍，因此，LSAM-25最小厚度宜大于7.5cm.有限元计算结构中关于LSAM 厚度的最小取值为8cm，其他各层在计算时取推荐厚度的中值.各层材料的抗压回弹模量等参数取值按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）推荐范围确定，见表3.

表3 直接加铺时的材料参数取值表

2 LSAM 补强层合理层位和厚度的确定

根据国内外关于LSAM 补强层的研究资料，本文总结的典型结构组合见表4.组合中包含了3种典型情况：直接加铺在旧路面上；铣刨至基层顶加铺；铣刨至路基顶加铺（类似新建）［4-10］.

表4 LSAM 补强层典型结构组合

2.1 直接加铺时LSAM 层合理厚度

取表4中的第一种结构组合，利用表3中直接加铺时的典型结构及各层材料参数取值.面层SMA-13及AC-20厚度不变，考虑到LSAM 补强层的经济性，参考国内外补强层的厚度范围，计算中通过改变LSAM 层的厚度（分别取8，10，12，15，18，20，22cm），利用ABAQUS分析确定直接加铺时补强层合理厚度，总共计算7次.

每种组合下各结构层类型、厚度及其相对应的材料模量E与泊松比μ等参数代入有限计算程序，分析重载作用对补强层厚度的力学响应.将各种组合下LSAM 层底的主应力及水平方向的应力的计算结果汇总见表5.

表5 直接加铺时LSAM 层底应力

计算结果表明，以上7 种组合中，补强层LSAM 层底的应力均为压应力，可以充分发挥该层材料的抗疲劳性能.将不同厚度的LSAM 层底的应力绘制为如图3所示的厚度-应力变化曲线图.通过分析对比，LSAM 层厚度变化范围在8～15cm时，补强层底的应力下降比较明显，大于15cm之后，应力值下降趋于缓和，且降低幅度较小，由图可以看出，15cm 是拐点.因此，将15cm作为直接加铺时推荐的最大厚度.

图3 直接加铺时LSAM 层底应力变化曲线图

2.2 铣刨至基层加铺

当旧路破损严重，面层产生严重的结构性病害、但基层强度满足要求时，需要将旧路开挖至基层进行补强养护.下面讨论随着LSAM 厚度变化，在重载作用下，补强层层底拉应力的变化，进一步确定铣刨至基层的情况下LSAM 层的合理厚度.采用表4中的第二种典型结构，路面结构层次及各层材料参数取值见表6.

表6 铣刨至基层加铺材料参数取值表

将上述参数代入有限计算程序，将LSAM 层底的主应力及水平方向的应力计算结果汇总见表7.

表7 铣刨至基层加铺时LSAM 层底应力

上述计算结果应力值均为负，说明LSAM 层混合料均处于受压状态，说明旧路铣刨至基层加铺时，选取LSAM 混合料同样可以较好地发挥其抗疲劳性能.由不同厚度对应的应力值，绘制出铣刨加铺时LSAM 层底应力曲线，见图4.

图4 铣刨加铺时LSAM 层底应力变化曲线图

由图4可以看出，铣刨加铺时，8～12cm 之间，应力下降幅度大于12～22cm，12cm 为其拐点.当LSAM 补强层厚度大于12cm 时，其层底应力仍有下降趋势，但幅度明显较小.因此，从经济、技术等方面综合考虑，当旧路铣刨至基层加铺时，推荐LSAM 加铺层的厚度为12cm.

最后，将不同加铺形式下LSAM 层底的应力曲线绘制一起，见图5.由图可得，两种情况下，应力的下降趋势基本相似，这就说明LSAM 同样适宜于旧路铣刨至基层进行加铺的情况.LSAM 的加入对于减少病害对加铺结构的影响有显著作用，但更适宜直接加铺在旧沥青路面上.

图5 不同加铺形式下LSAM 层底应力变化曲线图

当旧路需要铣刨至路基顶进行加铺时，该类情况类似道路新建，LSAM 层的厚度可以按照新建道路的要求确定.最后，对于重载道路，当采用LSAM-30类型时，按照避免离析的最小厚度2.5～3 倍公称最大粒径的要求，其厚度值应该在LSAM-25的基础上增加2～3cm.

3 结束语

根据旧路加铺典型结构初拟结构组合库，建立分析模型，利用ABAQUS有限元软件计算确定了在旧路直接进行加铺及旧路铣刨至基层进行加铺时LSAM 层的合理厚度.利用ABAQUS有限元软件计算确定补强层厚度变化对受拉不利层的最大主拉应力及主要受拉方向应力S11的影响.结论为：在旧路直接进行加铺时，LSAM 层的最大厚度为15cm；旧路铣刨至基层进行加铺时，其最大厚度为12cm.当旧路需要铣刨至路基顶进行加铺时，该类情况类似道路新建，LSAM 层的厚度可以按照新建道路的要求确定.

［1］王松根，房建果.大碎石沥青混合料柔性基层在路面补强中的应用研究［J］.中国公路学报，2004，17（3）：55-58.

［2］严二虎，沈金安.半刚性基层与沥青层之间界面条件对结构性能的影响［J］.公路交通科技，2004（1）：71-73.

［3］山东省交通厅公路局.大粒径沥青混合料柔性基层在老路补强中的应用研究［R］.济南：山东省交通厅公路局，2004.

［4］程祥俊.大粒径柔性基层与半刚性沥青混凝土路面的力学性能分析［D］.合肥：合肥工业大学，2010.

［5］《公路沥青路面设计规范》编写组.公路沥青路面设计规范.释义手册［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］California Department of Transportation.Flexible pavement rehabilitation manual［R］.USA：California，2001.

［7］江苏省交通科学研究院.大粒径沥青混合料（LSAM）的研究与应用［R］.南京：江苏省交通科学研究院，2002.

［8］钱国平.重载条件下沥青路面结构复杂受力特征及力学响应研究［D］.上海：同济大学，2004.

［9］DAVIES R M，SORENSON J.Pavement preservation：Preserving our investment in highways［J］.Public Roads，2000，65（2）：144-150.

［10］黄文元.高等级公路重载交通沥青路面设计的研究［D］.北京：交通部公路科研所，2000.