橡胶沥青应力吸收层的结构性能分析

■陈 超

（福建贝润建设有限公司， 龙岩 364000）

由于历史原因， 我国早期修建的很多公路和城市道路为水泥混凝土路面，为减小养护成本、提高行车质量， 一些修复成本较高的旧水泥混凝土路面需要用沥青混凝土路面代替，与重建相比，更多采用的是在处理后的已有路面上加铺沥青混凝土路面的结构形式（白改黑或白加黑）。 这种复合路面结构形式容易因旧水泥混凝土路面的接缝或裂缝的存在， 使得加铺层在各种直接和间接作用下产生反射裂缝，进而延伸到路表面，形成反射裂缝。 工程中为防止或减缓反射裂缝的出现，一般采用设置应力吸收层的方式[1-11]。 应力吸收层设置在加铺层与旧路面之间，可通过本身的强度和变形能力阻止裂缝向上层传递， 从而达到保护面层的目的，同时也有防水和一定黏结作用。 目前较常用的是橡胶沥青应力吸收层，它是以橡胶沥青为胶结料、碎石为传力介质的一种应力吸收层[1]。 施工时，在处理后的旧水泥混凝土路面上洒布橡胶沥青的同时均匀洒布单一粒径的预拌沥青碎石， 控制洒布量使得碾压后的橡胶沥青在碎石高度的3/4 左右，该高度范围的内的橡胶沥青承担其下层变形的作用， 余下1/4 高度的间隙用来适应夏季高温产生的沥青膨胀和流动。 已有工程实践表明，该应力吸收层具有良好的工程效果[2-5]。 本文针对G358 线K350+920-K362+370 沥青路面改造工程，采用有限元法对该复合路面结构在轮载作用下其应力吸收层的设置进行了数值研究，结果对该类工程设计施工有一定参考意义。

1 工程背景

G358 线K350+920-K362+370 沥青路面改造工程因大车较多， 原有水泥混凝土路面破坏严重，决定对其加铺沥青混凝土路面。 旧水泥混凝土路面设计采用23 cm 厚水泥混凝土面层+15 cm 厚5%水泥稳定碎石基层的结构形式。 加铺设计采用将旧水泥混凝土路面裂缝及接缝灌缝处理后，加铺沥青混凝土层的方式。 沥青混凝土层采用常用的8 cm厚SBS 改性AC-20 和4 cm 厚SBS 改性SMA-13分别作为下面层和表面层[6]。 考虑到标高要求，这里设置橡胶沥青应力吸收层，其厚度为1～1.5 cm。 加铺后的路面结构如图1 所示。 本文以此路面结构为基准进行数值研究。

图1 加铺后的路面结构

2 路面结构模型

2.1 模型范围及参数

由于路面在轮载下的作用效应是个局部问题，从已有研究和初步分析结果可发现[7]，其有效范围并不大，这里根据本工程实际情况（双向两车道），路面范围取半幅路宽，即4 m，长度取2 个水泥混凝土板长，其中包括1 cm 的缝宽度，即（5+0.01+5）m。路基宽度外侧取实际的1 m 宽土路肩，内侧也多取1 m 宽路基作为计算宽度， 即路基计算范围取6 m宽，长度方向同样也较路面范围内多取1 m，深度范围取8 m。 模型计算范围如图2 所示。

图2 计算范围

实际道路中除施工缝、胀缝和缩缝外，部分路面还有表面开裂，但考虑到开裂的方向及裂缝宽度在受力计算中不具有代表性，这里仅考虑较宽的横缝，取1 cm。

计入沥青加铺层及橡胶沥青应力吸收层后，考虑基层及路基综合作用后的新路面结构可分为五层，考虑到设计时还未施工及路面材料性质的变异性（取值较大），材料参数采用设计常用值，计算中采用的各层材料参数取自文献[2,7]，如表1 所示。

表1 计算中采用的材料参数

2.2 模型假设

按照路面结构常规设计和计算方法[8]，其采用的是线弹性分析理论，这里也采用线弹性分析。 计算中采用的假设为[2]：各结构层为连续、均匀、各向同性的弹性体；各结构层层间竖向位移、水平位移完全连续；基础底面固定，基础侧面约束其法向位移；基础以上各层边界自由；接缝宽度为1 cm 且接缝无传荷能力；不计结构自重影响。

2.3 数值模型

这里的建模和分析采用ABAQUS 有限元通用软件进行，分析采用有限单元法。 模型如图3 所示，单元采用的是三维二十节点六面体减缩积分单元C3D20R，模型共65232 个单元，单元划分对关心部位，即裂缝和应力吸收层部位进行了细化。 边界条件为底面约束各平动自由度，4 个侧面则仅约束法向自由度。

图3 路面结构模型

沥青路面设计推荐采用的标准轴载为BZZ-100，轮胎内压为0.7 MPa，单轮荷载的等效形状有圆形、椭圆形和矩形等，这里采用与实际比较接近的矩形，其作为尺寸为18.9 cm×18.9 cm，双轮间距为32 cm，两侧轮中心距离为182 cm，如图4 所示。

图4 BZZ-100 加载示意图

模型加载方式主要有2 种，一种是关于裂缝对称加载轮载，一种是偏向裂缝一侧加轮载，根据已有文献[1-2,7]，偏载方式对于路面结构分析起控制作用，故这里的加载采用裂缝一侧偏载的方式，如图3所示。

3 分析结果及讨论

3.1 应力吸收层对路面结构的影响

按上述模型， 分别针对设置与不设置1 cm 厚应力吸收层的情况进行了数值分析，图5 给出了相应情况下的主拉应力云图，表2 列出了相应情况下加铺层底及设置后应力吸收层底的应力情况。 其中，σx、σy、σz、τxy、τyz和τyx分别表示一点各方向正应力和剪应力，σe、τmax和σ1分别表示等效应力、 最大剪应力和最小主应力（即主拉应力）。

图5 路面结构模型主拉应力云图

表2 路面结构应力情况（单位：MPa）

从表2 可见，设置应力吸收层的作用还是比较明显的，设置应力吸收层后的沥青层底部最大剪应力减少了73%，等效应力降低了74%，主拉应力降低了323%。这表明，应力吸收层对加铺层结构的受力有一定的保护作用。 而且当考虑疲劳效应时，这种保护应该更为明显。

3.2 应力吸收层厚度的影响

由于橡胶沥青应力吸收层的材料参数一般较为稳定，实际中考虑到碎石粒径问题，原则上可以调整应力吸收层厚度。 这里对橡胶沥青应力吸收层的厚度进行参数分析。 分析从1 cm 起， 每级增加0.5 cm，最大厚度取3 cm。 表3 和表4 分别给出了不同厚度下加铺层底和应力吸收层底的应力情况。

表3 不同应力吸收层厚度时加铺层底应力（单位：MPa）

表4 不同应力吸收层厚度时加应力吸收层底应力（单位：MPa）

由表3 可见，沥青加铺层底部应力随着应力吸收层厚度的增加而减小，等效应力σe从1 cm 时的0.8058 MPa 减小至3 cm 时的0.4885 MPa， 其减小了40%； 最大剪应力τmax从1 cm 时的0.4425 MPa减小至3 cm 时的0.2571 MPa，其减小了42%；主拉应力σ1从1 cm 时的-0.7763MPa 减小至3 cm 时的-0.4919 MPa，其减小了58%。 由表4 可见，应力吸收层底部等效应力σe，最大剪应力τmax和主拉应力σ1随其厚度的增加先增大后减小， 这说明应力吸收层厚度的增加对自身的拉应力消减没有多大影响，依靠增加应力吸收层厚度不能改善其受力状况。 综上可知，增加应力吸收层厚度可以减小反射裂缝的发生程度，但从经济效益、施工及应力吸收层作为功能层的目的出发，其厚度不应太大，推荐应力吸收层厚度为1～2 cm。

4 结语

通过对一个实际的旧有水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层工程中的橡胶沥青应力吸收层的数值分析表明：（1）设置橡胶沥青应力吸收层可以在很大程度上减小沥青层底拉应力，其可起到应力吸收的作用；（2）增加应力吸收层厚度对应力消减有一定作用，但从各方面综合考虑，应力吸收层厚度不宜太大，建议1～2 cm 为宜。