基于有限元方法的一种应力吸收层铺设方式数值模拟分析

张东迎 王文超 虞将苗 马程利 戚文博 牛书彬 祁宁刚

(中铁十局集团西北工程有限公司1) 西安 410000) (中铁十局集团第三建设有限公司2) 合肥 230088) (华南理工大学土木与交通学院3) 广州 510640)

0 引 言

由于交通荷载的增加，我国早期修建的水泥混凝土路面大多出现了不同程度的病害，影响了路面的使用性能.目前，在旧水泥路面上加铺沥青层是被业内认可的对旧水泥路面进行大修的解决方案之一[1-3].然而，大量的工程实践证明，在旧水泥混凝土路面上直接加铺沥青罩面产生的反射裂缝问题正严重制约着加铺层的路用性能和使用寿命，因此，延长旧水泥路面沥青加铺层的使用寿命，减少沥青路面的反射裂缝是沥青加铺层设计面临的主要问题[4].

常用于减少反射裂缝的措施有：增加沥青加铺层的厚度并选用优质沥青和配置抗裂性能好的沥青面层混合料；在加铺层和旧水泥混凝土路面之间设置土工合成材料织物、钢丝网；在沥青加铺层和水泥混凝土路面之间铺设级配碎石过渡层或特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层；对旧水泥混凝土板进行破碎处理，然后再加铺半刚性基层及沥青层[5-6].在所述的方法中，加铺应力吸收层是一种阻裂效果良好的方法[7].研究发现，应力吸收层的厚度对加铺面层底面应力有很大的影响.在应力吸收层一定厚度变化范围内，采用增加应力吸收层的厚度来消散车辆荷载应力、防止交通荷载反射裂缝均是可行的，而且应力吸收层厚度的变化对加铺层顶面最大弯沉值和接缝两侧弯沉及弯沉差影响很小，在一定的应力吸收层厚度变化范围内，应力吸收层厚度变化对整个加铺层刚度的影响在一个数量级上，并不因为厚度的增加会产生更大的车辙[8-10].但增加应力吸收层的厚度，必然会增加工程预算，这是不经济的.

基于此，本文提出一种新的应力吸收层铺设方法，通过对旧水泥混凝土板接缝宽度进行扩缝处理，间接增加接缝处的应力吸收层厚度，采用通用非线性有限元软件ABAQUS分析.结果表明，这种方法能够有效地减少沥青面层层底拉应力，延缓反射裂缝的产生，理论上证明这种方法的可行性.

1 应力吸收层铺设方式及有限元分析过程

1.1 应力吸收层铺设方式提出及基本假设

为了间接增加旧水泥混凝土路面板接缝处应力吸收层的厚度，通过对旧水泥混凝土板接缝附近板角进行斜面切割处理.切割前和切割后示意图见图1.路面结构层从上到下分别为沥青面层、应力吸收层、旧水凝混凝土板、基层、土基.由于对路面结构力学分析过程中，常采用多层弹性连续体系理论，因此本文也视路面结构为弹性层状体系，并对个结构层作如下假设：①各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；②各层层间竖向、水平位移均连续；③基础底面各向位移为零，基础侧面水平方向位移为零；④沥青混凝土四周侧面水平方向的位移为零；⑤不计路面结构的自重；⑥假设接缝宽度为1 cm，且接缝无传荷能力.

图1 旧水凝混凝土板接缝挖除前后模型

1.2 结构计算模型及材料参数

采用通用非线性有限元软件ABAQUS建立与图1相一致的平面二维模型进行计算.图1中1，2，3点为计算点.分析沥青面层、应力吸收层、旧水凝混凝土板、基层、土基结构采用四节点平面应力减缩积分单元(CPE4R)[11].针对典型的水泥路面结构，选定模型板宽5 m，沥青面层厚度取12 cm，应力吸收层厚度取3 cm，旧水泥混凝土板厚度取15 cm，基层厚度取40 cm，土基厚度取4 m.行车荷载采用标准轴载BZZ-100，车轮内压0.7 MPa，单个轮压作用范围18.9 cm×18.9 cm.经过不同荷载位置计算分析比较，车轮荷载作用在接缝一侧中部的偏荷载对加铺层最为不利[12].对材料参数的设定见表1.

表1 材料参数

2 路面结构在荷载作用下的有限元分析

对模型分别进行挖除前和挖除深度为5 cm的工况分析，其中车轮荷载为偏荷载作用.未对旧水凝混凝土板接缝处理的模型面层层底应力分析计算结果见表2.取竖向挖除高度为5 cm，横向挖除长度为单个轮压作用范围18.9 cm.有限元模型应力分析计算结果见表3.

表2 旧水泥混凝土板接缝未处理的模型

表3 旧水泥混凝土板接缝已处理的模型

由表2～3可知，旧水泥混凝土板经处理后，计算点1沥青面层层底拉应力σx由-0.416 MPa减少到-0.275 MPa，变化率为33.9%；相应地，计算点2、计算点3的沥青面层层底拉应力变化率分别为30.9%、51.6%.计算点1、计算点2、计算点3沥青面层层底压应力σy由-0.318，-0.338，-0.247 MPa减少到-0.3，-0.276，-0.243 MPa，变化率分别为：5.7%，18.3%，1.6%；相应地，剪应力τxy变化率为：19.5%，22.3%，11.8%；同样，竖向位移Uy的变化率分别为1.2%，1.2%，1.2%.沥青面层层底拉应力减少了，层底压应力减少得也比较多，竖向位移变化较小.

旧水泥混凝土板的层底最大拉应力由接缝处理前的1.01 MPa，增加到接缝处理后的1.14 MPa，变化0.99%，变化很小，对旧水泥混凝土板底层的抗拉强度影响不大.其竖向最大剪应力发生在离接缝端处附近，由接缝处理前的0.317 MPa，增加到接缝处理后的0.327 MPa，变化3.15%，变化也很小，不影响水泥混凝土板的抗折强度要求.

3 挖除高度影响分析

3.1 挖除高度对沥青面层荷载应力的影响

通过对接缝的挖除处理，间接增加沥青吸收层的厚度，能够有效地减少沥青面层层底拉应力.为了研究挖除深度对沥青面层层底拉应力的影响，本文通过几个不同挖除深度的计算分析，挖除深度对沥青面层层地应力分析结果见表4.

表4 挖除深度对计算点2的影响

由表4可知，挖处深度在1～4 cm范围内，计算点2的拉应力减少较快；在4～6 cm范围内，拉应力减小较慢.因此，不是挖除深度越大，面层层底拉应力就越小，应力吸收层厚度达到一定值后，厚度的变化对拉应力的变化影响较小.挖除深度对计算点2的压应力和剪应力的影响在1～4 cm范围内减小较快，在4～6 cm范围内减小较慢.挖除深度对计算点2竖向位移的影响很小，可以忽略不计.所以考虑经济和施工等因素，本文取挖除深度为5 cm是合理的.

3.2 挖除高度对沥青面层层顶最大竖向位移的影响

通过对旧水泥混过凝土板接缝进行挖除，间接增加应力吸收层的厚度，必然会引起沥青面层在竖直方向的位移，容易引起车辙等路面病害.不同挖除深度对沥青面层最大竖向最大位移的分析结果见表5.

表5 挖除深度对沥青面层竖向最大位移的影响

由表5可知，随着旧水泥混凝土接缝挖除深度的增大，与未开挖之前的沥青面层竖向最大位移相比，竖向最大位移的增加量依次为0.018，0.02，0.022，0.024，0.026和0.029 mm，变化很小，对车辙深度的增加较小，几乎可以忽略.

4 结 论

1) 通过对旧水泥混凝土板接缝进行挖除处理，间接增加接缝处应力吸收层的厚度，通过计算分析，明显减少沥青面层层底拉应力，可以有效地延缓反射裂缝的产生，

提高沥青面层的使用寿命，理论上证明这种方法的可行性.

2) 挖除深度达到一定值后，厚度的变化对沥青面层层拉应力、压应力、剪应力的变化影响较小.综合经济和施工等因素，建议挖除高度为5 cm.

3) 对旧水泥混凝土板接缝进行挖除处理，计算结果表明，沥青面层层顶竖向位移增加较少，不会加重车辙等路面病害.