大粒徑瀝青混合料在舊路補強中的有限元分析＊

李彩霞 張爭奇

（陜西交通職業技術學院公路工程系1） 西安 710018）（長安大學公路學院2） 西安 710064）

0 引 言

隨著對大粒徑瀝青碎石混合料（large stone asphalt mixture，LSAM）作為新路柔性基層研究的不斷深入，對其進一步作為老路補強層的研究也在不斷完善.王松根等［1］通過研究提出設計合理的LSAM 是解決重載交通下車轍問題最經濟有效的途徑之一.近年來，國內一些省份在舊路改造中采用LSAM 柔性基層補強，將其直接鋪筑在舊瀝青路面上，一方面作為補強層，另一方面作為應力吸收層及老路的排水層，取得了較好的效果［2］.但是，將LSAM 作為重載道路補強層方面的研究較少.針對用其作為道路補強層時的位置和厚度難以確定的問題，本文建立分析模型，利用有限元程序ABAQUS計算分析，為相關工程提供參考依據.

1 LSAM 補強層的有限元分析模型

1.1 模型的建立

運營階段的道路實際承受的軸載遠遠大于設計時的標準軸載，基于此，文中主要分析重載作用下LSAM 補強層的合理層厚，采用重載道路中有代表性的軸載220kN 作為研究參數，將其與標準軸載100kN 進行軸載換算，見表1.

表1 軸載計算參數表

結合國內典型的瀝青路面結構確定了有限元分析所用路面結構，見表2.

表2 有限元分析采用的瀝青路面結構及材料參數

根據道路結構層次劃分模型、荷載作用區域及邊界約束模型見圖1～2.

1.2 各結構層材料參數取值原則

圖1 道路結構劃分模型

圖2 荷載作用區域及邊界約束模型

查閱大量工程實例資料，在半剛性基層瀝青路面養護施工時，LSAM 主要是用來處治上基層的材料，最常用的是LSAM-25及LSAM-302種類型［3］.本文以LSAM-25作為研究材料.各層材料在計算時的取值原則為：考慮施工中防止離析，LSAM 最小厚度不宜過薄，根據避免離析的要求，最小厚度宜為最大粒徑的2.5倍，最大公稱粒徑的3倍，因此，LSAM-25最小厚度宜大于7.5cm.有限元計算結構中關于LSAM 厚度的最小取值為8cm，其他各層在計算時取推薦厚度的中值.各層材料的抗壓回彈模量等參數取值按照《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2006）推薦范圍確定，見表3.

表3 直接加鋪時的材料參數取值表

2 LSAM 補強層合理層位和厚度的確定

根據國內外關于LSAM 補強層的研究資料，本文總結的典型結構組合見表4.組合中包含了3種典型情況：直接加鋪在舊路面上；銑刨至基層頂加鋪；銑刨至路基頂加鋪（類似新建）［4-10］.

表4 LSAM 補強層典型結構組合

2.1 直接加鋪時LSAM 層合理厚度

取表4中的第一種結構組合，利用表3中直接加鋪時的典型結構及各層材料參數取值.面層SMA-13及AC-20厚度不變，考慮到LSAM 補強層的經濟性，參考國內外補強層的厚度范圍，計算中通過改變LSAM 層的厚度（分別取8，10，12，15，18，20，22cm），利用ABAQUS分析確定直接加鋪時補強層合理厚度，總共計算7次.

每種組合下各結構層類型、厚度及其相對應的材料模量E與泊松比μ等參數代入有限計算程序，分析重載作用對補強層厚度的力學響應.將各種組合下LSAM 層底的主應力及水平方向的應力的計算結果匯總見表5.

表5 直接加鋪時LSAM 層底應力

計算結果表明，以上7 種組合中，補強層LSAM 層底的應力均為壓應力，可以充分發揮該層材料的抗疲勞性能.將不同厚度的LSAM 層底的應力繪制為如圖3所示的厚度-應力變化曲線圖.通過分析對比，LSAM 層厚度變化范圍在8～15cm時，補強層底的應力下降比較明顯，大于15cm之后，應力值下降趨于緩和，且降低幅度較小，由圖可以看出，15cm 是拐點.因此，將15cm作為直接加鋪時推薦的最大厚度.

圖3 直接加鋪時LSAM 層底應力變化曲線圖

2.2 銑刨至基層加鋪

當舊路破損嚴重，面層產生嚴重的結構性病害、但基層強度滿足要求時，需要將舊路開挖至基層進行補強養護.下面討論隨著LSAM 厚度變化，在重載作用下，補強層層底拉應力的變化，進一步確定銑刨至基層的情況下LSAM 層的合理厚度.采用表4中的第二種典型結構，路面結構層次及各層材料參數取值見表6.

表6 銑刨至基層加鋪材料參數取值表

將上述參數代入有限計算程序，將LSAM 層底的主應力及水平方向的應力計算結果匯總見表7.

表7 銑刨至基層加鋪時LSAM 層底應力

上述計算結果應力值均為負，說明LSAM 層混合料均處于受壓狀態，說明舊路銑刨至基層加鋪時，選取LSAM 混合料同樣可以較好地發揮其抗疲勞性能.由不同厚度對應的應力值，繪制出銑刨加鋪時LSAM 層底應力曲線，見圖4.

圖4 銑刨加鋪時LSAM 層底應力變化曲線圖

由圖4可以看出，銑刨加鋪時，8～12cm 之間，應力下降幅度大于12～22cm，12cm 為其拐點.當LSAM 補強層厚度大于12cm 時，其層底應力仍有下降趨勢，但幅度明顯較小.因此，從經濟、技術等方面綜合考慮，當舊路銑刨至基層加鋪時，推薦LSAM 加鋪層的厚度為12cm.

最后，將不同加鋪形式下LSAM 層底的應力曲線繪制一起，見圖5.由圖可得，兩種情況下，應力的下降趨勢基本相似，這就說明LSAM 同樣適宜于舊路銑刨至基層進行加鋪的情況.LSAM 的加入對于減少病害對加鋪結構的影響有顯著作用，但更適宜直接加鋪在舊瀝青路面上.

圖5 不同加鋪形式下LSAM 層底應力變化曲線圖

當舊路需要銑刨至路基頂進行加鋪時，該類情況類似道路新建，LSAM 層的厚度可以按照新建道路的要求確定.最后，對于重載道路，當采用LSAM-30類型時，按照避免離析的最小厚度2.5～3 倍公稱最大粒徑的要求，其厚度值應該在LSAM-25的基礎上增加2～3cm.

3 結束語

根據舊路加鋪典型結構初擬結構組合庫，建立分析模型，利用ABAQUS有限元軟件計算確定了在舊路直接進行加鋪及舊路銑刨至基層進行加鋪時LSAM 層的合理厚度.利用ABAQUS有限元軟件計算確定補強層厚度變化對受拉不利層的最大主拉應力及主要受拉方向應力S11的影響.結論為：在舊路直接進行加鋪時，LSAM 層的最大厚度為15cm；舊路銑刨至基層進行加鋪時，其最大厚度為12cm.當舊路需要銑刨至路基頂進行加鋪時，該類情況類似道路新建，LSAM 層的厚度可以按照新建道路的要求確定.

［1］王松根，房建果.大碎石瀝青混合料柔性基層在路面補強中的應用研究［J］.中國公路學報，2004，17（3）：55-58.

［2］嚴二虎，沈金安.半剛性基層與瀝青層之間界面條件對結構性能的影響［J］.公路交通科技，2004（1）：71-73.

［3］山東省交通廳公路局.大粒徑瀝青混合料柔性基層在老路補強中的應用研究［R］.濟南：山東省交通廳公路局，2004.

［4］程祥俊.大粒徑柔性基層與半剛性瀝青混凝土路面的力學性能分析［D］.合肥：合肥工業大學，2010.

［5］《公路瀝青路面設計規范》編寫組.公路瀝青路面設計規范.釋義手冊［M］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］California Department of Transportation.Flexible pavement rehabilitation manual［R］.USA：California，2001.

［7］江蘇省交通科學研究院.大粒徑瀝青混合料（LSAM）的研究與應用［R］.南京：江蘇省交通科學研究院，2002.

［8］錢國平.重載條件下瀝青路面結構復雜受力特征及力學響應研究［D］.上海：同濟大學，2004.

［9］DAVIES R M，SORENSON J.Pavement preservation：Preserving our investment in highways［J］.Public Roads，2000，65（2）：144-150.

［10］黃文元.高等級公路重載交通瀝青路面設計的研究［D］.北京：交通部公路科研所，2000.