基于有限元方法的“白加黑”路面荷载应力研究

赵军辉,陈文强,朱益军,刘志洁

(1.绍兴市上虞区公路与运输管理中心 绍兴市 312000;2.浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310006)

0 引言

我国农村公路多以水泥混凝土路面为主,随着乡村振兴战略的提出,对农村公路路面的技术状况要求越来越高,原来的水泥混凝土路面已无法满足交通运输服务需求,需要进行路面改造。在旧混凝土路面上加铺沥青层是最为常用的改造方案之一,然而反射裂缝的防治是此方案的关键问题所在[1-2]。

目前,公路路面“白加黑”反射裂缝的防治措施主要有:(1)增加沥青加铺层厚度;(2)增设土工合成材料夹层;(3)增设应力吸收层。反射裂缝受沥青加铺层模量和厚度的影响,增加沥青加铺层厚度和弹性模量可减小沥青层底应力,削弱应力集中作用[3]。土工合成材料具有良好的“桥联”作用,可限制裂缝下部张开,延缓裂缝向上扩展,且聚酯玻纤布比玻纤格栅抗裂缝效果更好[4]。应力吸收层可通过消散应力集中来延缓反射裂缝,将应力吸收层厚度和模量控制在合理范围内可实现抗裂缝效果最大化[5-6]。上述三种方法的有效性均已得到证实[1-6],但哪种防治措施的抗反射裂缝效果最好,目前还无确切定论,关于聚酯玻纤布与应力吸收层组合的抗裂缝措施效果研究还鲜有报道。文章在前人研究的基础上进一步探索,研究了沥青加铺层的合理厚度以及旧水泥混凝土路面厚度对反射裂缝的影响,同时对几种常用的处治措施效果进行了对比分析,旨在为实际工程应用提供参考。

1 有限元建模

1.1 计算模型及材料参数

为研究沥青加铺层底荷载应力状态,建立路面有限元力学模型。基于路面结构分析中常用的多层弹性连续体系理论,对模型作出以下假设:(1)各结构层均匀、连续,且为各向同性的弹性体;(2)各结构层间竖向、水平位移均连续;(3)模型底部各向和模型侧面水平方向不发生位移;(4)接缝宽0.8cm,贯穿整个混凝土路面层且不传递荷载。

建立的二维有限元模型长10m,土基厚度取5m,水稳基层厚20cm,旧混凝土路面厚20～28cm,聚酯玻纤布厚1.3mm,应力吸收层厚1cm,沥青面层厚5～20cm。行车荷载采用标准轴载BZZ-100,轮胎标准静内压力0.7MPa,作用范围取0.213m。路面结构层材料参数见表1。荷载作用位置如图1所示,取对沥青面层最为不利的偏荷载[7],图1中沥青面层底部A点和B点为应力分析点。

图1 路面结构示意图

表1 路面结构层材料参数

1.2 建模方案

采用控制单一参数变量的方式研究沥青加铺层荷载应力,有限元计算模型分为三类,共9个,如表2所示。第一类为模型1、2、3、4,旧混凝土路面厚度为24cm,在旧混凝土路面上直接加铺沥青路面,沥青路面厚度设置为5cm、10cm、15cm、20cm;第二类为模型2、5、6、7,旧混凝土路面厚度为24cm,沥青路面厚度为10cm,处治措施分别为:直接加铺沥青路面、在旧混凝土路面和沥青加铺层间设置1.3mm厚的聚酯玻纤布、在旧混凝土路面和沥青加铺层间设置1cm厚的应力吸收层、在旧混凝土路面和沥青加铺层间依次设置1.3mm厚的聚酯玻纤布和1cm厚的应力吸收层;第三类为模型7、8、9,沥青路面厚度为10cm,处治措施为1.3mm厚聚酯玻纤布+1cm厚应力吸收层,旧混凝土路面厚度为24cm、20cm、28cm。

表2 实验方案

2 沥青加铺层荷载应力分析

根据Von Mises屈服准则、最大剪应力准则和最大拉应力准则,文章将最不利点的Mises应力σe、最大主应力σ1和最大剪应力τmax作为研究对象。有研究表明,旧混凝土路面接缝处最上方沥青加铺层最容易产生反射裂缝,反射裂缝由沥青层底向上发展[8]。因此选择沥青面层底接缝上方A点为最不利点,聚酯玻纤布底B点为设置聚酯玻纤布和应力吸收层情况下的对比点。

2.1 沥青加铺层厚度对应力的影响

沥青加铺层厚度会影响反射裂缝的扩张路径及速度[9],图2为模型1、2、3、4提取A点处应力值得到的沥青加铺层底应力随加铺层厚度的变化曲线,由图2可知,沥青加铺层底应力与沥青面层厚度呈负相关。沥青面层厚度由5cm增加到10cm时,接缝处沥青层底应力σe、σ1和τmax下降幅度分别达到45.7%、43.8%和31.0%,由10cm增加到15cm时,σe、σ1和τmax下降幅度仅为22.5%、30.8%和6.7%,且随着沥青面层厚度的继续增加,其对σe、σ1和τmax的减小作用越来越小。图2可以看出曲线在厚度为10cm处出现拐点,表明沥青面层厚度超过10cm时,沥青面层厚度的增加对层底不利受力状态的削弱作用明显减弱,加之工程造价的持续增高,此种抗反射裂缝的实际应用价值将大打折扣。因此,通过一味地增大沥青加铺层厚度来防止反射裂缝是不经济且不合理的,只需将沥青加铺层厚度控制在某一适当范围内即可,如文中的计算模型沥青面层厚度为10cm是最为经济有效的。

图2 沥青加铺层厚度对应力的影响

2.2 不同抗裂缝措施效果分析

为了分析不同抗裂缝处治措施的防反射效果,提取模型2、5、6、7沥青层底A点处应力值绘于图3,表3为沥青加铺层底应力下降幅度。在沥青加铺层和旧混凝土板之间增设聚酯玻纤布或应力吸收层均可有效减小沥青加铺层底应力,聚酯玻纤布等加筋材料具有隔离阻断、传递荷载等作用,可有效减小沥青层底剪应力,限制裂缝向上扩展,应力吸收层通过吸收部分面层传递的竖向应力有效减小了Mises等效应力σe和最大主应力σ1,而其层间作用对削弱沥青层底剪应力τmax的贡献作用也是显著的。总的来说,只设置应力吸收层比只设置聚酯玻纤布抗裂缝效果更好。对于同时设置聚酯玻纤布和应力吸收层的处治措施,充分发挥了两者的抗裂缝优势,沥青层底的最大主应力σ1和剪应力τmax均大幅减小,其抗裂缝效果比仅设置聚酯玻纤布和应力吸收层都显著增强。综合上述分析,聚酯玻纤布和应力吸收层均可缓解沥青面层底部A点的应力集中,从而抑制反射裂缝的发展,其中应力吸收层比聚酯玻纤布的抗裂缝效果更佳,而两者组合可最大限度的延缓沥青面层开裂,在经济条件允许的情况下,无疑采用聚酯玻纤布+应力吸收层的处治措施是最优的。

图3 不同抗裂缝措施对应力的影响

表3 沥青加铺层底应力下降幅度

2.3 旧混凝土路面厚度对应力的影响

《公路水泥混凝土路面设计规范》[10](JTG D40—2011)指出水泥混凝土面层厚度的取值与交通荷载等级和公路等级均有关,根据规范[10]建议的面层厚度选取20cm、24cm、28cm来研究旧混凝土路面厚度对沥青加铺层反射裂缝的影响,其中20cm代表三、四级公路,24cm代表一、二级公路,28cm代表高速公路和交通荷载等级为特重的一级公路。

有限元模型7、8、9计算的沥青加铺层底A点处的应力值和聚酯玻纤布底裂缝上方B点的应力值见图4。随着旧混凝土路面厚度的增加,A点处Mises应力缓慢增加,最大主应力缓慢减小,最大剪应力基本不变;B点处应力值均随混凝土路面厚度的增加而缓慢增加,且B点处应力值远大于A点处应力值,其中最大主应力表现尤为明显。这表明聚酯玻纤布和应力吸收层具有应力吸收作用,削弱了沥青面层底的应力集中,使得混凝土路面厚度对最大剪应力的影响微乎其微,最大主应力随混凝土路面厚度增加呈减小趋势。总的来说,对于设置聚酯玻纤布和应力吸收层的路面“白加黑”工程,旧混凝土路面厚度对沥青加铺层反射裂缝的影响较小,设计时可不把混凝土路面厚度作为主要考虑对象。

图4 旧混凝土路面厚度对应力的影响

3 试验路铺筑

覆卮山景区盘山公路约2.69km,设计时速15km/h,路基宽度为6.75m,路面宽度为6m,原路面结构采用20cm厚水泥混凝土面层+20cm厚水泥稳定碎石基层,横断面为两块板布置,单块水泥混凝土面板宽3m,长4.5m。水泥混凝土路面局部路段有裂缝、碎边、坑槽等病害,路面破损程度为良好至中等。公路“白改黑”设计方案为:病害处理后的旧水泥混凝土路面+1.3mm聚酯玻纤布(纵横向接缝1m宽范围内)+1cm同步碎石应力吸收层+6cmAC-20C普通沥青混凝土+4cmSBS改性AC-13C沥青混凝土,聚酯玻纤布和应力吸收层铺筑如图5所示。试验路施工完成后,平整度仪测定的标准偏差σ为2.1mm,国际平整度指数IRI为3.8m/km。道路运营半年后,路面检测RQI指标为96,行使质量指数得到大幅提升,PCI指标为100,路面未发生病害情况。

图5 聚酯玻纤布和应力吸收层铺筑现场

4 结论

(1)增加沥青加铺层厚度可削弱沥青面层底不利应力状态,沥青面层底应力随加铺层厚度的变化曲线在10cm处出现拐点,通过一味地增大沥青加铺层厚度来防止反射裂缝是不经济且不合理的。考虑经济效果,沥青加铺层厚度存在一最优值,10cm为宜。

(2)设置聚酯玻纤布和应力吸收层均是有效的抗裂缝措施,抗裂缝效果:直接加铺沥青层<聚酯玻纤布<应力吸收层<聚酯玻纤布+应力吸收层。

(3)对于设置聚酯玻纤布和应力吸收层的路面“白加黑”工程,接缝上方聚酯玻纤布底应力远远大于沥青面层底应力,聚酯玻纤布和应力吸收层通过应力吸收和隔离阻断作用可延缓反射裂缝的发展;旧混凝土路面厚度对沥青加铺层反射裂缝的影响较小,设计时可不重点考虑。