馮 國(guó) 杰

(廣東中譽(yù)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528200)

水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面層力學(xué)響應(yīng)分析

馮 國(guó) 杰

(廣東中譽(yù)設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 佛山 528200)

通過(guò)使用通用有限元軟件ABAQUS，分別建立未加鋪瀝青層與加鋪瀝青層兩種結(jié)構(gòu)模型，分析在車(chē)輪荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，研究加鋪層對(duì)道面結(jié)構(gòu)的影響，得出結(jié)論：加鋪瀝青罩面層前后路表最大彎沉均出現(xiàn)在車(chē)輪荷載作用位置處，層底最大水平拉應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)軸中點(diǎn)處；增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層和水泥混凝土板底的拉應(yīng)力。

水泥混凝土，瀝青罩面，力學(xué)響應(yīng)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)的步伐逐漸放緩，之前建設(shè)的公路出現(xiàn)不同程度的功能性破壞，以及很多已建道路不能滿足交通需求，迫切地需要采取養(yǎng)護(hù)措施或改建。20世紀(jì)90年代，建設(shè)的公路路面主要以水泥混凝土為主。水泥混凝土路面與其他類(lèi)型路面相比，具有很高的抗壓強(qiáng)度和較高的抗彎拉強(qiáng)度及抗磨耗能力，水穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性均較好，強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)而提高，但是路面板間存在接縫，施工期較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)損壞修復(fù)困難，修復(fù)所需的費(fèi)用較高，周期較長(zhǎng)[1]。加鋪瀝青層是改善路面結(jié)構(gòu)性能和功能性能的有效手段，可以恢復(fù)路面的使用功能，提高其使用品質(zhì)，具有施工速度快、投資費(fèi)用小、使用效果好等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于水泥混凝土板上加鋪瀝青罩面層的研究如下：倪明等[2]通過(guò)建立半解析單元力學(xué)模型，計(jì)算分析了舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層的三維荷載應(yīng)力，探討加鋪層產(chǎn)生發(fā)射裂縫的機(jī)理。韓海影[3]利用ANSYS有限元計(jì)算工具，分析了水泥混凝土路面上不同加罩結(jié)構(gòu)以及各自不同的結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)，在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。但在實(shí)際工程建設(shè)中通常僅僅是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定加鋪層所用的材料以及加鋪層厚度，其他各結(jié)構(gòu)層的受力情況并不清楚，導(dǎo)致加鋪后道面較快出現(xiàn)病害或是建設(shè)施工的費(fèi)用較高。因此，本文基于上述情況，通過(guò)應(yīng)用通用有限元軟件ABAQUS建立兩種結(jié)構(gòu)模型，分別是未加鋪瀝青罩面與加鋪瀝青罩面兩種工況，并分析在車(chē)輪荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

1 模型建立

在路面結(jié)構(gòu)三維模型中，需要設(shè)定車(chē)輪荷載參數(shù)、道面結(jié)構(gòu)參數(shù)(厚度、材料)、邊界條件、層間接觸條件等。構(gòu)建合理的模型，是進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析的前提條件。

1.1 道面結(jié)構(gòu)參數(shù)

為模擬實(shí)際路面受力情況，研究中所用模型的尺寸為7.0 m×5.0 m，其中一塊水泥混凝土板尺寸為3.5 m×5.0 m，兩個(gè)水泥混凝土板之間采用彈簧單元作為傳力桿件。各路面結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)如表1所示。

1.2 車(chē)輪荷載參數(shù)

表1 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

表2 車(chē)輪荷載參數(shù)

1.3 邊界條件與模型單元類(lèi)型

模型邊界條件為在車(chē)輛的行駛方向和垂直行駛的方向，都約束路面結(jié)構(gòu)的水平位移。根據(jù)文獻(xiàn)資料[6]，采用基礎(chǔ)單元模擬地基支撐情況，取地基反應(yīng)模量為40 MN/m3。由于是以彈性層狀體系理論為研究基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)層之間的接觸設(shè)為完全連續(xù)。模型使用C3D8三維有限元單元進(jìn)行分析計(jì)算，在車(chē)輪作用的位置，網(wǎng)格應(yīng)畫(huà)密一些，在其他不需提取數(shù)據(jù)的位置，網(wǎng)格畫(huà)稀疏一些，這樣可以提高運(yùn)算速率并且獲得較好的分析效果。

2 力學(xué)分析

為了研究加鋪瀝青層前后的道面結(jié)構(gòu)受力情況，分別建立未加鋪瀝青層與加鋪瀝青層兩種結(jié)構(gòu)模型，分析的力學(xué)響應(yīng)量包括路面表面彎沉，加鋪瀝青層底以及水泥混凝土板底部的水平應(yīng)力。對(duì)于分析位置的選取，以車(chē)輪荷載中部的橫向路徑為研究對(duì)象。

2.1 路表彎沉

路面表面彎沉表征的是路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，垂直方向的位移，在我國(guó)路面設(shè)計(jì)規(guī)范中是作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此研究其在車(chē)輪荷載作用下的分布情況很有意義。分別提取加鋪瀝青罩面層前后橫向路徑上的表面彎沉數(shù)據(jù)，分析如下。

比較加鋪瀝青罩面層前后水泥混凝土板表面彎沉，如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在車(chē)輪荷載作用位置處，彎沉最大，是由于相鄰兩輪間荷載的疊加作用所產(chǎn)生的。加鋪瀝青層前后表面彎沉的分布大致相同。加鋪后的水泥混凝土板較加鋪前的彎沉更小，兩者最大彎沉分別為6.76×10-2mm和8.02×10-2mm，后者較前者大約18.6%。

比較加鋪瀝青層前水泥混凝土板與加鋪后瀝青層的表面彎沉，如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，加鋪瀝青層后道路表面彎沉較加鋪前更小，兩者最大彎沉分別為7.23×10-2mm和8.02×10-2mm，后者較前者大約10.9%，可能是由于水泥混凝土板剛度較大，使得加鋪瀝青層表面彎沉減小。

綜合上述分析可得，加鋪瀝青罩面層前后最大彎沉均出現(xiàn)在車(chē)輪荷載作用位置處，彎沉分布的規(guī)律基本相近。

2.2 層底水平應(yīng)力

層底水平應(yīng)力，包括拉應(yīng)力與壓應(yīng)力，其中我國(guó)規(guī)范將層底拉應(yīng)力作為路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo)。提取加鋪瀝青罩面層前后橫向路徑上層底水平應(yīng)力的數(shù)據(jù)，分析如下：

比較加鋪瀝青罩面層前后水泥混凝土板層底拉應(yīng)力，如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，加鋪瀝青層前后的層底最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在兩輪間中點(diǎn)處，分別為1.5 kPa和0.36 kPa，前者約為后者的4.17倍，加鋪瀝青層后可顯著減小水泥混凝土板底的拉應(yīng)力，改善路面結(jié)構(gòu)的受力狀況。

比較加鋪瀝青罩面前水泥混凝土板與加鋪瀝青罩面后瀝青層底的應(yīng)力分布，如圖5所示。由圖5可見(jiàn)，兩者分布規(guī)律相近，層底最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)軸中點(diǎn)處，為1.5 kPa和0.03 kPa，主要是由于瀝青層剛度較小，承受壓應(yīng)力。在車(chē)輪荷載作用位置處，層底并未出現(xiàn)拉應(yīng)力，而是壓應(yīng)力。在右側(cè)板間接縫處，出現(xiàn)應(yīng)力集中，此處壓應(yīng)力最大，大小為35.8 kPa。

綜上可得，加鋪瀝青罩面層前后層底最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)軸中點(diǎn)處，在右側(cè)板間接縫處的壓應(yīng)力最大。

2.3 瀝青層厚度的影響

改變加鋪瀝青罩面層的厚度，觀察厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響情況。增加50%加鋪瀝青層厚度，建立相應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)模型，并在相同的橫向路徑提取所需的瀝青層底拉應(yīng)力和水泥板底最大拉應(yīng)力數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 瀝青層厚度變化影響

從表3中可見(jiàn)，增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層與水泥混凝土板底的拉應(yīng)力，可以改善路面結(jié)構(gòu)的受力情況，減少層底裂縫的產(chǎn)生。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)使用有限元軟件ABAQUS建立路面結(jié)構(gòu)三維模型，并分析其在車(chē)輪荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，包括路面表面彎沉、加鋪瀝青層底與水泥混凝土板底應(yīng)力分布情況，得出以下結(jié)論：

1)加鋪瀝青罩面層前后最大彎沉均出現(xiàn)在車(chē)輪荷載作用位置處，彎沉分布的規(guī)律基本相近。加鋪后較加鋪前的水泥混凝土板彎沉更小，后者較前者大約18.6%；加鋪瀝青層后道路表面彎沉較加鋪前更小，后者較前者大約10.9%。

2)加鋪瀝青罩面層前后層底最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在車(chē)軸中點(diǎn)處，在右側(cè)板間接縫處的壓應(yīng)力最大。加鋪瀝青前較加鋪后水泥混凝土板層底拉應(yīng)力大約4.17倍，加鋪瀝青層后減小水泥混凝土板底的拉應(yīng)力。

3)增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層與水泥混凝土板底的拉應(yīng)力，可以改善路面結(jié)構(gòu)的受力情況，故設(shè)計(jì)合理的瀝青層厚度是至關(guān)重要的。

[1] 鄧學(xué)鈞.路基路面工程[D].北京：人民交通出版社,2000.

[2] 倪 明,姚祖康.混凝土路面上瀝青加鋪層的半解分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),1994,22(1):33-40.

[3] 韓海影,李 斌.舊水泥混凝土路面瀝青加罩的三維有限元分析[J].西部探礦工程,2005,113(9):166-169.

[4] JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5] JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 李巧生.水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)在多輪荷載作用下的響應(yīng)分析[J].振動(dòng)與沖擊,2010,29(2):78.

Analysis of mechanical response of asphalt overlay for cement concrete pavement

Feng Guojie

(GuangdongZhongyuInstituteCo.,Ltd,Foshan528200，China)

By using the finite element software ABAQUS, established two kinds of model, which were without asphalt overlay and with asphalt overlay structures, and analysed the mechanical response under wheel loads, study the influence of the overlay to the pavement structure. The conclusions are as follows: for the pavement surface of the two kinds of model, the maximum deflection appeared in the wheel loads position, the maximum horizontal tensile stress appeared at the midpoint of axle, increased the thickness of asphalt layer could reduce the tensile stress of the asphalt layer and cement concrete slab bottom.

cement concrete, asphalt overlay, mechanical response

2015-04-06

馮國(guó)杰(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)17-0121-02

U416.216

A