沥青加铺旧水泥混凝土路面的层间受力

2017-03-30袁玉卿贾淼郭斌许海铭

筑路机械与施工机械化 2017年3期

袁玉卿+贾淼+郭斌+许海铭

摘要：为了研究旧水泥路面沥青加铺层层间力学特性，借助ABAQUS分析了沥青加铺层厚度、模量及裂缝对层间应力的影响。结果表明：在静荷载作用下，沥青加铺层层底竖直方向上的剪应力最大值都出现在荷载正下方；增大沥青加铺层的厚度能明显减小层底应力；沥青加铺层的弹性模量对层底应力的影响很小；沥青面层底部的最大主应力受裂缝的影响变化在1%～2%，而沥青面层底部竖直方向上的最大剪应力值受裂缝影响变化在53%～58%。

关键词：道路工程；沥青加铺；层底应力；有限元分析

中图分类号：U416.01 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2017）03-0053-05

Abstract： To explore the interlayer mechanical properties between the existent cement concrete pavement and asphalt overlay， the mechanical model was established by ABAQUS. The impact of the thickness， modulus and fracture of asphalt overlay on the interlayer stress was analyzed. The results show that the maximum shear stress in the vertical direction of the asphalt overlay is exactly below the load； the stress of the layer is obviously reduced by increasing the thickness of asphalt overlay； the elastic modulus of asphalt overlay has little influence on the bottom stress； the maximum principal stress at the bottom of the asphalt pavement is affected by the cracks at 1%-2%， while the maximum shear stress at the bottom of the asphalt pavement is affected by the cracks at 53%-58%.

Key words： road engineering； asphalt overlay； bottom stress； old cement pavement； finite element analysis

0 引言

沥青加铺旧水泥混凝土能有效改善路面的使用性能，但旧水泥路面面层往往存在裂缝，在车辆荷载的作用下，导致新的沥青加铺层内产生反射裂缝，缩短其使用寿命，因此，对加铺层结构受力特性进行分析颇为重要。周德云等[1]对加铺层结构进行了三维有限元分析；刘悦[2]对温度应力进行了分析；赵茂才等[3]分析了错台对沥青加铺层产生反射裂缝的影响；袁玉卿等[4]分析了不同工况下层间最大剪应力；颜可珍等[5]研究了层间接触对沥青加铺层性能的影响；单景松等[6]借用ANSYS软件对弯沉指标进行了研究；唐齐[7]分析了旧水泥混凝土路面直接加铺沥青层结构反射裂缝的产生机理和防治方法；吕大伟[8]对高速公路水泥混凝土路面加铺沥青层的综合技术进行了研究；高嫄嫄等[9]以断裂力学理论为基础建立模型，对含裂纹水泥路面加铺结构进行了理论分析；王芳等[10]建立荷载效应计算模型对加铺层结构可靠性进行了分析。本文借助ABAQUS有限元软件，分析沥青加铺旧水泥混凝土路面结构在车辆荷载作用下的应力变化规律，以期为理论实践和工程研究提供参考。

1 有限元模型的建立

1.1 计算模型

选用8结点空间实体单元Solid45建立如图1所示的三维有限元模型，并进行应力分析。对各层结构作如下假定：路面结构自重不计，各层均为均匀、连续、各向同性的弹性体，各层层间竖向、水平位移连续，水泥路面底面各向位移为零，且基础侧面水平方向位移为零，旧水泥路面裂缝处无传荷能力。

按照缩尺试验拟定路面结构层尺寸及材料参数，如表1所示。

1.2 荷载布置

车辆行驶经过沥青加铺旧水泥混凝土路面时，路面结构产生不同的应力分布[11]。采用如图2所示的荷载布置，将轮胎接地面积假设为矩形，单轮接地面积为189 mm×189 mm；行车荷载取BZZ-100，平均接地壓强为0.7 MPa。

1.3 网格划分

采用不同尺寸的网格对不同结构层且含有裂缝的沥青加铺旧水泥混凝土路面模型进行划分。

2 加铺层厚度对层间应力的影响

2.1 对加铺层底部主应力的影响

沿着沥青加铺层底部，在与裂缝平行的方向上取一系列节点，分析这些节点的最大主应力与沥青加铺层厚度的关系，结果如图3所示。

由图3可知：在荷载作用下，不同加铺层厚度下层底最大主应力都出现在荷载正下方，并向周围迅速递减；加铺层厚度从2 cm增加到6 cm时，无裂缝、有裂缝正载、有裂缝偏载的层底最大主应力值分别减少60.12%、60.39%、60.36%，说明增加沥青加铺层厚度能明显减小加铺层底部的最大主应力[12-13]。

2.2 对加铺层底部竖直方向上剪应力的影响

沿着沥青加铺层底部在与裂缝平行的方向上取一系列节点，分析这些节点的剪应力与沥青加铺层厚度的关系，结果如图4所示。

由图4可知：在荷载作用下，沥青加铺层层底竖直方向上的最大剪应力随着沥青加铺层厚度的增加先增大后减小。这是因为2 cm的加铺层太薄，易产生应力突变。在无裂缝、裂缝正载、裂缝偏载情况下，加铺层厚度为3 cm时，层底竖直方向上的剪应力最大。随着加铺层厚度的增加，3种情况下沥青加铺层层底竖直方向上的最大剪应力分别减少79%、73.27%、78.29%，说明增加沥青加铺层厚度能明显减小加铺层底部竖直方向上的最大剪应力[14-15]。

3 沥青加铺层模量对层间应力的影响

3.1 对加铺层底部主应力的影响

沿着沥青加铺层底部，在与裂缝平行的方向上取一系列节点，分析这些节点的主应力与沥青加铺层模量的关系，结果如图5所示。

由圖5可知：在荷载作用下，沥青加铺层层底的最大主应力随着沥青加铺层模量的增加呈减小趋势。在无裂缝、裂缝正载、裂缝偏载情况下，沥青加铺层层底最大主应力出现在荷载正下方，并向周围迅速递减；随着弹性模量的增加，3种情况下沥青加铺层层底主应力分别减少0.64%、1.62%、0.52%，说明增加沥青加铺层模量不能明显减小加铺层层底的最大主应力[16-17]。

3.2 对加铺层底部竖直方向上剪应力的影响

沿着沥青加铺层底部，在与裂缝平行的方向上取一系列节点，分析这些节点的剪应力与沥青加铺层模量的关系，结果如图6所示。

由图6可以看出：在荷载作用下，沥青加铺层层底竖直方向上的最大剪应力随着沥青加铺层模量的增加而增大。在无裂缝、裂缝正载、裂缝偏载情况下，沥青加铺层层底最大主应力出现在荷载正下方，并向周围迅速递减；随着弹性模量的增加，3种情况下沥青加铺层层底竖直方向上的最大剪应力分别增加7.22%、17.67%、15.14%，说明增加沥青加铺层模量对加铺层底部的剪应力影响不明显[18-20]。

4 裂缝对层间应力的影响

不同模型下，不同厚度沥青加铺层层底最大主应力值如表2所示。

由表2可知：在静荷载作用下，随着沥青加铺层厚度的增加，有裂缝正载下沥青加铺层层底最大主应力值比无裂缝时分别减小1.20%、1.23%、1.60%、1.70%、1.86%；有裂缝偏载下沥青加铺层层底最大主应力值比无裂缝时分别增加1.61%、1.18%、1.10%、0.96%、1.00%。

不同模型下，不同沥青加铺层层底最大剪应力值如表3所示。

由表3可知：在静荷载作用下，随着沥青加铺层厚度的增加，有裂缝正载下沥青加铺层层底最大剪应力比无裂缝时分别增加了-55.08%、29.71%、56.67%、48.75%、65.15%；有裂缝偏载下沥青加铺层层底最大剪应力比无裂缝时分别增加了-16.95%、6.33%、9.54%、8.04%、9.96%。

不同模型、不同沥青加铺层模量下，层底最大主应力值如表4所示。

由表4可知：在静荷载作用下，随着沥青加铺层模量的增加，有裂缝正载下沥青加铺层层底最大主应力比无裂缝时分别减小了1.34%、1.45%、1.59%、1.71%、1.83%、1.94%、2.04%、2.14%、2.23%、2.32%；有裂缝偏载下沥青加铺层层底最大主应力比无裂缝时分别增加了-0.13%、0.95%、0.96%、0.97%、0.98%、0.13%、0.98%、0.99%、1.00%、1.00%。

不同模型、不同沥青加铺层模量下，层底最大剪应力值如表5所示。

由表5可知：在静荷载作用下，随着沥青加铺层模量的增加，有裂缝正载下沥青加铺层层底的最大剪应力比无裂缝时分别减小了58.35%、58.98%、57.94%、57.18%、56.48%、55.84%、55.26%、54.71%、54.22%、53.78%。有裂缝偏载情况下沥青加铺层层底的最大剪应力比无裂缝时分别减小72.27%、69.57%、69.25%、68.95%、68.66%、68.40%、68.12%、67.88%、67.63%、67.41%。

5 结语

（1）在静荷载作用下，沥青加铺层层底的最大主应力和竖直方向上的剪应力随着沥青加铺层厚度的增加呈明显减小趋势，增大沥青加铺层的厚度能减小层底应力。

（2）在静荷载作用下，沥青加铺层层底的最大主应力和竖直方向上的最大剪应力随着沥青加铺层模量的增加变化趋势不明显，改变沥青加铺层的弹性模量不能明显改变层底应力。

（3）综合表2～5得出：在静荷载作用下，沥青面层底部的最大主应力受裂缝的影响变化在1%～2%，而沥青面层底部竖直方向上的最大剪应力值受裂缝影响变化在53%～58%。

参考文献：

[1] 周德云，姚祖康.旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的三维有限元分析[J].中国公路学报，1990，3（3）：18-26.

[2] 刘悦.旧水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力分析[D].西安：长安大学，2000.

[3] 赵茂才，张怀志，高伟，等.旧水泥混凝土路面错台对沥青加铺层产生反射裂缝的影响分析[J].公路交通科技，2008，25（3）：8-12.

[4] 袁玉卿，周鑫，王选仓.旧水泥路面沥青加铺层层间剪应力分析[J].河南大学学报：自然科学版，2009，39（1）：97-101.

[5] 颜可珍，江毅，黄立葵，等.层间接触对沥青加铺层性能的影响[J].湖南大学学报：自然科学版，2009，36（5）：11-15.

[6] 单景松，郭忠印.旧水泥路面沥青加铺改造中弯沉指标研究[J].同济大学学报：自然科学版，2011，39（4）：540-545.

[7] 唐齐.旧水泥混凝土路面直接加铺沥青层结构分析[D].长沙：湖南大学，2014.