瀝青加鋪舊水泥混凝土路面的層間受力

袁玉卿+賈淼+郭斌+許海銘

摘 要：為了研究舊水泥路面瀝青加鋪層層間力學特性，借助ABAQUS分析了瀝青加鋪層厚度、模量及裂縫對層間應力的影響。結果表明：在靜荷載作用下，瀝青加鋪層層底豎直方向上的剪應力最大值都出現在荷載正下方；增大瀝青加鋪層的厚度能明顯減小層底應力；瀝青加鋪層的彈性模量對層底應力的影響很小；瀝青面層底部的最大主應力受裂縫的影響變化在1%～2%，而瀝青面層底部豎直方向上的最大剪應力值受裂縫影響變化在53%～58%。

關鍵詞：道路工程；瀝青加鋪；層底應力；有限元分析

中圖分類號：U416.01 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2017）03-0053-05

Abstract： To explore the interlayer mechanical properties between the existent cement concrete pavement and asphalt overlay， the mechanical model was established by ABAQUS. The impact of the thickness， modulus and fracture of asphalt overlay on the interlayer stress was analyzed. The results show that the maximum shear stress in the vertical direction of the asphalt overlay is exactly below the load； the stress of the layer is obviously reduced by increasing the thickness of asphalt overlay； the elastic modulus of asphalt overlay has little influence on the bottom stress； the maximum principal stress at the bottom of the asphalt pavement is affected by the cracks at 1%-2%， while the maximum shear stress at the bottom of the asphalt pavement is affected by the cracks at 53%-58%.

Key words： road engineering； asphalt overlay； bottom stress； old cement pavement； finite element analysis

0 引 言

瀝青加鋪舊水泥混凝土能有效改善路面的使用性能，但舊水泥路面面層往往存在裂縫，在車輛荷載的作用下，導致新的瀝青加鋪層內產生反射裂縫，縮短其使用壽命，因此，對加鋪層結構受力特性進行分析頗為重要。周德云等[1]對加鋪層結構進行了三維有限元分析；劉悅[2]對溫度應力進行了分析；趙茂才等[3]分析了錯臺對瀝青加鋪層產生反射裂縫的影響；袁玉卿等[4]分析了不同工況下層間最大剪應力；顏可珍等[5]研究了層間接觸對瀝青加鋪層性能的影響；單景松等[6]借用ANSYS軟件對彎沉指標進行了研究；唐齊[7]分析了舊水泥混凝土路面直接加鋪瀝青層結構反射裂縫的產生機理和防治方法；呂大偉[8]對高速公路水泥混凝土路面加鋪瀝青層的綜合技術進行了研究；高嫄嫄等[9]以斷裂力學理論為基礎建立模型，對含裂紋水泥路面加鋪結構進行了理論分析；王芳等[10]建立荷載效應計算模型對加鋪層結構可靠性進行了分析。本文借助ABAQUS有限元軟件，分析瀝青加鋪舊水泥混凝土路面結構在車輛荷載作用下的應力變化規律，以期為理論實踐和工程研究提供參考。

1 有限元模型的建立

1.1 計算模型

選用8結點空間實體單元Solid45建立如圖1所示的三維有限元模型，并進行應力分析。對各層結構作如下假定：路面結構自重不計，各層均為均勻、連續、各向同性的彈性體，各層層間豎向、水平位移連續，水泥路面底面各向位移為零，且基礎側面水平方向位移為零，舊水泥路面裂縫處無傳荷能力。

按照縮尺試驗擬定路面結構層尺寸及材料參數，如表1所示。

1.2 荷載布置

車輛行駛經過瀝青加鋪舊水泥混凝土路面時，路面結構產生不同的應力分布[11]。采用如圖2所示的荷載布置，將輪胎接地面積假設為矩形，單輪接地面積為189 mm×189 mm；行車荷載取BZZ-100，平均接地壓強為0.7 MPa。

1.3 網格劃分

采用不同尺寸的網格對不同結構層且含有裂縫的瀝青加鋪舊水泥混凝土路面模型進行劃分。

2 加鋪層厚度對層間應力的影響

2.1 對加鋪層底部主應力的影響

沿著瀝青加鋪層底部，在與裂縫平行的方向上取一系列節點，分析這些節點的最大主應力與瀝青加鋪層厚度的關系，結果如圖3所示。

由圖3可知：在荷載作用下，不同加鋪層厚度下層底最大主應力都出現在荷載正下方，并向周圍迅速遞減；加鋪層厚度從2 cm增加到6 cm時，無裂縫、有裂縫正載、有裂縫偏載的層底最大主應力值分別減少60.12%、60.39%、60.36%，說明增加瀝青加鋪層厚度能明顯減小加鋪層底部的最大主應力[12-13]。

2.2 對加鋪層底部豎直方向上剪應力的影響

沿著瀝青加鋪層底部在與裂縫平行的方向上取一系列節點，分析這些節點的剪應力與瀝青加鋪層厚度的關系，結果如圖4所示。

由圖4可知：在荷載作用下，瀝青加鋪層層底豎直方向上的最大剪應力隨著瀝青加鋪層厚度的增加先增大后減小。這是因為2 cm的加鋪層太薄，易產生應力突變。在無裂縫、裂縫正載、裂縫偏載情況下，加鋪層厚度為3 cm時，層底豎直方向上的剪應力最大。隨著加鋪層厚度的增加，3種情況下瀝青加鋪層層底豎直方向上的最大剪應力分別減少79%、73.27%、78.29%，說明增加瀝青加鋪層厚度能明顯減小加鋪層底部豎直方向上的最大剪應力[14-15]。

3 瀝青加鋪層模量對層間應力的影響

3.1 對加鋪層底部主應力的影響

沿著瀝青加鋪層底部，在與裂縫平行的方向上取一系列節點，分析這些節點的主應力與瀝青加鋪層模量的關系，結果如圖5所示。

由圖5可知：在荷載作用下，瀝青加鋪層層底的最大主應力隨著瀝青加鋪層模量的增加呈減小趨勢。在無裂縫、裂縫正載、裂縫偏載情況下，瀝青加鋪層層底最大主應力出現在荷載正下方，并向周圍迅速遞減；隨著彈性模量的增加，3種情況下瀝青加鋪層層底主應力分別減少0.64%、1.62%、0.52%，說明增加瀝青加鋪層模量不能明顯減小加鋪層層底的最大主應力[16-17]。

3.2 對加鋪層底部豎直方向上剪應力的影響

沿著瀝青加鋪層底部，在與裂縫平行的方向上取一系列節點，分析這些節點的剪應力與瀝青加鋪層模量的關系，結果如圖6所示。

由圖6可以看出：在荷載作用下，瀝青加鋪層層底豎直方向上的最大剪應力隨著瀝青加鋪層模量的增加而增大。在無裂縫、裂縫正載、裂縫偏載情況下，瀝青加鋪層層底最大主應力出現在荷載正下方，并向周圍迅速遞減；隨著彈性模量的增加，3種情況下瀝青加鋪層層底豎直方向上的最大剪應力分別增加7.22%、17.67%、15.14%，說明增加瀝青加鋪層模量對加鋪層底部的剪應力影響不明顯[18-20]。

4 裂縫對層間應力的影響

不同模型下，不同厚度瀝青加鋪層層底最大主應力值如表2所示。

由表2可知：在靜荷載作用下，隨著瀝青加鋪層厚度的增加，有裂縫正載下瀝青加鋪層層底最大主應力值比無裂縫時分別減小1.20%、1.23%、1.60%、1.70%、1.86%；有裂縫偏載下瀝青加鋪層層底最大主應力值比無裂縫時分別增加1.61%、1.18%、1.10%、0.96%、1.00%。

不同模型下，不同瀝青加鋪層層底最大剪應力值如表3所示。

由表3可知：在靜荷載作用下，隨著瀝青加鋪層厚度的增加，有裂縫正載下瀝青加鋪層層底最大剪應力比無裂縫時分別增加了-55.08%、29.71%、56.67%、48.75%、65.15%；有裂縫偏載下瀝青加鋪層層底最大剪應力比無裂縫時分別增加了-16.95%、6.33%、9.54%、8.04%、9.96%。

不同模型、不同瀝青加鋪層模量下，層底最大主應力值如表4所示。

由表4可知：在靜荷載作用下，隨著瀝青加鋪層模量的增加，有裂縫正載下瀝青加鋪層層底最大主應力比無裂縫時分別減小了1.34%、1.45%、1.59%、1.71%、1.83%、1.94%、2.04%、2.14%、2.23%、2.32%；有裂縫偏載下瀝青加鋪層層底最大主應力比無裂縫時分別增加了-0.13%、0.95%、0.96%、0.97%、0.98%、0.13%、0.98%、0.99%、1.00%、1.00%。

不同模型、不同瀝青加鋪層模量下，層底最大剪應力值如表5所示。

由表5可知：在靜荷載作用下，隨著瀝青加鋪層模量的增加，有裂縫正載下瀝青加鋪層層底的最大剪應力比無裂縫時分別減小了58.35%、58.98%、57.94%、57.18%、56.48%、55.84%、55.26%、54.71%、54.22%、53.78%。有裂縫偏載情況下瀝青加鋪層層底的最大剪應力比無裂縫時分別減小72.27%、69.57%、69.25%、68.95%、68.66%、68.40%、68.12%、67.88%、67.63%、67.41%。

5 結 語

（1）在靜荷載作用下，瀝青加鋪層層底的最大主應力和豎直方向上的剪應力隨著瀝青加鋪層厚度的增加呈明顯減小趨勢，增大瀝青加鋪層的厚度能減小層底應力。

（2）在靜荷載作用下，瀝青加鋪層層底的最大主應力和豎直方向上的最大剪應力隨著瀝青加鋪層模量的增加變化趨勢不明顯，改變瀝青加鋪層的彈性模量不能明顯改變層底應力。

（3）綜合表2～5得出：在靜荷載作用下，瀝青面層底部的最大主應力受裂縫的影響變化在1%～2%，而瀝青面層底部豎直方向上的最大剪應力值受裂縫影響變化在53%～58%。

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[責任編輯：杜敏浩]