設置應力吸收層的路面結構應力分析

趙文美

摘要：現階段對于舊水泥混凝土路面維修改造的主要方法及手段是在其上加鋪一層瀝青面層，而由于車輛荷載的長期作用，反射裂縫的出現及擴大成為目前路面結構最為關鍵的問題。根據國內外已有的對于防止反射裂縫的研究成果，擬采用在舊水泥混凝土路面及瀝青加鋪層之間加入應力吸收層來減緩反射裂縫帶來的危害。本文運用有限元分析軟件建立加入了應力吸收層的路面結構的有限元模型，通過在模型上加載車輛荷載來模擬路面結構的實際受力情況，再通過有限元分析軟件的后處理得出路面結構應力隨時間的變化規律。通過對加入不同厚度的應力吸收層的路面結構的應力結果進行分析和對比發現，應力吸收層減緩反射裂縫的產生與擴展的最合理厚度為2 ～4 cm。

關鍵詞：應力吸收層；路面結構；反射裂縫；應力；厚度

中圖分類號：S773.2：U416.2

文獻標識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0123-04

目前，我國的道路正處于飛速發展的階段，公路里程在逐年增加，截止到2012年底，我國的公路總里程已達423.8萬km。公路運輸在國民經濟中扮演了越來越重要的角色。但隨著我國經濟社會和科學技術的發展，人們對交通的需求和期望在不斷提高。交通量的劇增，車輛軸載的加重，車速的提高都對路面結構有了更高的要求，路面結構的強度、剛度、穩定性、耐久性都需要有相應更大的提高。同時，已建公路的維修和養護隨著道路使用年限的增加也顯得尤為重要。但正是由于道路使用要求與實際路面狀況的不匹配，出現了破碎、裂縫、坑槽、車轍等病害。也正是因為這些病害的出現，嚴重影響了道路的使用性能，同時對行車安全也構成威脅。因此，對于這些道路病害的防治也就成為如今道路建設和維護的主要任務。而對于其中的路面反射裂縫的防治，目前國內外普遍采用的一種方法是在舊水泥混凝土路面和瀝青加鋪層之間加入應力吸收層。對于應力吸收層，其組成材料的彈性模量很低，使得其柔性很好，在車輛荷載作用下，其能夠吸收部分由舊水泥混凝土路面裂縫處所產生的應力，減緩了應力集中現象，從而對反射裂縫起到緩沖的作用。然而應力吸收層過薄，其減緩反射裂縫的效果不佳，反射裂縫會很快傳至路面最上層；應力吸收層過厚，則會破壞路面結構的整體性，影響路面的整體受力，其低彈性模量的優勢反而會成為不足。為了更好的防治反射裂縫，對應力吸收層的合理厚度進行研究。

1有限元建模

1.1 基本假定

舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層容易產生反射裂縫，應力吸收層減緩反射裂縫的產生和擴展的研究重點是舊水泥混凝土路面裂縫處瀝青加鋪層的應力。對于裂縫而言，只有在很高的溫度條件下才會出現粘彈性性狀；而在大多數情況下，裂縫處都屬于線彈性體系，因此避開次要因素，考慮主要因素，將整個路面結構假定為線彈性體來研究。

在施加車輛荷載時，為了使整個路面結構整體受力，將路面結構假定為層間連續。為了使所建模型更加接近路面結構的真實情況，假定地基底面為全約束，而對于地基的四個側面則是將其水平方向的位移值約束為零。同時為了簡化計算，這里忽略了路面結構本身的自重。

1.2 有限元模型

對于路面結構，采用三維八節點等參元實體模型，并賦予其材料參數，具體數值見表1。

在完成了對模型材料參數的賦予后，即可進行路面結構實體模型的建立。其中，為了使模型更符合實際情況，對于地基，采用擴大尺寸來模擬。同時對于主要研究對象反射裂縫而言，通過在舊水泥混凝土路面上設置無傳力能力的1cm接縫來實現。具體建模尺寸及模型實例如圖1～2所示。

在對已有路面結構實體模型進行網格劃分之前，首先要對所建路面結構進行布爾運算，而進行布爾運算的目的就是要使整個路面結構實體模型成為一個整體，從而保證其在車輛荷載作用下整體受力。在這里，采用布爾運算中的粘結（Glue）對所建實體模型進行整合，使其各結構層均勻連續，符合假定要求。而后即可對實體模型進行網格劃分生成有限元模型。對于網格劃分，為了追求數據結果的精確性，采用劃分細度為2的自由劃分對路面結構的整體進行劃分，劃分結果如圖3～4所示。

1.3 路面結構車輛荷載

由于要對路面結構進行動力學分析來符合路面的實際情況，采用瞬態動力學的方法對其進行研究。對于該路面結構上所施加的車輛荷載采用標準軸載BZZ-100，即雙輪單軸載為100kN。每個車輪的作用面上的荷載均等效為18.9cm×18.9cm的正方形均布荷載，其接觸面積為357.21c㎡，且每側兩個車輪的間距為32cm，兩側輪隙間距為182cm，其具體的模型尺寸如圖2所示。

2 路面結構應力分析

2.1 瀝青加鋪層頂面應力

瀝青加鋪層頂面是與車輛荷載直接接觸的路面結構層，其受到車輛荷載的影響最大，由此產生的病害也最多，其直接影響到路面行車的舒適與安全；然而對于反射裂縫而言，其傳至瀝青加鋪層頂面的時間也最長。所以對于它的應力分析尤為重要，具體分析過程如圖5所示。

從圖5可以看出，對于車輛荷載作用下的瀝青加鋪層頂面的最大拉應力，其隨著應力吸收層厚度的增加（從1～7cm）在不斷變小，但其只從0.500MPa減少至了0.483MPa，減小的幅度只有3.39%，可見應力吸收層厚度的增加對于減少瀝青加鋪層頂面的最大拉應力的效果不明顯。

瀝青加鋪層頂面應力隨吸收層厚度的變化如圖6所示。

從圖6可以看出，對于瀝青加鋪層頂面的等效應力，隨著應力吸收層的厚度由1cm增加到7cm，其自身的值則由0.300MPa減少到0.261MPa，減少了12.58%。雖然較瀝青加鋪層頂面的最大拉應力減少的幅度有了一定增加，然而幅度仍然不大，即增加應力吸收層的厚度對于減少瀝青加鋪層頂面的等效應力的作用仍然不大。

瀝青加鋪層頂面應力T_max缸隨吸收層厚度的變化如圖7所示。

從圖7可以看出，對于瀝青加鋪層頂面的最大豎直剪應力，其隨著應力吸收層的厚度的增加，其應力值從0.158MPa變到了0.121MPa，降幅為22.5%。同上述兩種應力相比，其隨著應力吸收層厚度的增加應力值有了較大幅度的提高，但就上述三種應力的綜合比較和分析來看，應力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層頂面應力的消散作用不大。

2.2 瀝青加鋪層底面應力

瀝青加鋪層底部是與應力吸收層直接接觸的路面結構，也是最容易受到應力吸收層影響的受力面；同時在車輛荷載作用下，由舊水泥混凝土路面接縫引起的反射裂縫經過應力吸收層也是最先到達此結構面的。因此，此結構面的應力分布情況對于了解應力吸收層防反射裂縫的效果十分重要。下面就對此結構面進行具體的應力分析，如圖8所示。

由圖8可知，瀝青加鋪層底面最大拉應力值是隨著應力吸收層的厚度的增加而減少的，當應力吸收層的厚度由1cm增加至7cm，其應力值也相應地由0.637MPa變至0.393MPa，共降低了38.02%，降幅較大。但從圖上可知，當應力吸收層的厚度增加至4cm以上時，應力吸收層厚度的增加對于減少瀝青加鋪層層底最大拉應力的趨勢開始逐漸變緩，而過小厚度的應力吸收層又對防止反射裂縫起不到作用，由此初步認為2～4cm為防止反射裂縫的應力吸收層的合理厚度。

對于等效應力而言，如圖9所示。由圖9可知，其與瀝青加鋪層底最大拉應力值隨應力吸收層厚度的變化而變化的規律大致一樣，等效應力值由最初的0.538 MPa變化至0.342MPa，共降低了36.23%，而且等效應力值在應力吸收層為4cm以上時，其減少的幅度也開始變小，所以應力吸收層的合理厚度仍然取為2～4cm。

由圖10可知，瀝青加鋪層底的最大豎直剪應力值隨應力吸收層的厚度增加在減小，當應力吸收層厚度從1cm增加至7 cm時，最大豎直剪應力值從0.294MPa減少至0.170MPa，減少了41.89%，降幅很大，應力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層層底最大豎直剪應力的消散效果很好。

根據以上分析可知，對于消散瀝青加鋪層層底應力的應力吸收層的合理厚度為2～4cm。

3 結論

利用有限元軟件，對在車輛荷載作用下不同厚度應力吸收層的路面結構進行了應力分析，得到如下結論。

（1）在車輛荷載作用下，路面結構的最大應力出現在舊水泥混凝土路面的接縫處，即此處相對應的瀝青加鋪層底部為最不利受力點。

（2）應力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層底面應力的消散作用要比瀝青加鋪層頂面效果明顯。

（3）對加入了不同厚度應力吸收層的路面結構在車輛荷載作用下產生的應力進行分析發現，應力吸收層減緩反射裂縫的產生與擴展的最合理厚度為2～4cm。