半柔性水泥乳化瀝青加鋪結構力學響應分析

江睿南，朱寶林，陳 景

（交通運輸部科學研究院道路結構與材料研究中心，北京 100029）

0 引言

為了節省資金，減少對交通的影響，往往需要對不滿足使用性能的舊水泥路面進行加鋪改造。水泥乳化瀝青混合料是一種具有有機及無機特性的材料，具有優良的抗剪性能、強度、疲勞性能及層間粘結作用，能夠用于舊水泥路面的加鋪改造。

本文應用ANSYS軟件在彈性層狀體系理論的基礎上，通過對帶有半柔性水泥乳化瀝青加鋪層的舊水泥混凝土路面結構進行力學響應分析，并結合影響路面結構受力的主要因素確定半柔性水泥乳化瀝青加鋪層的合理厚度。

1 建立加鋪層路面結構有限元模型

根據力學分析經驗選用5m×4.5m作為路面各結構層平面尺寸，而基礎選用9m×10m的擴大平面尺寸，路面結構總深度取6m。模型中各結構層材料用SOLID45（熱力學分析時為SOLID70）單元進行模擬，舊水泥混凝土路面與基礎之間為非完全連續狀態；其他結構層之間假設為完全連續狀態。帶有加鋪層的舊水泥混凝土路面結構有限元模型見圖1。

圖1 帶有加鋪層的舊水泥混凝土路面結構有限元模型

輪胎接地壓力取0.7MPa，接地形狀簡化為0.2m×0.2m的正方形。鑒于當荷載作用在路面中部接縫一側時，加鋪層路面會處于最不利受力狀態[3]，因此，本文的力學分析中只考慮荷載作用在路面接縫一側的情形，計算加鋪層受力的帶有約束和荷載（單一車輛荷載或車輛荷載與溫度荷載耦合）的路面結構有限元模型見圖2。

圖2 帶有約束及荷載的路面結構有限元模型（帶接縫、計算加鋪層受力）

建模過程中的基本假設如下：

a）各結構層材料為均質、連續、各項同性的彈性體；

b）除基礎與舊水泥混凝土路面間界面外，其他各結構層間豎向、水平位移連續；

c）基礎與舊水泥混凝土路面之間簡化成摩擦接觸，且接觸界面豎向位移連續；

d）各結構層側面水平方向位移為零，基礎底面各向位移為零；

e）不計路面結構的自重影響；

f）接縫寬度假設為1cm，且接縫處無傳荷能力。

建模過程中的材料參數取值見表1。

表1 各結構層的材料參數

2 半柔性加鋪層厚度對半柔性加鋪層受力的影響

目前，本文分別從單層瀝青層（厚4cm）和雙層瀝青層（厚10cm）兩方面研究半柔性水泥乳化瀝青混合料的合理厚度，半柔性水泥乳化瀝青混合料的厚度根據施工經驗和下面層材料厚度選用9cm、10cm、11cm和12cm。路面熱力學分析中模型參考溫度為年平均溫度（17℃），降溫幅度為10℃，力學分析時主要考慮夏季高溫情況影響。

為驗證高頻交變壓力下先導式溢流閥主閥口出現異常開啟情況，搭建測試平臺，如圖9所示。定量泵提供的82 L/min流量經轉閥流回油箱。轉閥在換向過程中，閥口面積總是按“零—最大—零”周期變化，類似于一個直徑可變的阻尼孔：當閥口面積接近于零時，在轉閥前形成壓力沖擊，壓力升高；當閥口面積最大時，系統壓力降低。通過改變轉閥的轉速，來改變轉閥的換向頻率，因此該試驗平臺能產生高頻交變壓力。

2.1 單一交通荷載情況

單一交通荷載情況下，不同半柔性水泥乳化瀝青加鋪層厚度下的半柔性層底最大拉應力及最大剪應力見表2-表4。

表2 單一交通荷載情況下半柔性層底最大拉應力

表3 單一交通荷載情況下半柔性層底橫向最大剪應力

表4 單一交通荷載情況下半柔性層底縱向最大剪應力

半柔性結構層受力分析情況見圖3～圖5。由圖3可知，隨著半柔性層厚度的增大，半柔性層底最大拉應力呈減小的趨勢，這說明增大半柔性層厚度有利于其抗疲勞開裂。從數值上來看，各種情況下的半柔性層底最大拉應力均小于材料的容許拉應力（0.115MPa），因此可以認為力學分析所選擇的半柔性層厚度均可以滿足半柔性層抗疲勞開裂要求。

圖3 單一交通荷載情況下半柔性層底最大拉應力

圖4 單一交通荷載情況下半柔性層底橫向最大剪應力SXY變化情況

圖5 單一交通荷載情況下半柔性層底縱向最大剪應力SYZ變化情況

由圖4可知，半柔性層厚度對其橫向最大剪應力SXY影響不大，各種組合形式下，半柔性層底橫向最大剪應力SXY變化幅度不超過0.01MPa，且剪應力數值遠遠小于材料的容許剪應力（0.6MPa），因此，在半柔性加鋪層路面結構設計中可以忽略半柔性厚度對其橫向最大剪應力的影響。

由圖5可知，隨著半柔性層厚度的增大，半柔性層底縱向最大剪應力SYZ呈現減小趨勢，但變化值小于0.02MPa，且各種組合形式下的半柔性層底縱向最大剪應力遠遠小于材料的容許剪應力（0.6MPa），因此，在半柔性加鋪層路面結構設計中可以忽略半柔性厚度對其縱向最大剪應力的影響。

2.2 溫度－荷載耦合情況

溫度荷載與交通荷載耦合情況下，不同半柔性水泥乳化瀝青加鋪層厚度下的半柔性層受力見表5、～表7。

表5 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底最大拉應力

表6 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底橫向最大剪應力

表7 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底縱向最大剪應力

圖6 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底最大拉應力

圖7 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底橫向最大剪應力SXY變化情況

圖8 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底縱向最大剪應力SYZ變化情況

由圖6可知，在溫度-荷載耦合模式下，隨著半柔性層厚度增加，半柔性層底最大拉應力呈減小趨勢。半柔性層厚度從9cm變化為12cm時，4cm瀝青加鋪層的半柔性層層底最大拉應力減小了0.285MPa，10cm瀝青加鋪層的半柔性層層底最大拉應力減小了0.296MPa。

對比圖3中數據可知，溫度-荷載耦合對半柔性層底拉應力影響很大。溫度-耦合模式下，半柔性層層底最大拉應力均超過材料的容許拉應力，因此建議在溫差較大地區進行舊水泥路面加鋪時，應盡量選用較厚的瀝青層和較厚的半柔性層。

由圖7可知，在溫度-荷載耦合模式下，10cm瀝青加鋪層的半柔性層橫向最大剪應力要遠遠小于4cm瀝青加鋪層的情況。對比圖4中數據可知，溫度-荷載耦合模式對半柔性層橫向最大剪應力基本沒有影響，在耦合模式下，半柔性層底的橫向最大剪應力依然遠遠小于材料的容許剪應力（0.6MPa）。

由圖8可知，在溫度-荷載耦合模式下，半柔性層縱向最大剪應力隨著半柔性層厚度的增大而急劇減小。在耦合模式下的半柔性層橫向最大剪應力已經超過本文所規定的材料容許剪應力。

3 結論

3.1 采用ANSYS有限元對半柔性水泥乳化瀝青加鋪結構進行分析，通過在不同瀝青層的厚度下，改變半柔性層的厚度，計算其受力情況。

3.2 單一交通荷載下，若不采用改性瀝青，當半柔性加鋪層厚度大于10cm，可滿足瀝青層抗疲勞開裂要求；若采用改性瀝青，則常規施工所用的半柔性加鋪層厚度即可滿足瀝青層抗疲勞開裂要求。

3.3 在溫度-荷載耦合模式下，當半柔性加鋪層厚度大于10cm后，瀝青層縱向最大剪應力SYZ即滿足要求。

3.4 根據路面結構受力影響分析的結果，并參考常規半柔性水泥乳化瀝青下面層混合料施工厚度，推薦的半柔性水泥乳化瀝青混合料合理厚度為11cm或12cm。

[1]孟書濤.瀝青路面合理結構的研究[D].南京：東南大學，2004.

[2]楊斌，廖衛東，陳栓發.應力吸收層緩解瀝青混凝土加鋪層應力集中的數值模擬分析[J].公路，2007，11（2）：57-60.

[3]馬銀華，易志堅，楊慶國.結合式水泥混凝土路面加鋪層的力學性能分析[J].重慶交通學院學報，2005，24（2）：42-45.

[4]陳小念.瀝青路面力學響應的三維有限元分析[D].蘭州：蘭州理工大學，2006.

[5]DIYAR B.Three dimensional finite element analysis to evaluate reflective cracking potential in asphalt concrete overlays[D].Springfield：University of Illnois,2002.

[6]殷偉.季凍區長壽命瀝青路面合理結構研究[D].西安：長安大學，2009.

[7]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京：人民交通出版社，2005.