不同层间处理措施下的旧水泥路面沥青加铺层有限元分析

付 涛

（山东高速齐鲁建设集团有限公司，山东 济南 250000）

1 引言

水泥混凝土路面凭借其强度高、使用寿命长的优点，在我国公路及城市道路中得到了广泛应用，但随着交通量的增加，先前设计的水泥混凝土路面大多已达到使用寿命，需要对其进行改建和性能提升。已有工程实践表明，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层可以显著改善其使用性能[1-5]。

曹东伟和胡长顺[6]利用有限元软件计算了带有夹层加铺层结构的应力和位移。穆川川[7]通过有限元计算认为在旧水泥路面和沥青加铺层之间有必要按要求设置不同厚度和模量的应力吸收层。李淑明等[8]通过有限元计算分析表明在旧水泥混凝土沥青加铺层结构中使用土工织物可以延缓路面的反射裂缝的出现。综上可以看出，有限元是分析旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构计算的有效手段，且目前的处置手段并未有效改善加铺层出现的反射裂缝病害。

因此，文章依托山东省某旧水泥路面改造工程，通过建立旧水泥混凝土路面和沥青加铺层的力学分析模型，探究了沥青加铺层在荷载、温度场作用下的力学响应，并对工程项目中提出的抑制反射裂缝技术措施，通过理论计算进行对比分析。

2 计算条件及假设

路面结构为弹性层状体系，从由沥青加铺层、层间处置措施层（本项目根据试验路段的技术方案，包括应力吸收层、抗裂贴和不设层间处置3种形式）、旧水泥混凝土路面、基层和路基组成，建立空间三维模型。计算模型存在着如下假设：

（1）土基、基层及沥青层均为连续介质，而PCC板在接（裂）缝处则是不连续的。

（2）旧水泥路面板与基础光滑接触。按现行规范计算板底应力时，认为基础对板的水平方向摩阻力可以忽略，从而按层间光滑考虑，即在有限元模型中只在竖直方向上进行了位移耦合。

（3）旧水泥路面板与沥青加铺层间完全连续[9]。

（4）层间处置措施采用应力吸收层时，应力吸收层与旧水泥路面板之间完全连续。层间处置措施采用抗裂贴时，抗裂贴认为与旧水泥路面板和沥青混凝土之间均为完全连续接触。

（5）板间接缝考虑一定宽度，本项目中接缝宽度取1 cm。

（6）板间的传荷能力忽略[9]。

（7）基层根据原水泥路面结构的设计，厚度为20 cm，土基为弹性半空间地基。

3 计算参数

3.1 有限元模型尺寸

根据试验路的旧路调查结果，拟定旧水泥混凝土路面的计算参数为水泥混凝土路面板长5 m，宽4.5 m，厚240 mm。采用扩大基础能够有效降低水泥路面结构的计算误差，经过误差分析，半刚性基层和路基的平面尺寸相同，尺寸拟定为11.0 m×5.5 m，半刚性基层厚度根据调查结果取20 cm，地基厚度为2 m。

3.2 有限元模型的材料参数

有限元模型中路面结构各层的材料参数见表1。

表1 旧水泥路面沥青加铺层路面结构的各层材料参数

3.3 计算荷载

采用标准轴载BZZ-100作为行车荷载，轮胎内压0.7 MPa，将轮载简化为方形均布荷载，尺寸为20 cm×20 cm，同侧双轮的间距为10 cm，BZZ-100为单轴－双轮，双侧车轮间距为180 cm，轴间距为130 cm，可以通过调节压强来调整荷载的大小，如图1所示。

图1 荷载示意图

4 不同层间处置措施的有限元模型

4.1 应力吸收层的设置

实践工程表明在旧水泥混凝土板及沥青加铺层之间设置应力吸收中间层可以有效防止反射裂缝的产生。因此，在有限元模型中设置了应力吸收层，根据本试验段的方案，应力吸收层厚度为2 cm，有限元模型如图2所示。

图2 设置应力吸收层的有限元模型局部细化

4.2 抗裂贴的设置

抗裂贴层间处置技术是近几年新引进的用于处置旧路加铺后防止反射裂缝的一种新技术，具有加筋、效能缓冲和隔水防渗的作用。本文依托的工程项目中旧水泥路面板接缝和裂缝处布设抗裂贴如图3所示。抗裂贴的厚度为0.5 mm，为了能够分析抗裂贴的抗裂及抑制反射裂缝扩展机理，建立了三维有限元模型，如图4所示。

图3 抗裂贴在旧水泥路面沥青加铺层中的应用

图4 有限元模型中抗裂贴的局部细化

5 荷载应力计算分析

5.1 加铺层应力随着荷载作用位置的变化

当未采取层间处置措施时，以沥青加铺层厚度为6 cm为例，对车辆荷载作用在不同位置时的加铺层应力进行分析。以荷载作用面积为单元，从距离接缝1 m处开始施加荷载，荷载作用过程如图5所示。

图5 行车荷载的作用位置

荷载作用于不同位置时，接缝处沥青加铺层的剪应力和最大主应力变化如图6所示。当荷载所处的位置不同，沥青加铺层的竖向位移，最大主应力和剪应力均变化显著。由图6（a）可知，当行车荷载作用于接缝处正上方时，沥青加铺层的竖向变形小于荷载作用于板一侧，最大主应力表现为正应力，剪应力接近于0，说明行车荷载作用于板一侧时对沥青加铺层的最不利。通过图6（b）和6（c）可知，当荷载中心作用于距板接缝30 cm时，沥青加铺层层底的最大主应力和剪应力最大，因此后续的计算中将以该荷载作用位置为最不利荷载位置进行分析。

图6 沥青加铺层应力随着荷载作用位置的变化

5.2 沥青加铺层厚度对荷载应力的影响

由图6可知，当车辆荷载作用在距接缝30 cm时在沥青加铺层底产生的主应力和剪应力最大，因此对行车荷载作用最不利位置时不同沥青加铺层厚度下接缝处加铺层的竖向位移、剪应力和最大主应力进行分析，结果如图7所示，随加铺层厚度的增加，接缝处的竖向位移、最大主应力逐渐减小，而当加铺层厚度小于8 cm时，最大剪应力衰减较缓慢，当加铺层厚度大于8 cm时，剪应力随着加铺层厚度的增加迅速减小，这主要是由于加铺层较薄时最大剪应力产生的位置发生了变化。考虑工程成本和车辙病害，加铺层厚度应控制在某一范围。因此，沥青加铺层需配合其他防裂措施使用。

图7 沥青加铺层应力随着加铺层厚度的变化

5.3 沥青加铺层模量对荷载应力的影响

图8为沥青加铺层模量对加铺层竖向位移和应力的影响。由图8（a）可知，随着加铺层模量的增加，抗变形能力的增加，竖向变形在逐渐减小。由图8（b）和8（c）可知，接缝处沥青加铺层最大主应力、剪应力随着沥青加铺层模量的提升逐渐增大，与800 MPa相比，当加铺层的模量为2 000 MPa时，最大主应力和剪应力分别增加了30.2%和102%。其中最大主应力前期随着模量增加较快，后期增长较慢，而剪应力随着加铺层模量表现为线性增加。说明加铺层内的应力随着沥青混合料的弹性模量的增加逐渐增大，抗变形能力降低。综上可以看出，沥青加铺层模量的提升不利于路面抗变形能力提升，但是有利于降低水泥混凝土路面接缝两侧的竖向变形。

图8 沥青加铺层应力随着加铺层模量的变化

5.4 旧水泥路面板损坏程度对荷载应力的影响

为了分析旧水泥路面损坏程度对沥青加铺层的影响，通过调整水泥混凝土板弹性模量参数等效表征旧水泥路面的损坏程度，旧水泥混凝土路面板弹性模量越低，水泥路面的损坏越严重，抗变形能力越低。在本文的有限元模型中旧水泥混凝土板的弹性模量取值分别为5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa。图9为旧水泥混凝土板损坏程度对沥青加铺层竖向位移和应力的影响。随着旧水泥混凝土板弹性模量增加，荷载作用下接缝处加铺层的竖向位移和剪应力均逐渐减小，而接缝处加铺层的最大主应力随着旧水泥混凝土板模量的增加而增加，说明旧水泥路面损坏程度越严重，造成加铺层结构破坏的原因主要是剪切作用，而不是最大主应力。

图9 沥青加铺层应力随着旧水泥路面板模量的变化

5.5 不同层间处置措施的荷载应力对比分析

图10为不同处置措施时荷载作用下沥青加铺层底应力。与层间未采取任何措施的沥青加铺层相比，采取应力吸收层和抗裂贴的处置措施后，应力吸收层层底和抗裂贴层底承受了较大应力，但是2种材料均具有良好的抗拉性能，因此能够有效避免反射裂缝产生，同时可以看到采取层间处置措施后沥青加铺层层底的最大主应力和剪应力都出现了明显的降低，且抗裂贴效果要优于应力吸收层，建议在后续的工程中采用抗裂贴技术用于抑制反射裂缝的发展。

图10 不同处置措施时荷载作用下沥青加铺层的应力

6 结语

采用有限元软件ANSYS建立了在旧水泥路面上加铺沥青层的计算模型，借鉴已有研究成果，分析确定了有限元模型的计算条件、尺寸、材料参数、单元划分及加载方式等，并给出了考虑应力吸收层和抗裂贴技术进行层间处置的有限元计算模型，探究了加铺层厚度、模量和旧水泥混凝土路面损坏程度对沥青加铺层荷载应力的影响，最后对不同层间处置措施的荷载应力进行了对比分析，发现采用应力吸收层和抗裂贴后均能降低沥青加铺层层底应力，抑制反射裂缝的产生和扩展，且抗裂贴的效果要优于应力吸收层。与应力吸收层相比，抗裂贴具有成本优势，建议在后续工程中推广应用。