基于有限元的交叉口抗车辙沥青混合料力学性能分析

2020-12-29华春丽

四川建材 2020年12期

华春丽,丁彬

(1.江苏省高速公路经营管理中心，江苏南京210017；2.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112)

0 前言

干线公路交叉口普遍超载，加之交叉口车辆刹车、启动频繁，造成交叉口出现车辙和推移病害，影响行车安全和舒适性。而且交叉口车辙病害严重，反复进行维修，不仅影响交叉口通行效率，而且增加养护成本和资源浪费。

针对交叉口车辙病害频繁养护的现状，为了深入分析病害出现原因。本文通过有限元数值分析，研究超载和刹车作用下，交叉口路面结构层受力情况。考虑重载对道路结构层的影响，选取竖向荷载0.7、0.9、1.2 MPa三个等级。重点对刹车作用、静止作用进行模拟，分为无水平荷载和水荷载为竖向荷载的30%两种状况。并分析沥青模量和层间粘结状况不同的工况，对路面结构层力学响应情况。针对病害产生的原因从路面结构和材料设计提出解决方案。

1 计算模型和参数

本节主要考虑重载对道路结构层的影响，竖向荷载选择范围0.7、0.9、1.2 MPa三个等级[1]。重点对无水平荷载和水荷载为竖向荷载的30%两种情况进行分析。同时研究沥青层最大剪应力/应变和最大拉应力/应变的变化规律。计算模型材料参数如表1所示，路面三维结构计算模型见图1。

表1 计算模型参数

图1 路面三维结构计算模型

2 数值计算分析

2.1 沥青层模量影响分析

为了确保接触面竖向荷载和位移能够连续传递，假定面层层间接触为完全连续状态[2]。通过分析无水平荷载和水平荷载为竖向荷载30%两种工况下，沥青面层模量对结构层受力影响。计算结果如图2～5所示。

图2 无水平荷载最大剪应力和剪应变

图3 水平荷载30%时剪应力和剪应变

图4 无水平荷载最大拉应力和拉应变

图5 水平荷载30%时拉应力和拉应变

从图2～5可知，最大剪应力和剪应变均随模量增大而减小，受水平荷载影响较小。模量从500 MPa增加至2 000 MPa时，最大剪应变和最大拉应变衰减速率最大。模量超过2 000 MPa后，最大剪应变和最大拉应变随模量减小速率降低，趋于直线状态。在水平荷载为竖向荷载的30%时，最大剪应力和最大拉应力相对无水平荷载状况，略微增大。随着荷载增大，剪应力和拉应力逐渐增大，说明超载对路面破坏较大。因此，适当提高沥青面层模量、路面结构层将有利于提高抵抗超载损坏的能力。

2.2 面层与基层粘结状态影响分析

假设面层之间完全连续(即单层加铺)，选择沥青层模量2 000 MPa,计算无水平荷载和水平荷载为30%时,最大拉应变与基层与面层层间连接状况的关系[3]。其中横坐标0代表完全光滑，1代表完全连续。计算结果如图6～7所示。

图6 无水平荷载最大拉应力和拉应变

图7 水平荷载30%时拉应力和拉应变

由计算结果可知，最大剪应力和剪应变受面层和基层间粘结状况影响不大。而拉应力和拉应变受层间粘结状况影响极大。当面层和基层粘结状况由完全滑动变成完全连续时，最大拉应力和拉应变急剧下降。无水平荷载时，完全连续时最大拉应变降低为完全滑动时的16%左右。水平荷载为竖向荷载的30%时，完全连续时最大拉应变降低为完全滑动时的34%左右。完全连续时，竖向荷载的增大对最大拉应变影响较小。

2.3 面层间粘结状态影响分析

假设基层与面层之间连接为最佳状态，即完全连续的情况[4]。选择沥青层模量2 000 MPa，由于交叉口超载现象频繁选择竖向荷载为0.9 MPa。计算无水平荷载和水平荷载为竖向荷载30%时，最大剪应力与上面层与下面层层间连接状况的关系。计算结果如图8所示。

图8 面层粘结状况对剪应力影响

从图8可知，面层由完全滑动过渡到完全连续(单层铺筑)时，最大剪应力和最大剪应变急剧下降。

综上所述，面层模量的增大有利于提高结构层抵抗荷载破坏能力。面层与基层粘结良好时能够降低层间拉应力。层间粘结状况越好，对结构层整体受力越有利。增大面层粘结状况可以降低层间剪应力。

3 力学性能分析

为了研究交叉口抗车辙沥青混合料力学性能，本文设计中石化50#沥青+PR.M抗车辙剂、中石化30#沥青+PR.M抗车辙剂和中石化30#基质沥青三种抗车辙混合料[5-7]。通过间接拉伸模量试验和动态模量试验评价试件力学性能。

3.1 间接拉伸试验

间接拉伸试验通过对试件重复加载。测试试件受力和变形情况，得到混合料劲度模量[8]。通过劲度模量反应混合料劲度特性。三种试件15℃间接拉伸模量试验模量如图9所示。

从图9试验结果可知，30#+PR.M高模量混合料的间接拉伸模量最大，其次为50#+PR.M和30#基质沥青。三种沥青混合料劲度模量均满足技术要求。

图9 间接拉伸试验结果

3.2 动态模量试验

动态模量试验通过旋转压实成型试件，分别在试验频率0.1～25 Hz下，测试试件15℃动态模量试验[9-10]。试验结果如图10所示。

图10 动态模量试验结果

从图10动态模量试验结果可知：相同条件下，30#+PR.M混合料的模量值最大，其次为50#+PR.M和30#基质沥青。根据数值计算结果，沥青层模量对路面结构受力影响极大。模量越大，则路面抵抗荷载能力越强。荷载频率越低，说明车辆行驶速度小，趋近于静止荷载作用下的静态模量。采用0.1 Hz条件下试验结果可知，三种混合料模量分别为6 200、8 300、4 400 MPa，均满足数值计算4 000 MPa以上。由此可知，三种抗车辙混合料均满足要求，30#+PR.M混合料抵抗荷载能力最强，其次为50#+PR.M和30#基质沥青。