付 濤

（山東高速齊魯建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

1 引言

水泥混凝土路面憑借其強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)公路及城市道路中得到了廣泛應(yīng)用，但隨著交通量的增加，先前設(shè)計(jì)的水泥混凝土路面大多已達(dá)到使用壽命，需要對(duì)其進(jìn)行改建和性能提升。已有工程實(shí)踐表明，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層可以顯著改善其使用性能[1-5]。

曹東偉和胡長(zhǎng)順[6]利用有限元軟件計(jì)算了帶有夾層加鋪層結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移。穆川川[7]通過有限元計(jì)算認(rèn)為在舊水泥路面和瀝青加鋪層之間有必要按要求設(shè)置不同厚度和模量的應(yīng)力吸收層。李淑明等[8]通過有限元計(jì)算分析表明在舊水泥混凝土瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)中使用土工織物可以延緩路面的反射裂縫的出現(xiàn)。綜上可以看出，有限元是分析舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)計(jì)算的有效手段，且目前的處置手段并未有效改善加鋪層出現(xiàn)的反射裂縫病害。

因此，文章依托山東省某舊水泥路面改造工程，通過建立舊水泥混凝土路面和瀝青加鋪層的力學(xué)分析模型，探究了瀝青加鋪層在荷載、溫度場(chǎng)作用下的力學(xué)響應(yīng)，并對(duì)工程項(xiàng)目中提出的抑制反射裂縫技術(shù)措施，通過理論計(jì)算進(jìn)行對(duì)比分析。

2 計(jì)算條件及假設(shè)

路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，從由瀝青加鋪層、層間處置措施層（本項(xiàng)目根據(jù)試驗(yàn)路段的技術(shù)方案，包括應(yīng)力吸收層、抗裂貼和不設(shè)層間處置3種形式）、舊水泥混凝土路面、基層和路基組成，建立空間三維模型。計(jì)算模型存在著如下假設(shè)：

（1）土基、基層及瀝青層均為連續(xù)介質(zhì)，而PCC板在接（裂）縫處則是不連續(xù)的。

（2）舊水泥路面板與基礎(chǔ)光滑接觸。按現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算板底應(yīng)力時(shí)，認(rèn)為基礎(chǔ)對(duì)板的水平方向摩阻力可以忽略，從而按層間光滑考慮，即在有限元模型中只在豎直方向上進(jìn)行了位移耦合。

（3）舊水泥路面板與瀝青加鋪層間完全連續(xù)[9]。

（4）層間處置措施采用應(yīng)力吸收層時(shí)，應(yīng)力吸收層與舊水泥路面板之間完全連續(xù)。層間處置措施采用抗裂貼時(shí)，抗裂貼認(rèn)為與舊水泥路面板和瀝青混凝土之間均為完全連續(xù)接觸。

（5）板間接縫考慮一定寬度，本項(xiàng)目中接縫寬度取1 cm。

（6）板間的傳荷能力忽略[9]。

（7）基層根據(jù)原水泥路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，厚度為20 cm，土基為彈性半空間地基。

3 計(jì)算參數(shù)

3.1 有限元模型尺寸

根據(jù)試驗(yàn)路的舊路調(diào)查結(jié)果，擬定舊水泥混凝土路面的計(jì)算參數(shù)為水泥混凝土路面板長(zhǎng)5 m，寬4.5 m，厚240 mm。采用擴(kuò)大基礎(chǔ)能夠有效降低水泥路面結(jié)構(gòu)的計(jì)算誤差，經(jīng)過誤差分析，半剛性基層和路基的平面尺寸相同，尺寸擬定為11.0 m×5.5 m，半剛性基層厚度根據(jù)調(diào)查結(jié)果取20 cm，地基厚度為2 m。

3.2 有限元模型的材料參數(shù)

有限元模型中路面結(jié)構(gòu)各層的材料參數(shù)見表1。

表1 舊水泥路面瀝青加鋪層路面結(jié)構(gòu)的各層材料參數(shù)

3.3 計(jì)算荷載

采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作為行車荷載，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa，將輪載簡(jiǎn)化為方形均布荷載，尺寸為20 cm×20 cm，同側(cè)雙輪的間距為10 cm，BZZ-100為單軸－雙輪，雙側(cè)車輪間距為180 cm，軸間距為130 cm，可以通過調(diào)節(jié)壓強(qiáng)來調(diào)整荷載的大小，如圖1所示。

圖1 荷載示意圖

4 不同層間處置措施的有限元模型

4.1 應(yīng)力吸收層的設(shè)置

實(shí)踐工程表明在舊水泥混凝土板及瀝青加鋪層之間設(shè)置應(yīng)力吸收中間層可以有效防止反射裂縫的產(chǎn)生。因此，在有限元模型中設(shè)置了應(yīng)力吸收層，根據(jù)本試驗(yàn)段的方案，應(yīng)力吸收層厚度為2 cm，有限元模型如圖2所示。

圖2 設(shè)置應(yīng)力吸收層的有限元模型局部細(xì)化

4.2 抗裂貼的設(shè)置

抗裂貼層間處置技術(shù)是近幾年新引進(jìn)的用于處置舊路加鋪后防止反射裂縫的一種新技術(shù)，具有加筋、效能緩沖和隔水防滲的作用。本文依托的工程項(xiàng)目中舊水泥路面板接縫和裂縫處布設(shè)抗裂貼如圖3所示。抗裂貼的厚度為0.5 mm，為了能夠分析抗裂貼的抗裂及抑制反射裂縫擴(kuò)展機(jī)理，建立了三維有限元模型，如圖4所示。

圖3 抗裂貼在舊水泥路面瀝青加鋪層中的應(yīng)用

圖4 有限元模型中抗裂貼的局部細(xì)化

5 荷載應(yīng)力計(jì)算分析

5.1 加鋪層應(yīng)力隨著荷載作用位置的變化

當(dāng)未采取層間處置措施時(shí)，以瀝青加鋪層厚度為6 cm為例，對(duì)車輛荷載作用在不同位置時(shí)的加鋪層應(yīng)力進(jìn)行分析。以荷載作用面積為單元，從距離接縫1 m處開始施加荷載，荷載作用過程如圖5所示。

圖5 行車荷載的作用位置

荷載作用于不同位置時(shí)，接縫處瀝青加鋪層的剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力變化如圖6所示。當(dāng)荷載所處的位置不同，瀝青加鋪層的豎向位移，最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力均變化顯著。由圖6（a）可知，當(dāng)行車荷載作用于接縫處正上方時(shí)，瀝青加鋪層的豎向變形小于荷載作用于板一側(cè)，最大主應(yīng)力表現(xiàn)為正應(yīng)力，剪應(yīng)力接近于0，說明行車荷載作用于板一側(cè)時(shí)對(duì)瀝青加鋪層的最不利。通過圖6（b）和6（c）可知，當(dāng)荷載中心作用于距板接縫30 cm時(shí)，瀝青加鋪層層底的最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力最大，因此后續(xù)的計(jì)算中將以該荷載作用位置為最不利荷載位置進(jìn)行分析。

圖6 瀝青加鋪層應(yīng)力隨著荷載作用位置的變化

5.2 瀝青加鋪層厚度對(duì)荷載應(yīng)力的影響

由圖6可知，當(dāng)車輛荷載作用在距接縫30 cm時(shí)在瀝青加鋪層底產(chǎn)生的主應(yīng)力和剪應(yīng)力最大，因此對(duì)行車荷載作用最不利位置時(shí)不同瀝青加鋪層厚度下接縫處加鋪層的豎向位移、剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示，隨加鋪層厚度的增加，接縫處的豎向位移、最大主應(yīng)力逐漸減小，而當(dāng)加鋪層厚度小于8 cm時(shí)，最大剪應(yīng)力衰減較緩慢，當(dāng)加鋪層厚度大于8 cm時(shí)，剪應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加迅速減小，這主要是由于加鋪層較薄時(shí)最大剪應(yīng)力產(chǎn)生的位置發(fā)生了變化?？紤]工程成本和車轍病害，加鋪層厚度應(yīng)控制在某一范圍。因此，瀝青加鋪層需配合其他防裂措施使用。

圖7 瀝青加鋪層應(yīng)力隨著加鋪層厚度的變化

5.3 瀝青加鋪層模量對(duì)荷載應(yīng)力的影響

圖8為瀝青加鋪層模量對(duì)加鋪層豎向位移和應(yīng)力的影響。由圖8（a）可知，隨著加鋪層模量的增加，抗變形能力的增加，豎向變形在逐漸減小。由圖8（b）和8（c）可知，接縫處瀝青加鋪層最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力隨著瀝青加鋪層模量的提升逐漸增大，與800 MPa相比，當(dāng)加鋪層的模量為2 000 MPa時(shí)，最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力分別增加了30.2%和102%。其中最大主應(yīng)力前期隨著模量增加較快，后期增長(zhǎng)較慢，而剪應(yīng)力隨著加鋪層模量表現(xiàn)為線性增加。說明加鋪層內(nèi)的應(yīng)力隨著瀝青混合料的彈性模量的增加逐漸增大，抗變形能力降低。綜上可以看出，瀝青加鋪層模量的提升不利于路面抗變形能力提升，但是有利于降低水泥混凝土路面接縫兩側(cè)的豎向變形。

圖8 瀝青加鋪層應(yīng)力隨著加鋪層模量的變化

5.4 舊水泥路面板損壞程度對(duì)荷載應(yīng)力的影響

為了分析舊水泥路面損壞程度對(duì)瀝青加鋪層的影響，通過調(diào)整水泥混凝土板彈性模量參數(shù)等效表征舊水泥路面的損壞程度，舊水泥混凝土路面板彈性模量越低，水泥路面的損壞越嚴(yán)重，抗變形能力越低。在本文的有限元模型中舊水泥混凝土板的彈性模量取值分別為5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa。圖9為舊水泥混凝土板損壞程度對(duì)瀝青加鋪層豎向位移和應(yīng)力的影響。隨著舊水泥混凝土板彈性模量增加，荷載作用下接縫處加鋪層的豎向位移和剪應(yīng)力均逐漸減小，而接縫處加鋪層的最大主應(yīng)力隨著舊水泥混凝土板模量的增加而增加，說明舊水泥路面損壞程度越嚴(yán)重，造成加鋪層結(jié)構(gòu)破壞的原因主要是剪切作用，而不是最大主應(yīng)力。

圖9 瀝青加鋪層應(yīng)力隨著舊水泥路面板模量的變化

5.5 不同層間處置措施的荷載應(yīng)力對(duì)比分析

圖10為不同處置措施時(shí)荷載作用下瀝青加鋪層底應(yīng)力。與層間未采取任何措施的瀝青加鋪層相比，采取應(yīng)力吸收層和抗裂貼的處置措施后，應(yīng)力吸收層層底和抗裂貼層底承受了較大應(yīng)力，但是2種材料均具有良好的抗拉性能，因此能夠有效避免反射裂縫產(chǎn)生，同時(shí)可以看到采取層間處置措施后瀝青加鋪層層底的最大主應(yīng)力和剪應(yīng)力都出現(xiàn)了明顯的降低，且抗裂貼效果要優(yōu)于應(yīng)力吸收層，建議在后續(xù)的工程中采用抗裂貼技術(shù)用于抑制反射裂縫的發(fā)展。

圖10 不同處置措施時(shí)荷載作用下瀝青加鋪層的應(yīng)力

6 結(jié)語

采用有限元軟件ANSYS建立了在舊水泥路面上加鋪瀝青層的計(jì)算模型，借鑒已有研究成果，分析確定了有限元模型的計(jì)算條件、尺寸、材料參數(shù)、單元?jiǎng)澐旨凹虞d方式等，并給出了考慮應(yīng)力吸收層和抗裂貼技術(shù)進(jìn)行層間處置的有限元計(jì)算模型，探究了加鋪層厚度、模量和舊水泥混凝土路面損壞程度對(duì)瀝青加鋪層荷載應(yīng)力的影響，最后對(duì)不同層間處置措施的荷載應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)采用應(yīng)力吸收層和抗裂貼后均能降低瀝青加鋪層層底應(yīng)力，抑制反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，且抗裂貼的效果要優(yōu)于應(yīng)力吸收層。與應(yīng)力吸收層相比，抗裂貼具有成本優(yōu)勢(shì)，建議在后續(xù)工程中推廣應(yīng)用。