水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面層力學響應分析

馮 國 杰

(廣東中譽設計院有限公司，廣東 佛山 528200)

水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面層力學響應分析

馮 國 杰

(廣東中譽設計院有限公司，廣東 佛山 528200)

通過使用通用有限元軟件ABAQUS，分別建立未加鋪瀝青層與加鋪瀝青層兩種結構模型，分析在車輪荷載作用下的力學響應，研究加鋪層對道面結構的影響，得出結論：加鋪瀝青罩面層前后路表最大彎沉均出現在車輪荷載作用位置處，層底最大水平拉應力均出現在車軸中點處；增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層和水泥混凝土板底的拉應力。

水泥混凝土，瀝青罩面，力學響應

0 引言

隨著我國高速公路建設的步伐逐漸放緩，之前建設的公路出現不同程度的功能性破壞，以及很多已建道路不能滿足交通需求，迫切地需要采取養護措施或改建。20世紀90年代，建設的公路路面主要以水泥混凝土為主。水泥混凝土路面與其他類型路面相比，具有很高的抗壓強度和較高的抗彎拉強度及抗磨耗能力，水穩定性和熱穩定性均較好，強度隨時間延長而提高，但是路面板間存在接縫，施工期較長，結構損壞修復困難，修復所需的費用較高，周期較長[1]。加鋪瀝青層是改善路面結構性能和功能性能的有效手段，可以恢復路面的使用功能，提高其使用品質，具有施工速度快、投資費用小、使用效果好等優點，經濟效益和社會效益顯著。

目前，國內對于水泥混凝土板上加鋪瀝青罩面層的研究如下：倪明等[2]通過建立半解析單元力學模型，計算分析了舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層的三維荷載應力，探討加鋪層產生發射裂縫的機理。韓海影[3]利用ANSYS有限元計算工具，分析了水泥混凝土路面上不同加罩結構以及各自不同的結構計算參數，在荷載作用下的力學響應。但在實際工程建設中通常僅僅是根據以往經驗來確定加鋪層所用的材料以及加鋪層厚度，其他各結構層的受力情況并不清楚，導致加鋪后道面較快出現病害或是建設施工的費用較高。因此，本文基于上述情況，通過應用通用有限元軟件ABAQUS建立兩種結構模型，分別是未加鋪瀝青罩面與加鋪瀝青罩面兩種工況，并分析在車輪荷載作用下路面結構的力學響應。

1 模型建立

在路面結構三維模型中，需要設定車輪荷載參數、道面結構參數(厚度、材料)、邊界條件、層間接觸條件等。構建合理的模型，是進行路面結構分析的前提條件。

1.1 道面結構參數

為模擬實際路面受力情況，研究中所用模型的尺寸為7.0 m×5.0 m，其中一塊水泥混凝土板尺寸為3.5 m×5.0 m，兩個水泥混凝土板之間采用彈簧單元作為傳力桿件。各路面結構層的材料參數如表1所示。

1.2 車輪荷載參數

表1 各結構層參數

表2 車輪荷載參數

1.3 邊界條件與模型單元類型

模型邊界條件為在車輛的行駛方向和垂直行駛的方向，都約束路面結構的水平位移。根據文獻資料[6]，采用基礎單元模擬地基支撐情況，取地基反應模量為40 MN/m3。由于是以彈性層狀體系理論為研究基礎，結構層之間的接觸設為完全連續。模型使用C3D8三維有限元單元進行分析計算，在車輪作用的位置，網格應畫密一些，在其他不需提取數據的位置，網格畫稀疏一些，這樣可以提高運算速率并且獲得較好的分析效果。

2 力學分析

為了研究加鋪瀝青層前后的道面結構受力情況，分別建立未加鋪瀝青層與加鋪瀝青層兩種結構模型，分析的力學響應量包括路面表面彎沉，加鋪瀝青層底以及水泥混凝土板底部的水平應力。對于分析位置的選取，以車輪荷載中部的橫向路徑為研究對象。

2.1 路表彎沉

路面表面彎沉表征的是路面結構在設計標準軸載作用下，垂直方向的位移，在我國路面設計規范中是作為設計指標，因此研究其在車輪荷載作用下的分布情況很有意義。分別提取加鋪瀝青罩面層前后橫向路徑上的表面彎沉數據，分析如下。

比較加鋪瀝青罩面層前后水泥混凝土板表面彎沉，如圖2所示。由圖2可見，在車輪荷載作用位置處，彎沉最大，是由于相鄰兩輪間荷載的疊加作用所產生的。加鋪瀝青層前后表面彎沉的分布大致相同。加鋪后的水泥混凝土板較加鋪前的彎沉更小，兩者最大彎沉分別為6.76×10-2mm和8.02×10-2mm，后者較前者大約18.6%。

比較加鋪瀝青層前水泥混凝土板與加鋪后瀝青層的表面彎沉，如圖3所示。由圖3可見，加鋪瀝青層后道路表面彎沉較加鋪前更小，兩者最大彎沉分別為7.23×10-2mm和8.02×10-2mm，后者較前者大約10.9%，可能是由于水泥混凝土板剛度較大，使得加鋪瀝青層表面彎沉減小。

綜合上述分析可得，加鋪瀝青罩面層前后最大彎沉均出現在車輪荷載作用位置處，彎沉分布的規律基本相近。

2.2 層底水平應力

層底水平應力，包括拉應力與壓應力，其中我國規范將層底拉應力作為路面結構的設計指標。提取加鋪瀝青罩面層前后橫向路徑上層底水平應力的數據，分析如下：

比較加鋪瀝青罩面層前后水泥混凝土板層底拉應力，如圖4所示。由圖4可見，加鋪瀝青層前后的層底最大拉應力均出現在兩輪間中點處，分別為1.5 kPa和0.36 kPa，前者約為后者的4.17倍，加鋪瀝青層后可顯著減小水泥混凝土板底的拉應力，改善路面結構的受力狀況。

比較加鋪瀝青罩面前水泥混凝土板與加鋪瀝青罩面后瀝青層底的應力分布，如圖5所示。由圖5可見，兩者分布規律相近，層底最大拉應力均出現在車軸中點處，為1.5 kPa和0.03 kPa，主要是由于瀝青層剛度較小，承受壓應力。在車輪荷載作用位置處，層底并未出現拉應力，而是壓應力。在右側板間接縫處，出現應力集中，此處壓應力最大，大小為35.8 kPa。

綜上可得，加鋪瀝青罩面層前后層底最大拉應力均出現在車軸中點處，在右側板間接縫處的壓應力最大。

2.3 瀝青層厚度的影響

改變加鋪瀝青罩面層的厚度，觀察厚度對路面結構的影響情況。增加50%加鋪瀝青層厚度，建立相應的三維結構模型，并在相同的橫向路徑提取所需的瀝青層底拉應力和水泥板底最大拉應力數據，如表3所示。

表3 瀝青層厚度變化影響

從表3中可見，增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層與水泥混凝土板底的拉應力，可以改善路面結構的受力情況，減少層底裂縫的產生。

3 結語

本文通過使用有限元軟件ABAQUS建立路面結構三維模型，并分析其在車輪荷載作用下的力學響應，包括路面表面彎沉、加鋪瀝青層底與水泥混凝土板底應力分布情況，得出以下結論：

1)加鋪瀝青罩面層前后最大彎沉均出現在車輪荷載作用位置處，彎沉分布的規律基本相近。加鋪后較加鋪前的水泥混凝土板彎沉更小，后者較前者大約18.6%；加鋪瀝青層后道路表面彎沉較加鋪前更小，后者較前者大約10.9%。

2)加鋪瀝青罩面層前后層底最大拉應力均出現在車軸中點處，在右側板間接縫處的壓應力最大。加鋪瀝青前較加鋪后水泥混凝土板層底拉應力大約4.17倍，加鋪瀝青層后減小水泥混凝土板底的拉應力。

3)增加瀝青層的厚度可以減小瀝青層與水泥混凝土板底的拉應力，可以改善路面結構的受力情況，故設計合理的瀝青層厚度是至關重要的。

[1] 鄧學鈞.路基路面工程[D].北京：人民交通出版社,2000.

[2] 倪 明,姚祖康.混凝土路面上瀝青加鋪層的半解分析[J].同濟大學學報,1994,22(1):33-40.

[3] 韓海影,李 斌.舊水泥混凝土路面瀝青加罩的三維有限元分析[J].西部探礦工程,2005,113(9):166-169.

[4] JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[5] JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[6] 李巧生.水泥混凝土道面結構在多輪荷載作用下的響應分析[J].振動與沖擊,2010,29(2):78.

Analysis of mechanical response of asphalt overlay for cement concrete pavement

Feng Guojie

(GuangdongZhongyuInstituteCo.,Ltd,Foshan528200，China)

By using the finite element software ABAQUS, established two kinds of model, which were without asphalt overlay and with asphalt overlay structures, and analysed the mechanical response under wheel loads, study the influence of the overlay to the pavement structure. The conclusions are as follows: for the pavement surface of the two kinds of model, the maximum deflection appeared in the wheel loads position, the maximum horizontal tensile stress appeared at the midpoint of axle, increased the thickness of asphalt layer could reduce the tensile stress of the asphalt layer and cement concrete slab bottom.

cement concrete, asphalt overlay, mechanical response

2015-04-06

馮國杰(1979- )，男，工程師

1009-6825(2015)17-0121-02

U416.216

A