轴载及应力吸收层参数对“白改黑”路面内应力影响

姜 利 苏 禹 解双瑞

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

水泥混凝土路面在我国开始使用时间较早，应用范围很广。近年来，随着国民经济的迅速发展，交通荷载逐渐向重型化发展，交通量也大幅增长，导致路面加速破坏现象日益严重，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层，既能提高路面结构的承载力又能改善行车的舒适性。但是由于刚性基层接缝或裂缝的普遍存在，沥青面层会沿接缝或裂缝处产生反射裂缝，严重影响路面的耐久性[1]。研究表明，在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置改性沥青混合料应力吸收层，能改善路面结构的应力状态，有效延缓反射裂缝的产生和发展[2]，而处于刚柔结构层交界面的应力吸收层在接缝处的受力状态非常不利，且在长期的车辆荷载作用下更易促成反射裂缝的产生。因此，有必要对复合式路面结构中应力吸收层的受力状态进行系统的分析。本文通过建立基于应力吸收层的路面结构三维有限元模型，分析轴载、加铺层厚度及材料参数变化时对应力吸收层结构荷载应力的影响，为合理设计应力吸收层结构提供参考。

1 有限元计算模型及参数

1.1 计算模型

视路面结构为弹性层状体系，研究对象是由沥青面层、应力吸收层、带有接缝的水泥混凝土基层和地基组成，建立三维有限元模型，沥青面层、应力吸收层、水泥混凝土基层和地基均采用C3D8R单元，模型简图如图1所示。对各结构层做如下假设[3,4]：

1)各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体材料；

2)路面各层粘结状态良好，且无层间位移；

3)地基底面各方向上位移为0，侧面水平方向上位移为0；

4)水泥混凝土板接缝宽度为1 cm，且接缝处无传荷能力；

5)不计重力作用。

1.2 计算参数

参考实际工程旧水泥混凝土路面结构，取半幅路面为研究对象，拟定路面结构基本计算参数如下：旧水泥混凝土板尺寸为5 m×4.5 m×0.22 m，接缝宽度为1 cm，基础尺寸拟定为10.01 m×4.5 m×9 m。采用BZZ-100标准轴载，轴重100 kN，轮胎接地压强0.7 MPa，单轮接地当量圆直径21.3 cm，两轮中心距31.95 cm。为确保计算结果收敛性，将单个轮压作用范围等效为18.6 cm×19.2 cm，接触面积为357.12 cm2，两轮中心距31.4 cm的矩形均布荷载，如图2所示。各层厚度及材料参数[5,6]见表1。

表1 各结构层参数

结构层沥青混凝土面层应力吸收层旧水泥混凝土板基础厚度/cm10322900模量/MPa1 20040030 000100泊松比μ0.250.250.150.35

2 应力吸收层荷载应力分析

采用控制单一参数变量的方式对应力吸收层层底接缝处的荷载应力进行系统的分析。根据最大剪应力准则、最大拉应力准则、Von Mises屈服准则以及摩尔—库仑理论，在进行旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面分析时，只要考虑最不利点的最大主应力σ1,Mises等效应力σe以及最大剪应力τmax三个值。研究表明，旧水泥混凝土接缝处存在应力集中现象，导致沥青加铺层应力过大引起反射裂缝[2]。因此，以应力吸收层层底水泥混凝土接缝处为最不利点，如图3所示。其中A点为沥青加铺层底应力吸收层应力对比点，B点为应力吸收层之上的加铺层底与A点对应的应力点。

2.1 轴载变化对应力吸收层荷载应力的影响

在国内的主要干线公路上，重载及超载车辆大量存在，单轴双轮组最大荷载达到了240 kN，加速了路面破坏，严重缩短了沥青路面的使用寿命[7]。为定量分析车辆荷载对加铺层结构造成的不利影响，对加铺层结构在各级轴载作用下的受力状况进行力学分析。当沥青加铺层表面作用的行车荷载由100 kN以20 kN为一级增加到240 kN时，加铺层结构的荷载应力计算结果见表2，表3，图4，图5。

表2 车辆荷载作用下应力吸收层接缝处荷载应力随轴载变化

轴载/kNA点荷载应力/kPaB点荷载应力/kPaσ1σeτmaxσ1σeτmax100563.41 171.01 212.370.6564.3636.7120676.41 404.41 453.985.1677.0764.0140789.41 637.81 695.599.6789.8891.3160902.41 871.31 937.1114.0902.61 018.71801 015.42 104.72 178.7128.51 015.41 146.02001 128.52 338.12 420.3143.01 128.11 273.32201 241.52 571.62 662.3157.41 240.91 400.62401 354.52 805.02 904.4171.91 353.71 527.9

表3 车辆荷载作用下B点相较于A点应力随轴载变化趋势

由表2,表3,图4,图5可知，轴载的变化对加铺层结构的荷载应力有显著的影响。随着轴重的增加，A,B两点的荷载应力呈现明显的线性增长趋势。轴载从100 kN增加到240 kN时，B点相较于A点，最大主应力σ1、等效应力σe、最大剪应力τmax降低幅度分别在87.37%,51.74%,51.77%,47.42%左右，当轴重达到240 kN时，A点的最大剪应力为2 904.4 kPa，约为标准轴载下的2.4倍。由此可见，重载会使加铺层结构内荷载应力大幅度增加，更加容易加速反射裂缝的产生和发展，应力吸收层能够在很大程度上分散传递到沥青加铺层底的应力，虽然效果会随着轴重的增加而略有减弱，但影响不大。

2.2 应力吸收层厚度对应力吸收层荷载应力的影响

当应力吸收层厚度从1 cm以1 cm为增量级增加到5 cm时，加铺层结构的荷载应力计算结果见表4,表5,图6,图7。

表4 车辆荷载作用下应力吸收层接缝处荷载应力随厚度变化

表5 车辆荷载作用下B点相较于A点应力随厚度变化趋势

从表4，表5,图6，图7可以看出，随着应力吸收层厚度的增加，接缝处加铺层结构的荷载应力呈现逐渐降低的趋势，应力吸收层厚度由1 cm增加到5 cm时，最大主应力σ1、等效应力σe、最大剪应力τmax在A点处分别降低了5.03%～11.24%,0.92%～16.19%,0.36%～11.01%；在B点处分别降低了37.81%～96.52%,9.97%～26.02%,10.79%～25.93%；B点相较于A点分别降低了62.82%～99.86%,16.07%～54.60%,6.47%～54.98%。由此可见，随着应力吸收层厚度的增加，A,B两点处荷载应力逐渐减小，A点处等效应力和最大剪应力在应力吸收层为3 cm以上时降幅较大，说明较厚的应力吸收层在吸收车辆荷载传递到旧水泥混凝土路面顶面的应力上有明显的效果，但在B点处当应力吸收层厚度达到3 cm以上时各应力的降幅均有所减弱，同时B点相较于A点的应力有大幅度降低，在1 cm～3 cm时降低幅度较大，但随着厚度的逐渐增加应力的降低幅度有趋于平缓的趋势。

2.3 应力吸收层模量对应力吸收层荷载应力的影响

当应力吸收层模量从800 MPa以100 MPa为间隔降低到200 MPa时，加铺层结构的荷载应力计算结果如表6,表7,图8,图9所示。

表6 车辆荷载作用下应力吸收层接缝处荷载应力随应力吸收层模量变化

表7 车辆荷载作用下应力吸收层接缝处应力随应力吸收层模量变化趋势

由表6,表7,图8,图9可知，接缝处加铺层结构的荷载应力随应力吸收层模量的减小而逐渐降低。应力吸收层模量由800 MPa减小到200 MPa时，A点的最大主应力σ1、等效应力σe、最大剪应力τmax分别降低了6.60%～26.84%,4.30%～15.82%,6.07%～16.64%；B点的最大主应力σ1、等效应力σe、最大剪应力τmax分别降低了6.12%～64.62%,3.92%～14.60%,4.03%～14.03%。B点相较于A点分别降低了86.03%～95.02%,50.71%～52.97%,43.85%～53.37%。由此可见，随着应力吸收层模量的减小，A,B两点处荷载应力逐渐降低，无论是A点还是B

点，低模量的应力吸收层都对其应力的分散有较好的效果；B点相较于A点的荷载应力有大幅度降低，其中σ1降幅逐渐增大，当模量达到200 MPa时对应力的吸收率达到了约95%，而σe,τmax降幅则逐渐减小，但对应力的吸收率仍能达到51%和44%左右。在实际工程中，应综合考虑温度等环境因素进行沥青混合料应力吸收层材料设计。

3 结语

1)应力吸收层作为复合式路面中与刚性基层相连接的柔性结构层，其受力状态相对复杂，在刚性基层接缝处，存在应力集中现象，适当的增加应力吸收层厚度和降低模量，能够减小接缝处应力吸收层底面最大主应力σ1、等效应力σe、最大剪应力τmax的值，可延缓反射裂缝的产生和发展。

2)应力吸收层厚度在1 cm～3 cm时应力下降幅度较大，在4 cm～5 cm时降低幅度减小，说明随着厚度的增加应力吸收层“吸收”应力的效果会逐渐减弱，综合考虑性价比等其他因素，取厚度为3 cm左右较为适宜；应力吸收层模量在200 MPa～500 MPa时对σ1的“吸收”效果较为显著，而在500 MPa～800 MPa时对σe,τmax的“吸收”效果相对较好，可以此为参考进行沥青混合料应力吸收层材料设计。

3)重载或超载对路面的使用寿命非常的不利，当轴重达到240 kN时，应力吸收层底面接缝处的最大剪应力达到2 904.4 kPa，约为标准轴载下的2.4倍，而剪应力又是产生剪切型裂缝的主要因素，因此，在旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计时，应对重载产生的不利影响给予足够的重视。