设置OLSM-25防裂层的沥青路面车辆荷载应力有限元分析

设置OLSM-25防裂层的沥青路面车辆荷载应力有限元分析

(1.陕西交通职业技术学院 公路工程系，陕西 西安 710018；2.长安大学 交通铺面材料教育部工程研究中心，陕西 西安 710064)

摘要：针对刚性基层沥青路面的反射裂缝问题，提出采用OLSM-25(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes, OLSM)作为防裂层的方法，以国内外OLSM参考级配为基础，结合试验段修筑情况，采用三维有限元方法，建立设置OLSM-25防裂层的沥青路面有限元模型，对其车辆荷载应力进行有限元数值分析，提出OLSM-25防裂层荷载应力的实用计算公式，为设置OLSM-25防裂层的沥青路面结构设计提供理论依据.结果表明：在车辆荷载偏载作用下，轴载、贫混凝土基层厚度、沥青面层厚度、OLSM-25防裂层模量及厚度对OLSM-25防裂层的荷载应力具有显著影响.

关键词：道路工程；开级配大粒径沥青碎石；三维有限元；车辆荷载应力；数值分析；防裂层

收稿日期:2015-06-18；

修订日期：2015-07-14

基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金项目(CHD 2010JC011)；陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1067)

作者简介:赵亚兰(1979—)，女，陕西眉县人，陕西交通职业技术学院副教授，硕士，主要从事公路路面结构与材料研究,E-mail: 1204457943@qq.com.

文章编号:1671-6833(2015)05-0088-04

中图分类号：U416.224

文献标志码：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.019

Abstract:In view of the problem of the reflective cracking in the rigid base asphalt pavement, a method of using Open-graded Large Stone asphalt Mixes (OLSM) as the anti-cracking layer is proposed. On the basis of the reference gradation of OLSM in the domestic and international, combined with the test roads construction, by means of three-dimensional finite element method, the finite element model of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer has been established. Finite element numerical analysis on traffic load stress of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer have been done. And practical formula of traffic load stress for OLSM-25 anti-cracking layer has been proposed. All these provide a theoretical basis for structural design of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer. The result show that: under the action of the asymmetric traffic load, axle load, thickness of lean concrete base, thickness of the asphalt surface layer, modulus and thickness of OLSM-25 anti-cracking layer have significant influence on the traffic load stress of OLSM-25 anti-cracking layer.

0引言

沥青路面结构在交通荷载和环境因素作用下会产生荷载应力、温度应力及耦合应力。对于OLSM防裂层而言，当基层存在裂缝且三者应力超过OLSM防裂层容许抗拉强度时，OLSM防裂层将产生裂缝，在三者应力反复作用下裂缝自下而上将逐渐扩展至沥青面层路表，最终导致整个沥青路面结构破坏[1].笔者采用三维有限元法，结合试验路建立设置OLSM-25防裂层的沥青路面结构计算模型与参数，分析轴载以及各结构层的厚度和模量等8个设计参数对OLSM-25防裂层荷载应力的影响规律，提出OLSM-25防裂层的荷载应力计算公式，为设置OLSM-25防裂层的沥青路面结构设计提供理论基础和计算依据.

1有限元计算模型与参数

1.1有限元计算模型

图1为试验段OLSM-25防裂层沥青路面计算模型，其中基础指由路基、底基层等组成的路面综合支承体系.针对该弹性层状体系结构，在符合沥青路面基本假定基础之上，还需做以下几点假定[2-3]：①应力分析时不考虑路面结构重力场；②贫混凝土基层中部1 cm宽度的原始裂缝处无竖向荷载传递能力.基于已有研究对沥青路面结构计算模型的收敛性分析结论，基础扩大尺寸拟定为10.50 m×9.00 m×16.00 m.

在分析交通荷载作用下荷载应力时，采用标准轴载BZZ-100.根据已有研究对中荷载和偏荷载两种荷载作用位置对比分析结论[4-6]，偏荷载作用为最不利荷载位置.试验段OLSM-25防裂层沥青路面结构的计算模型[4]见图1.

1.2计算参数

根据国内外相关研究成果[7-9]，OLSM-25级配组成见表1，表1为OLSM-25的推荐级配范围。在试验段OLSM-25防裂层沥青路面结构中，采用推荐级配的上限作为防裂层级配.

分析沥青路面结构中OLSM-25防裂层荷载应力时，所采用的计算参数见表2，以试验段OLSM-25防裂层沥青路面结构作为计算基本结构，逐一变化轴载、基础模量、贫混凝土基层模量及厚度、防裂层模量及厚度、沥青面层模量及厚度8个主要参数，8个参数的变化范围见表3，分析8个参数对OLSM-25防裂层底部最大主应力σ1的影响规律，比较8个参数对OLSM-25防裂层荷载应力指标的影响程度，从而确定出8个参数中对OLSM-25防裂层荷载应力影响显著的参数，在此基础上提出OLSM-25防裂层荷载应力计算公式.

在BZZ-100偏载作用下，OLSM-25防裂层底部的最大主应力出现在基层裂缝顶端A点位置[4, 10-11]，图2为OLSM-25防裂层底部的最大主应力点位置.根据材料强度的最大拉应力理论[12-13]，在以下的荷载应力分析中，主要考察OLSM-25防裂层底部A点的主应力σ1.

图1　试验段OLSM-25防裂层沥青

筛孔尺寸/mm通过各筛孔的质量百分率/%31.526.5191613.29.5级配范围10095-7571-5261-4352-3539-25筛孔尺寸/mm通过各筛孔的质量百分率/%4.752.361.180.60.30.150.075级配范围22-1217-810-46-24-12-11-0

表2　计算参数

图2　OLSM-25防裂层底部的最大主应力点位置

轴载P/kN基础模量E0/MPa贫混凝土基层模量E1/MPa厚度h1/cmOLSM-25防裂层模量E2/MPa厚度h2/cm沥青面层模量E3/MPa厚度h3/cm80～20025～80010000～3000016～28400～8008～14600～22009～14

2OLSM-25防裂层荷载应力分析

2.1荷载应力参数影响规律分析

经过有限元计算，OLSM-25防裂层荷载应力在轴载P等8个参数逐一变化时的计算结果见图3.由图3分析可知OLSM-25防裂层荷载应力受轴载P等8个参数的影响规律.

(1)轴载.在交通荷载偏载作用下，当轴载P由80 kN增至200 kN时(增幅150%)，最大主应力σ1随着轴载P的增大呈线性增加趋势，最大主应力σ1增幅144%，轴载P对OLSM-25防裂层底部最大主应力的影响作用显著.

(2)基础模量.在BZZ-100偏载作用下，最大主应力σ1随着基础模量E0的增大而减小，最大主应力降幅41%，OLSM-25防裂层底部最大主应力受基础模量E0的影响较小.

(3)贫混凝土基层模量及厚度.最大主应力σ1随基层模量及厚度的增大而减小.当贫混凝土基层模量E1由10 000 MPa增至30 000 MPa时(增大2倍)，最大主应力σ1降幅8%，贫混凝土基层模量E1对OLSM-25防裂层底部最大主应力影响很小；当贫混凝土基层厚度h1由16 cm增至28 cm时(增幅75%)，最大主应力降幅18%，OLSM-25防裂层底部最大主应力受贫混凝土基层厚度h1影响显著.

图3　OLSM-25防裂层荷载应力的参数影响规律

(4)OLSM-25防裂层模量及厚度.最大主应力σ1随其自身模量的增大而增大，随其自身厚度的增大而减小.当OLSM-25防裂层模量E2由400 MPa增至800 MPa时(增大1倍)，最大主应力σ1增幅16%，OLSM-25防裂层模量对最大主应力影响较大；当OLSM-25防裂层厚度h2由8 cm增至14 cm时(增幅75%)，最大主应力σ1降幅36%，OLSM-25防裂层厚度h2对最大主应力影响显著.

(5)沥青面层模量及厚度.最大主应力σ1随沥青面层模量的增大而增大，随沥青面层厚度的增大而减小.当沥青面层模量E3由600 MPa增至2 200 MPa时(增大2.7倍)，最大主应力σ1增幅3%，沥青面层模量E3对OLSM-25防裂层底部最大主应力几乎无影响；当沥青面层厚度h3由9 cm增至14 cm时(增幅56%)，最大主应力σ1降幅12%，沥青面层厚度h3对OLSM-25防裂层底部最大主应力影响显著.

以上分析表明，在轴载P等8个主要参数中，轴载、贫混凝土基层厚度、沥青面层厚度、OLSM-25防裂层模量及厚度等5个参数对OLSM-25防裂层荷载应力影响显著.

2.2荷载应力计算公式

为便于进行OLSM-25防裂层沥青路面结构设计，在以上荷载应力参数影响规律分析的基础上，建立OLSM-25防裂层底部最大主应力的计算公式如下

σ pa= k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 k 7 k 8 σ 1，

3结论

(1)采用三维有限元方法，以试验段OLSM-25防裂层沥青路面结构为计算基本结构，分析比较了轴载以及各结构层的厚度和模量等8个设计参数对OLSM-25防裂层荷载应力的影响规律，结果表明：轴载、OLSM-25防裂层模量以及贫混凝土基层、沥青面层、防裂层三层厚度对OLSM-25防裂层的荷载应力影响显著.

(2)在综合分析轴载P等8个参数对OLSM-25防裂层荷载应力影响规律的基础上，提出了在交通荷载偏载作用下OLSM-25防裂层荷载应力的计算公式，为设置OLSM-25防裂层的沥青路面结构设计提供理论基础和计算依据.

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Finite Element Analysis on Traffic Load Stress of Asphalt Pavement with

Open-graded Large Stone Asphalt Mixes (OLSM-25) Anti-cracking Layer

(1.Department of Highway Engineering, Shaanxi College of Communication Technology, Xi’an 710018, China; 2.Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Key words: road engineering; open-graded large stone asphalt mixes; three-dimensional finite element; traffic load stress; numerical analysis; anti-cracking layer