瀝青混凝土路面加鋪層結構力學分析

耿 皓,王 臣,崔海弘

(哈爾濱商業大學,哈爾濱 150028)

瀝青混凝土路面具有行車平穩、舒適、噪聲低維修養護方便、可以再生利用等優點,在各類公路和城市道路中得以廣泛應用.隨著交通量的不斷增加和軸載的逐漸加重,路面結構的損壞也日益加劇,許多瀝青路面在通車不久就產生不同程度的損壞[1].另外,當溫度變化時在路面結構層中產生溫度應力,當溫度應力超過路面結構材料的抗拉強度時或溫度應力反復作用時,也會導致路面結構層的破壞.隨著路齡的增長路面逐漸產生各種破壞,最終需要作某些處理.當瀝青路面結構承載力不能滿足行車荷載的要求或表面損壞嚴重,采用一般養護技術措施在經濟上不合理時,對瀝青路面進行加鋪改建可恢復其結構承載力.為此,本文依托 2008年哈大(哈爾濱—大慶)高速公路加鋪改造工程項目,采用有限元理論,對瀝青混凝土加鋪層在荷載、溫度應力作用下的受力情況進行了力學分析和比較,以掌握瀝青路面交通荷載、環境因素(溫度變化)、材料參數以及設置防反射裂縫措施后對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構的影響規律,為確定經濟、合理的路面結構加鋪方案提供理論依據.

1 有限元模型的建立

為深入分析瀝青加鋪層結構中的荷載應力和溫度應力,采用三維有限元法對設置及未設置防反射裂縫層的加鋪層結構進行對比分析.各實體模型如圖1所示.模型 1為直接加鋪瀝青路面結構;模型 2為設置防反射裂縫措施(如 STRATA應力吸收層)后加鋪結構;模型 3為舊混凝土面板破碎后新建瀝青路面[2].視路面結構為彈性層狀體系,由于層間鋪灑粘層油,因此假定各層完全連續接觸,將破碎混凝土面板視為新建瀝青面層的半剛性基層.各層材料參數如表1所示.交通荷載為標準軸載 BZZ-100,輪胎內壓 0.7 MPa,單個輪壓作用范圍 18.9 cm×18.9 cm,雙輪間距 32 cm,兩側輪隙間距為 182 cm[3].

圖1 三維實體模型

表1 各層材料參數

2 車輛荷載作用下瀝青加鋪層力學分析

2.1 瀝青混凝土厚度對加鋪層受力的影響

瀝青混凝土加鋪層的厚度與反射裂縫的擴展速度有很大的關系,加鋪層越厚,其防止或延緩反射裂縫的效果就越好,裂縫擴展到路表面的時間也就越長,但加鋪層也不可能無限度地增厚,一是因為經濟上不可行,二是加鋪層過厚易產生車轍,影響路面的使用性能[4].隨著加鋪層厚度的增加,加鋪層層底的正應力隨加鋪層厚度的增加而減小,剪應力隨加鋪層厚度的增加先增加后減小,在 7 cm附近剪應力達到最大值,從加鋪層受力狀況來看,在行車荷載作用下,加鋪層處于三向受壓狀態,可能產生壓密變形.表2是加鋪層層底應力隨厚度的變化參數值.2.1

表2 加鋪層層底應力隨厚度變化

2.2 裂縫的發育情況對加鋪層受力的影響

瀝青路面的裂縫形式是多種多樣的,裂縫的發育程度也各不相同.裂縫的貫穿程度、裂縫的寬度等都可能對加鋪層的受力產生一定程度的影響[5].具體參數如表3所示.

表3 裂縫的貫穿程度對加鋪層受力的影響

由圖2層底應力隨裂縫寬度變化可以看出,隨著裂縫貫穿程度的不斷加重,加鋪層層底的剪應力值明顯增大,當裂縫貫穿面層、基層和底基層時,剪應力的值比無裂縫時的值提高 1.5倍以上,這對加鋪層的受力極其不利,在這種情況下加鋪層可能因為剪切而很快產生破壞.在 1 cm的范圍內,裂縫的寬度對加鋪層層底應力影響不大,從圖2可以看出當裂縫由 0.1 cm增加到 1 cm時,加鋪層內應力有小范圍的減小.但是當裂縫從無到有變化時(對應于圖2中裂縫寬度由0～0.1 cm)加鋪層層底應力有一個突變,這也是加鋪層在裂縫處產生應力集中的體現.由此可以看出,原路面帶裂縫的情況下加鋪層的應力明顯不利于原路面無裂縫的情況,而裂縫寬度較小時可能對加鋪層的受力更為不利[6].

2.3 超載作用下加鋪層內的受力情況

輪載經由輪胎傳給路面,輪胎與路面接觸面上的平均豎向壓力受輪胎的內壓力、輪胎的類型、輪載的大小等因素的影響:本文取軸重分別為 100、120、160、200、220、260、300 kN進行分析 .見表4

圖2 層底應力隨裂縫寬度變化

表4 加鋪層應力隨軸重變化

由表4可以看出,隨著軸重的增加,加鋪層內的壓應力、剪應力都相應增加.而通過圖3、4的比較發現,當原路面有裂縫時,這種變化趨勢更為顯著.當超載量太大時,超載車輛將顯著加快加鋪層壓密變形的產生,在瀝青加鋪層產生結構性車轍另外,過大的剪應力也會使加鋪層產生失穩性車轍和推移等破壞形式[7].

圖3 帶裂縫層底應力隨軸重的變化

圖4 無裂縫層底應力隨軸重的變化

3 溫度荷載應力分析

3.1 溫度荷載的選取

路面結構溫度場的變化是一個復雜的過程,一般研究忽略了路面結構各層最大溫度的后滯效應,而采用簡化的指數函數來模擬路面結構溫度隨深度的變化,這顯然與實際狀況有些不符[7].因此,本文對溫度荷載直接選取溫度梯度來分析溫度翹曲應力,采用降溫幅度來分析溫度收縮應力.該方法不僅物理意義清楚明了,而且所選荷載與產生應力呈正比例關系(表5),從而避開了結構層參數與路面結構溫度場的交互影響.根據哈大高速公路所處自然區劃分,加鋪 10 cm瀝青層后,25 cm舊水泥混凝土面板最大溫度梯度取 20℃/m,降溫幅度ΔT=-2℃.另外,在舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層中,瀝青混凝土實際屬于黏彈性材料,溫度場的變化一般僅影響其勁度模量,而對于舊水泥混凝土面板等脆性材料,則容易在溫度變化下產生溫度翹曲和收縮,繼而在瀝青層底部產生較大的拉伸和剪切應力[8].因此,本文僅考慮舊水泥混凝土面板溫度翹曲和降溫收縮.

表5 各計算參數與溫度梯度的變化

3.2 溫度翹曲應力分析

(6為對舊水泥混凝土路面進行處治、修復或施加防反射裂縫措施前后,在舊混凝土面板產生溫度翹曲時,各計算參數的比較結果.

從表6可以看出,處治防反射裂縫后瀝青加鋪層的結構應力狀況有了明顯的改善.其中加設STRATA應力吸收層對瀝青層最大剪切應力有了較大的降低,但是對瀝青層最大拉應力和舊水泥混凝土底部最大拉應力影響不大,而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對溫度翹曲所產生的應力影響均較為明顯.

表6 處治防反射裂縫后瀝青加鋪層結構各計算參數(溫度翹曲)

3.3 溫度收縮應力分析

表7為對舊水泥混凝土路面進行處治、修復或施加防反射裂縫措施前后,在舊混凝土面板產生溫度收縮時,各計算參數的比較結果.

表7 處治防反射裂縫后瀝青加鋪層結構各計算參數(溫度收縮)

從表7可以看出,處治防反射裂縫后瀝青加鋪層的結構應力狀況有了明顯的改善.其中加設STRATA應力吸收層對瀝青層最大拉應力影響較明顯,但是對瀝青層剪切應力和舊混凝土板底部最大拉應力影響不大.而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對溫度收縮所產生的應力影響均較大.

4 結 語

1)舊瀝青混凝土路面上鋪筑瀝青混凝土加鋪層,當原路面帶有裂縫時行車荷載作用下會在加鋪層內產生很大的應力集中,并且裂縫發展越嚴重對加鋪層內的受力情況越不利.因此在鋪筑瀝青混凝土加鋪層時首先要處理好原路面的裂縫,以減小對加鋪層的不利影響.

2)加鋪層本身的性質對加鋪層內的受力有一定的影響,適當增加厚度,可以減小其內部應力.

3)對舊水泥混凝土路面進行處治修復和施加防反射裂縫措施后加鋪瀝青層,相對于直接加鋪瀝青層,結構應力狀況有了明顯的改善.其中,加設STRATA應力吸收層大幅降低了瀝青層底部的最大拉應力和瀝青層最大剪應力,而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對溫度翹曲和溫度收縮所產生的應力影響均較為明顯.

[1] 徐東偉.瀝青混凝土路面加鋪層力學分析[J].北方交通,2008,14(4):24-26.

[2] 張 鵬.舊水泥混凝土路面黑色罩面反射裂縫的防治[J].長安大學學報:自然科學版,2005,25(3):16-18.

[3] 公路水泥混凝土路面設計規范[S].JTG D40-2002.

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[6] 胡長順,曹東偉.有防裂夾層結構的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層力學分析[J].中國公路學報,1999,12(增刊):1-8.

[7] 陳先華,黃 衛,王建偉,等.澆注式瀝青混凝土鋪裝破壞原因[J].交通運輸工程學報,2004,4(4):5-9.

[8] 曾 勝,何宇航.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構力學分析[J].長安大學學報:自然科學版,2008,28(2):19-21.