設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面車輛荷載應(yīng)力有限元分析

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 公路工程系，陜西 西安 710018；2.長安大學(xué) 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064)

摘要：針對(duì)剛性基層瀝青路面的反射裂縫問題，提出采用OLSM-25(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes, OLSM)作為防裂層的方法，以國內(nèi)外OLSM參考級(jí)配為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗(yàn)段修筑情況，采用三維有限元方法，建立設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面有限元模型，對(duì)其車輛荷載應(yīng)力進(jìn)行有限元數(shù)值分析，提出OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的實(shí)用計(jì)算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).結(jié)果表明：在車輛荷載偏載作用下，軸載、貧混凝土基層厚度、瀝青面層厚度、OLSM-25防裂層模量及厚度對(duì)OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力具有顯著影響.

關(guān)鍵詞：道路工程；開級(jí)配大粒徑瀝青碎石；三維有限元；車輛荷載應(yīng)力；數(shù)值分析；防裂層

收稿日期:2015-06-18；

修訂日期：2015-07-14

基金項(xiàng)目:中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目(CHD 2010JC011)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(14JK1067)

作者簡介:趙亞蘭(1979—)，女，陜西眉縣人，陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，主要從事公路路面結(jié)構(gòu)與材料研究,E-mail: 1204457943@qq.com.

文章編號(hào):1671-6833(2015)05-0088-04

中圖分類號(hào)：U416.224

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.019

Abstract:In view of the problem of the reflective cracking in the rigid base asphalt pavement, a method of using Open-graded Large Stone asphalt Mixes (OLSM) as the anti-cracking layer is proposed. On the basis of the reference gradation of OLSM in the domestic and international, combined with the test roads construction, by means of three-dimensional finite element method, the finite element model of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer has been established. Finite element numerical analysis on traffic load stress of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer have been done. And practical formula of traffic load stress for OLSM-25 anti-cracking layer has been proposed. All these provide a theoretical basis for structural design of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer. The result show that: under the action of the asymmetric traffic load, axle load, thickness of lean concrete base, thickness of the asphalt surface layer, modulus and thickness of OLSM-25 anti-cracking layer have significant influence on the traffic load stress of OLSM-25 anti-cracking layer.

0引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在交通荷載和環(huán)境因素作用下會(huì)產(chǎn)生荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力及耦合應(yīng)力。對(duì)于OLSM防裂層而言，當(dāng)基層存在裂縫且三者應(yīng)力超過OLSM防裂層容許抗拉強(qiáng)度時(shí)，OLSM防裂層將產(chǎn)生裂縫，在三者應(yīng)力反復(fù)作用下裂縫自下而上將逐漸擴(kuò)展至瀝青面層路表，最終導(dǎo)致整個(gè)瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞[1].筆者采用三維有限元法，結(jié)合試驗(yàn)路建立設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型與參數(shù)，分析軸載以及各結(jié)構(gòu)層的厚度和模量等8個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的影響規(guī)律，提出OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力計(jì)算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算依據(jù).

1有限元計(jì)算模型與參數(shù)

1.1有限元計(jì)算模型

圖1為試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青路面計(jì)算模型，其中基礎(chǔ)指由路基、底基層等組成的路面綜合支承體系.針對(duì)該彈性層狀體系結(jié)構(gòu)，在符合瀝青路面基本假定基礎(chǔ)之上，還需做以下幾點(diǎn)假定[2-3]：①應(yīng)力分析時(shí)不考慮路面結(jié)構(gòu)重力場(chǎng)；②貧混凝土基層中部1 cm寬度的原始裂縫處無豎向荷載傳遞能力.基于已有研究對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的收斂性分析結(jié)論，基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸擬定為10.50 m×9.00 m×16.00 m.

在分析交通荷載作用下荷載應(yīng)力時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100.根據(jù)已有研究對(duì)中荷載和偏荷載兩種荷載作用位置對(duì)比分析結(jié)論[4-6]，偏荷載作用為最不利荷載位置.試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型[4]見圖1.

1.2計(jì)算參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果[7-9]，OLSM-25級(jí)配組成見表1，表1為OLSM-25的推薦級(jí)配范圍。在試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，采用推薦級(jí)配的上限作為防裂層級(jí)配.

分析瀝青路面結(jié)構(gòu)中OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力時(shí)，所采用的計(jì)算參數(shù)見表2，以試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)作為計(jì)算基本結(jié)構(gòu)，逐一變化軸載、基礎(chǔ)模量、貧混凝土基層模量及厚度、防裂層模量及厚度、瀝青面層模量及厚度8個(gè)主要參數(shù)，8個(gè)參數(shù)的變化范圍見表3，分析8個(gè)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力σ1的影響規(guī)律，比較8個(gè)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力指標(biāo)的影響程度，從而確定出8個(gè)參數(shù)中對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響顯著的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力計(jì)算公式.

在BZZ-100偏載作用下，OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在基層裂縫頂端A點(diǎn)位置[4, 10-11]，圖2為OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力點(diǎn)位置.根據(jù)材料強(qiáng)度的最大拉應(yīng)力理論[12-13]，在以下的荷載應(yīng)力分析中，主要考察OLSM-25防裂層底部A點(diǎn)的主應(yīng)力σ1.

圖1　試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青

篩孔尺寸/mm通過各篩孔的質(zhì)量百分率/%31.526.5191613.29.5級(jí)配范圍10095-7571-5261-4352-3539-25篩孔尺寸/mm通過各篩孔的質(zhì)量百分率/%4.752.361.180.60.30.150.075級(jí)配范圍22-1217-810-46-24-12-11-0

表2　計(jì)算參數(shù)

圖2　OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力點(diǎn)位置

軸載P/kN基礎(chǔ)模量E0/MPa貧混凝土基層模量E1/MPa厚度h1/cmOLSM-25防裂層模量E2/MPa厚度h2/cm瀝青面層模量E3/MPa厚度h3/cm80～20025～80010000～3000016～28400～8008～14600～22009～14

2OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力分析

2.1荷載應(yīng)力參數(shù)影響規(guī)律分析

經(jīng)過有限元計(jì)算，OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力在軸載P等8個(gè)參數(shù)逐一變化時(shí)的計(jì)算結(jié)果見圖3.由圖3分析可知OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力受軸載P等8個(gè)參數(shù)的影響規(guī)律.

(1)軸載.在交通荷載偏載作用下，當(dāng)軸載P由80 kN增至200 kN時(shí)(增幅150%)，最大主應(yīng)力σ1隨著軸載P的增大呈線性增加趨勢(shì)，最大主應(yīng)力σ1增幅144%，軸載P對(duì)OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力的影響作用顯著.

(2)基礎(chǔ)模量.在BZZ-100偏載作用下，最大主應(yīng)力σ1隨著基礎(chǔ)模量E0的增大而減小，最大主應(yīng)力降幅41%，OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力受基礎(chǔ)模量E0的影響較小.

(3)貧混凝土基層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨基層模量及厚度的增大而減小.當(dāng)貧混凝土基層模量E1由10 000 MPa增至30 000 MPa時(shí)(增大2倍)，最大主應(yīng)力σ1降幅8%，貧混凝土基層模量E1對(duì)OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力影響很??；當(dāng)貧混凝土基層厚度h1由16 cm增至28 cm時(shí)(增幅75%)，最大主應(yīng)力降幅18%，OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力受貧混凝土基層厚度h1影響顯著.

圖3　OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的參數(shù)影響規(guī)律

(4)OLSM-25防裂層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨其自身模量的增大而增大，隨其自身厚度的增大而減小.當(dāng)OLSM-25防裂層模量E2由400 MPa增至800 MPa時(shí)(增大1倍)，最大主應(yīng)力σ1增幅16%，OLSM-25防裂層模量對(duì)最大主應(yīng)力影響較大；當(dāng)OLSM-25防裂層厚度h2由8 cm增至14 cm時(shí)(增幅75%)，最大主應(yīng)力σ1降幅36%，OLSM-25防裂層厚度h2對(duì)最大主應(yīng)力影響顯著.

(5)瀝青面層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨瀝青面層模量的增大而增大，隨瀝青面層厚度的增大而減小.當(dāng)瀝青面層模量E3由600 MPa增至2 200 MPa時(shí)(增大2.7倍)，最大主應(yīng)力σ1增幅3%，瀝青面層模量E3對(duì)OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力幾乎無影響；當(dāng)瀝青面層厚度h3由9 cm增至14 cm時(shí)(增幅56%)，最大主應(yīng)力σ1降幅12%，瀝青面層厚度h3對(duì)OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力影響顯著.

以上分析表明，在軸載P等8個(gè)主要參數(shù)中，軸載、貧混凝土基層厚度、瀝青面層厚度、OLSM-25防裂層模量及厚度等5個(gè)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響顯著.

2.2荷載應(yīng)力計(jì)算公式

為便于進(jìn)行OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在以上荷載應(yīng)力參數(shù)影響規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，建立OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力的計(jì)算公式如下

σ pa= k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 k 7 k 8 σ 1，

3結(jié)論

(1)采用三維有限元方法，以試驗(yàn)段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)為計(jì)算基本結(jié)構(gòu)，分析比較了軸載以及各結(jié)構(gòu)層的厚度和模量等8個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明：軸載、OLSM-25防裂層模量以及貧混凝土基層、瀝青面層、防裂層三層厚度對(duì)OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力影響顯著.

(2)在綜合分析軸載P等8個(gè)參數(shù)對(duì)OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了在交通荷載偏載作用下OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的計(jì)算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和計(jì)算依據(jù).

參考文獻(xiàn)：

[1]郭紅兵, 陳拴發(fā). 瀝青路面熱-荷載耦合應(yīng)力數(shù)值分析[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2010, 32(2): 15-19.

[2]王金昌, 陳頁開. ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M]. 杭州:浙江大學(xué)出版社, 2006.

[3]廖公云, 黃曉明. ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用[M]. 南京:東南大學(xué)出版社, 2008.

[4]郭紅兵. 設(shè)置開級(jí)配大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層的瀝青路面抗裂機(jī)理研究[D]. 西安: 長安大學(xué)公路學(xué)院, 2013.

[5]李彩霞, 張爭(zhēng)奇. 柔性基層在重載道路補(bǔ)強(qiáng)中的可行性分析[J]. 西安科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 34(5): 574-578.

[6]郭紅兵. 大粒徑瀝青碎石緩解層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析[D]. 西安: 長安大學(xué)公路學(xué)院, 2008.

[7]付其林，陳拴發(fā)，陳華鑫. 級(jí)配對(duì)開級(jí)配大粒徑瀝青碎石路用性能的影響[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2010, 31(3): 82-86.

[8]付其林, 陳拴發(fā), 陳華鑫. 開級(jí)配大粒徑瀝青混合料路用性能研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010,32(7): 72-76.

[9]付其林. 開級(jí)配大粒徑瀝青碎石組成設(shè)計(jì)參數(shù)與方法研究[D]. 西安: 長安大學(xué)公路學(xué)院, 2011.

[10]彭翀. 貧混凝土基層瀝青路面抗反射裂縫結(jié)構(gòu)研究[D]. 西安: 長安大學(xué)公路學(xué)院, 2006.

[11]陳拴發(fā), 彭翀, 王松根, 等. 貧混凝土基層瀝青路面荷載應(yīng)力有限元分析[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 27(6): 1-5.

[12]牛力強(qiáng). 交通荷載作用下港區(qū)道路受力特性研究[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版, 2014, 35(6): 95-99.

[13]郭紅兵, 陳拴發(fā). 設(shè)置OLSM-25裂縫緩解層的瀝青路面疲勞分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 35(10): 54-59.

Finite Element Analysis on Traffic Load Stress of Asphalt Pavement with

Open-graded Large Stone Asphalt Mixes (OLSM-25) Anti-cracking Layer

(1.Department of Highway Engineering, Shaanxi College of Communication Technology, Xi’an 710018, China; 2.Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Key words: road engineering; open-graded large stone asphalt mixes; three-dimensional finite element; traffic load stress; numerical analysis; anti-cracking layer