碾壓混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析

摘要：采用有限元方法，對比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學響應。結(jié)果表明，碾壓混凝土基層初期模量值比水泥穩(wěn)定碎石基層大得多，15年衰減后其模量值仍達到2000MPa，瀝青層底一直處于受壓狀態(tài)。與水泥穩(wěn)定基層相比，瀝青面層與碾壓混凝土基層之間的剪應力增大了30.1%左右。因此，實際工程中應著重提供瀝青面層與碾壓混凝土基層之間的防水粘結(jié)層性能。

關鍵詞：路面工程；瀝青路面；碾壓混凝土；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號： TU37 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）07（c）-0000-00

碾壓混凝土（Roller Compacted Concrete 簡稱 RCC）是一種單位用水量較少、坍落度為零的超干硬性混凝土[1]。使用硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)摻和料、水、砂、外加劑和分級控制的粗骨料拌制成無坍落度的干硬性混凝土，采用與水泥穩(wěn)定碎石基層施工相同的運輸及鋪筑設備，用振動分層壓實，適用于大體積混凝土工程[2]。碾壓混凝土基層的優(yōu)點是：工期短、經(jīng)濟、高彎拉強度、高彈性模量、耐久性路面、優(yōu)良的抗水損害性能、優(yōu)良的抗溫度疲勞性能、降低了建設期的調(diào)價分析[3]。這些優(yōu)點使得碾壓混凝土基層特別適用于高速、重載下的高等級公路路面結(jié)構(gòu)。本文采用有限元方法，對比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學響應。

1計算方法

車輛荷載通過軸載作用在路面上，由于軸的對稱性，路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下的力學響應分析僅需考慮半邊輪載的作用。表征車輛輪載作用下路面結(jié)構(gòu)力學響應特性的最簡單方法是將路面結(jié)構(gòu)簡化為多層體系。彈性多層體系在圓形均布荷載作用下的計算圖示如圖1。其中，輪載為標準軸載0.7MPa， 其轉(zhuǎn)化為平面問題后，施加的荷載大小為117371Pa，雙圓荷載半徑=10.65cm，輪距3=31.95cm，初步擬定的路面結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

根據(jù)國內(nèi)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50-2006），以及參考國內(nèi)外經(jīng)試驗實踐證明的常用的參數(shù)，在本項目中路面結(jié)構(gòu)計算分析中所采用的材料力學參數(shù)如表1所示。

模型深度取3m，寬度取6m，模擬路面結(jié)構(gòu)采用CPE8R（8節(jié)點二次平面應變縮減積分單元）單元，分析類型為平面應變。路面結(jié)構(gòu)有限元分析如圖4。

圖4 路面結(jié)構(gòu)有限元分析模型

2計算結(jié)果與分析

2.1基層開裂后瀝青層底彎拉應力分析

根據(jù)南非路面研究結(jié)果，水穩(wěn)基層一般在第3年后出現(xiàn)收縮裂縫，5年后出現(xiàn)荷載裂縫，8年后水穩(wěn)基層碎裂成粒料。結(jié)合我國實際情況，建議模量逐年衰減取值如表2所示。

RCC路面結(jié)構(gòu)與CTB路面結(jié)構(gòu)在衰減年限內(nèi)瀝青層層底拉應力對比，如圖5所示。

圖5 不同路面結(jié)構(gòu)瀝青層底彎拉應力隨模量衰減曲線

當RCC模量衰減到很低時（20年左右），即當RCC衰減成碎石時，模量取值為200MPa，瀝青層底由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Γ瓚?13723Pa。

當RCC為40cm，模量衰減為200MPa時，輪中心處瀝青層層底拉應力為188157Pa。

2.2瀝青面層與基層之間剪應力分析

碾壓混凝土RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應力云圖如圖6所示。

圖6 碾壓混凝土RCC基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應力云圖

由應力云圖可知，荷載外緣附近剪應力值大于內(nèi)緣處，應力等值線以輪緣為中心向四周擴散，層間剪應力最大值出現(xiàn)于輪緣外側(cè)，瀝青面層與RCC基層層間剪應力為353603Pa。

含水泥穩(wěn)定碎石基層（CTB）瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應力云圖如圖7所示。

圖7 水泥穩(wěn)定級配碎石CTB基層瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青面層與基層之間剪應力云圖

由應力云圖可知，荷載外緣附近剪應力值大于內(nèi)緣處，應力等值線以輪緣為中心向四周擴散，瀝青面層與CTB基層層間剪應力為271559Pa。相比兩種路面結(jié)構(gòu)，與半剛性基層比，RCC模量大，從而導致瀝青層與基層之間剪應力較大。與水泥穩(wěn)定基層相比，面層與基層之間的剪應力增大了30.1%左右。

3結(jié)語

采用有限元方法，對比分析碾壓混凝土基層與半剛性基層瀝青路面彎拉和剪切力學響應。結(jié)果表明：

（1）兩種結(jié)構(gòu)的路面隨著年限的增長，基層逐漸開裂，面層與基層模量衰減，相比之下基層的模量衰減更為迅速，導致第9年開始，含水泥穩(wěn)定級配碎石基層（CTB）瀝青層底由受壓狀態(tài)轉(zhuǎn)為受拉狀態(tài)。相比較而言，RCC基層初期模量值比水泥穩(wěn)定碎石基層大得多，15年衰減后其模量值仍達到2000MPa，因此瀝青層底一直處于受壓狀態(tài)。當RCC模量衰減到很低時（20年左右），即當RCC衰減成碎石時，模量取值為200MPa，瀝青層底由壓應力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚Γ?/p>

（2）與半剛性基層比，RCC模量大，從而導致瀝青層與基層之間剪應力較大。與水泥穩(wěn)定基層相比，面層與基層之間的剪應力增大了30.1%左右。

參考文獻

[1] 劉數(shù)華，曾力，吳定燕.碾壓混凝土抗裂性能研究[J]重慶建筑大學學報，2002，24（5）：71-75.

[2] 凌建明， 西紹波.碾壓混凝土在機場場道工程中的應用[J].同濟大學學報， 1997（5）： 598-603.

[3] 董祥. 碾壓混凝土在我國道路建設中的意義及工程應用[J].中國港灣建設， 2007（5）： 20-23.