姚新宇，周勝波，潘飛利，覃麗梅

(1.廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007；2.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西　南寧　530007)

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舊水泥混凝土路面瀝青罩面層力學響應(yīng)與車轍分析

姚新宇1，2，周勝波1，2，潘飛利1，2，覃麗梅1，2

(1.廣西交通科學研究院，廣西南寧530007；2.廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點實驗室，廣西南寧530007)

摘要：文章采用有限元軟件ANSYS建立車轍預估模型，分析不同軸載下及改變結(jié)構(gòu)層厚度時舊水泥混凝土路面瀝青罩面結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力分布特點。計算分析結(jié)果表明，壓應(yīng)力是車轍形成的敏感因素和擬定結(jié)構(gòu)層厚度的重要參考指標，同時罩面層抗車轍設(shè)計還需考慮剪應(yīng)力的分布特點。

關(guān)鍵詞：道路工程；瀝青罩面層；舊水泥混凝土路面；力學分析；車轍

0引言

我國早期高速公路與城市道路建設(shè)中大多采用水泥混凝土路面，但由于瀝青混凝土路面具有與汽車輪胎良好附著，減震明顯，低噪不揚塵，施工養(yǎng)護工序不繁瑣等諸多優(yōu)點[1]，現(xiàn)今國內(nèi)水泥混凝土舊路改造廣泛采用瀝青混凝土罩面。由于水泥混凝土面板剛度大，我國車輛超載嚴重交通渠化明顯，車轍均發(fā)生在罩面層且為沿行車輪跡產(chǎn)生的縱向帶狀“W”型凹槽[2][3]。

國內(nèi)外學者對瀝青混凝土面層結(jié)構(gòu)力學響應(yīng)與車轍預估均做了較深入研究，英國TRL的Nunn等人[4]調(diào)查分析了英國瀝青道路的路面結(jié)構(gòu)層厚度與車轍平均厚度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層越薄越容易發(fā)生車轍。Weissman，S.L，Harvey，J.T和L.Popescu等人[5]研究指出瀝青路面發(fā)生永久變形的主要深度區(qū)域基本集中在100 mm-150 mm范圍內(nèi)，而最大剪應(yīng)力則大約在距路面頂面以下5 cm處左右。王翼、孫立軍等人[6]考慮了瀝青混凝土的熱敏感性擬合的車轍預估模型是以剪切變形為主要控制因素。因此結(jié)合理論對水泥混凝土路面瀝青罩面結(jié)構(gòu)層進行力學分析具有重要意義，為設(shè)置罩面層合理厚度與車轍成因研究提供參考依據(jù)。

1參數(shù)設(shè)定與模型建立

1.1路面尺寸與邊界條件擬定

依托市政道路檢測工程，根據(jù)設(shè)計圖紙建立長寬高3 m×3 m×5 m立方體，其中下承層與路面總厚度為5 m(路面總厚度為64 cm，包括上中下面層分別為AC-16、AC-20、AC-25，厚度分別為5 cm、6 cm、7 cm，以及26 cm的水泥混凝土路板與20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、土基6部分組成)。

圖1　網(wǎng)格劃分圖

采用有限元軟件ANSYS單元SOLID45進行離散處理，單元格劃分如圖1所示。約束立方體四個側(cè)面的水平方向位移，允許垂直方向的位移以及任意方向自由轉(zhuǎn)動，立方體底部進行完全約束，立方體上表面為自由面。鑒定各結(jié)構(gòu)層之間的接觸條件是良好的，因此采用GLUE粘結(jié)和下層建立聯(lián)系。

1.2車輛軸載

在考慮100 kN標準軸載的同時，還要考慮160 kN、200 kN、240 kN和300 kN軸載4種超載情況進行路面結(jié)構(gòu)力學分析，分析路面各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力狀況及特點，輪胎與路面的接觸壓力隨輪重及胎壓而變并不是一個定值。輪重越大，則需要的胎壓就越大，而輪胎與路表面的接觸壓力隨輪重的增大而增大[7]。輪胎的接地壓力用Ikeda給出的經(jīng)驗關(guān)系式得到[8]，對于不同軸載條件下的輪寬、輪高和胎壓如表1所示。

p=0.004 2 P′+0.29 pi+0.145

(1)

式中：p——輪胎接地壓力(MPa)；

P′——雙輪重(kN)；

pi——輪胎內(nèi)壓(MPa)；

其中：pi=0.004 6P′+0.517。

表1　軸載與輪壓關(guān)系表

1.3材料參數(shù)

瀝青混合料是一種粘彈性材料，且具有較強的高溫敏感性，強度和模量都隨著溫度的升高而有明顯的降低。由式2計算瀝青路面各亞層內(nèi)平均溫度[9]。

年有效氣溫MATTeff≥20 ℃時：

Teff=(2.63-0.51 lgh)MATTeff+4 lgh-12.6

(2)

年有效氣溫MATTeff<20 ℃時：

Teff=(2.1-0.33 gh)MATTeff-1.1

(3)

式中：h——路面各結(jié)構(gòu)層層底到路表厚度(mm)；

Teff——各結(jié)構(gòu)層內(nèi)平均溫度(℃)；

MATTeff——年有效氣溫(℃)。

通過調(diào)查該地級市2014年平均氣溫，并搜集該市氣象部門資料，可以計算得出年有效加權(quán)氣溫MATTeff為26.75 ℃。如表2所示。

表2　瀝青各結(jié)構(gòu)層平均溫度表

據(jù)《瀝青路面強度變化規(guī)律及養(yǎng)護》[10]中的公式：

(4)

式中：Et——t溫度下的模量；

Ec——標準溫度C下的模量，C一般取20 ℃。

層位平均溫代入上述公式中，根據(jù)該市地區(qū)夏季高溫季節(jié)溫度特征，考慮溫度對路面瀝青混合料模量的影響，利用公式4根據(jù)該市瀝青路面結(jié)構(gòu)各瀝青亞層層內(nèi)的平均溫度計算各亞層的回彈模量，所選路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)進行力學分析，如表3所示。

表3　各層材料參數(shù)與厚度表

2不同軸載下路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力與車轍計算分析

2.1壓應(yīng)力與車轍預估分析

瀝青路面輪跡帶下壓密變形主要來源于車輛輪載的豎向壓應(yīng)力。正確計算瀝青結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)力及其分布是分析路面表面車轍的重要手段。通過實驗室得出的材料試驗參數(shù)結(jié)合車轍預估模型，能夠比較準確地計算出車轍的深度。

通過ANSYS計算截取輪下橫向節(jié)點壓應(yīng)力發(fā)現(xiàn)最大值在輪胎正中心，同時軸載與胎壓的大小影響壓應(yīng)力的擴散，胎壓越大壓應(yīng)力分布由輪胎下中心位置向兩邊擴散就越明顯。軸載的大小密切影響著瀝青路面結(jié)構(gòu)層垂直方向的應(yīng)力分布。在進行車轍深度預估計算時，根據(jù)面層的上、中、下面層，將每一結(jié)構(gòu)層的頂層、底層的應(yīng)力取數(shù)值平均作為此結(jié)構(gòu)層的平均應(yīng)力。面層內(nèi)的壓應(yīng)力計算結(jié)果見表4。

表4　瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層平均應(yīng)力值表　(單位：MPa)

當載荷傳遞向下傳遞時應(yīng)力的擴散范圍作用明顯但是壓應(yīng)力的消減顯著，壓應(yīng)力傳遞到土基頂面時已經(jīng)特別小，作用范圍不斷增大，壓應(yīng)力消減非常明顯，到土基頂面已經(jīng)很小。在此僅列出面層的應(yīng)力值。由上面的結(jié)果可知，面層壓應(yīng)力隨著車輛載荷的增大而明顯增大，標準軸載作用下的上面層壓應(yīng)力僅為超限200%時的35%。本文根據(jù)公式5車轍預估模型[11]計算車轍深度。

(5)

式中：n——瀝青結(jié)構(gòu)層層數(shù)；

hi——i層厚度，單位mm；

aTi——第i層溫度修正系數(shù)；

σi——i層平均應(yīng)力；

σlab——應(yīng)力水平(根據(jù)室內(nèi)蠕變試驗)；

εvp(t)——黏性應(yīng)變(在加載時間t條件下)。

其中：εvp=a(t)b

(6)

式中：t——加載的時間；

a，b——回歸系數(shù)。

其中a取0.003，b取0.23，均為室內(nèi)混合料黏性參數(shù)模型系數(shù)。分別取5種工況下的載荷累積總用次數(shù)107、5×107、108和109，卡車速度一般在50 km/h，其輪胎作用于地面的時間約為0.015 s。σlab由試驗得出，上中下面層混合料分別取0.4 MPa、0.39 MPa、0.37 MPa。試驗溫度的確定由現(xiàn)場實測。

瀝青混合料黏性應(yīng)變由公式(6)計算。結(jié)果如表5所示。

表5　瀝青混合料黏性應(yīng)變表

再通過公式5計算瀝青混凝土面層的車轍。在100 kN標準軸載作用下以及超載200%條件下，以荷載累計作用次數(shù)為橫坐標，以車轍作為橫坐標，可以得到下圖2?？梢钥闯鲕囖H深度與荷載累積作用次數(shù)具有很好的指數(shù)關(guān)系。

由該市干道交通量調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)果，左幅日平均當量軸次為1 873.93次，在15年設(shè)計壽命內(nèi)，標準軸載與200%超載條件下交通增產(chǎn)率與永久變形關(guān)系見表6。

表6　15年設(shè)計壽命交通增長率和路面永久變形關(guān)系數(shù)值表　單位(mm)

(a)100 kN軸載交通量與車轍的關(guān)系

(b)超載200%交通量與車轍的關(guān)系

由表6可知，超載對永久變形深度具有很大影響，不同交通增產(chǎn)率下，200%超載條件下車轍深度均超過標準軸載條件下深度的5.7倍。

2.2剪應(yīng)力分析

分別對不同軸重下路面結(jié)構(gòu)中各層的剪應(yīng)力進行分析，由ANSYS取斷面節(jié)點應(yīng)力觀察，剪應(yīng)力最大值一般出現(xiàn)在輪跡外邊緣，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3　不同層位剪應(yīng)力隨軸載變化情況曲線圖

由圖3可知無論在標準軸載還是在軸載超重的情況下，剪應(yīng)力值出現(xiàn)最大的范圍均在下面層底和中面層頂?shù)姆秶鷥?nèi)，因此提高上、中面層混合料的抗剪性能和高溫穩(wěn)定性是抵御車轍的較好方法。但隨著軸載的增大，剪應(yīng)力峰值下移，剪應(yīng)力較大值范圍區(qū)間增大且中下面層剪應(yīng)力增長幅度較大，軸載從100 kN增長到300 kN過程中，下面層剪應(yīng)力增幅分別為29.2%、30.2%、11.1%、86.2%，上面層剪應(yīng)力增幅分別為29.1%、15.1%、11.2%、69.8%。

3不同結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)力分析

3.1壓應(yīng)力分析

行車荷載作用產(chǎn)生的壓應(yīng)力的累積會使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎向壓密變形，若施工控制不嚴(壓實度不達標)，材料設(shè)計不當(級配不合理等)，基層、底基層整體性或板體性欠佳，下承層強度不夠等，在壓應(yīng)力的作用下都會使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻的豎向位移最終導致路面破壞。但是結(jié)構(gòu)層厚度不同，壓應(yīng)力不同，且累計變形也有所不同。選取路面結(jié)構(gòu)中的面層厚度作為影響因素，均采用100 kN標準軸載分析其變化對路面結(jié)構(gòu)受力的影響。路面結(jié)構(gòu)層厚度如表7所示。5種路面結(jié)構(gòu)類型在不同深度的壓應(yīng)力如圖4所示

表7路面結(jié)構(gòu)層厚度表

單位(cm)

圖4　不同面層結(jié)構(gòu)類型最大壓應(yīng)力曲線圖

由圖4所示，從左至右壓應(yīng)力曲線分別為路面結(jié)構(gòu)一至五。路面結(jié)構(gòu)越厚相同深度壓應(yīng)力越小。尤其是隨著深度的增加，路面層越厚，壓應(yīng)力減小幅度越大。如路面結(jié)構(gòu)五的總厚度為18 cm，路面結(jié)構(gòu)一總厚度為12 cm，他們在10～11 cm深處壓應(yīng)力差距最大，路面結(jié)構(gòu)厚度從12 cm增加到18 cm，相應(yīng)壓應(yīng)力減小7.4%。

3.2剪應(yīng)力分析

5種路面結(jié)構(gòu)類型在不同深度的最大剪應(yīng)力如圖5所示

圖5　不同面層結(jié)構(gòu)類型最大剪應(yīng)力曲線圖

由圖5可知，隨著厚度的增大，同深度的剪應(yīng)力略有增大，峰值最大增幅僅6.3%。剪應(yīng)力的峰值隨著厚度增大而下移(厚度從12 cm增大到18 cm，峰值下移1 cm)，但是峰值下移幅度沒有厚度的增加值大。所以路面結(jié)構(gòu)一(12 cm)剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中面層，路面結(jié)構(gòu)二(13.5 cm)-路面結(jié)構(gòu)四(16.5 cm)剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上面層與中面層結(jié)合處，路面結(jié)構(gòu)五(18 cm)剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上面層。

表8為不同路面結(jié)構(gòu)上、中、下面層最大剪應(yīng)力值，下頁表9為中、下面層最大剪應(yīng)力與上面層最大剪應(yīng)力比值。

表8　不同路面結(jié)構(gòu)上、中、下面層最大剪應(yīng)力值表

表9　中、下面層最大剪應(yīng)力與上面層最大剪應(yīng)力比值表

如表9所示，面層厚度越薄，上、中、下面層的最大剪應(yīng)力差距越小，面層更容易發(fā)生整體橫向剪切流動或豎向剪切破壞。面層厚度越厚，上、中、下面層的最大剪應(yīng)力差距越大，同時剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上面層，僅容易在上面層發(fā)生橫向剪切流動。

4結(jié)語

(1)隨著軸載的增大，中下面層的壓應(yīng)力增長的倍數(shù)大于軸載增長倍數(shù)。且永久變形深度增加倍數(shù)大于軸載增加倍數(shù)，壓應(yīng)力是車轍形成的敏感因素。

(2)剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上面層，隨著軸載的增大，剪應(yīng)力峰值下移且中下面層的剪應(yīng)力增長速率增大，對于超載路段應(yīng)同時重視中下面層的抗車轍能力。

(3)隨著罩面結(jié)構(gòu)層厚度增加，同深度的壓應(yīng)力減小，可減少集料壓密壓碎現(xiàn)象；但是厚度的增加也會造成累積變形的增加。可根據(jù)罩面層不同深度壓應(yīng)力與累積變形綜合考慮擬定合理的厚度。

(4)隨著結(jié)構(gòu)層厚度增加，同深度的剪應(yīng)力略有增大。但罩面層越厚，上、中、下面層最大剪應(yīng)力值差距越大。

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Analysis on Mechanical Response and Rutting of Old Cement Concrete Pavement Asphalt Overcoat layer

YAO Xin-yu1，2，ZHOU Sheng-bo1，2，PAN Fei-li1，2，QIN Li-mei1，2

(1.Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007；2.Guangxi Key Laboratory of Road Materials and Structures，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：This article established the rutting estimation model by using the finite element software ANSYS，and analyzed the stress and shear distribution characteristics of asphalt overcoat structure layer of old cement concrete pavement under different axis load and when changing the structure layer thick-ness.Calculation results showed that the compressive stress is the sensitive factor for the rut formation and the important reference indicator to determine the structure layer thickness，while the overcoat layer anti-rut design shall also consider the shear distribution characteristics.

Keywords：Road engineering；Asphalt overcoat layer；Old cement concrete pavement；Mechanical analysis；Rut

收稿日期：2015-12-20

文章編號：1673-4874(2016)01-0027-06

中圖分類號：U416.216

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2016.01.007

作者簡介

姚新宇(1989—)，助理工程師，碩士，從事道路結(jié)構(gòu)與材料研究工作；

周勝波(1979—)，工程師，博士，從事道路結(jié)構(gòu)與材料研究工作；

潘飛利(1986—)，助理工程師，從事試驗檢測檔案管理工作；

覃麗梅(1975—)，助理工程師，主要從事道路工程試驗檢測工作。