橡膠瀝青應(yīng)力吸收層（AR-SAMI）對(duì)瀝青路面荷載應(yīng)力響應(yīng)的影響探析

周志

（深圳市市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518029）

0　引言

目前，在國(guó)內(nèi)外交通道路建設(shè)中，主要采用在半剛性基層（水泥穩(wěn)定基層）上鋪筑瀝青混凝土路面的方法。半剛性基層在水平方向或豎向超限位移時(shí)，瀝青面層會(huì)在半剛性裂縫處出現(xiàn)反射裂縫，其中交通荷載是造成基層板縫位移的主要原因。為防止反射裂縫的發(fā)生，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究，目前就防止反射裂縫效果，綜合工程造價(jià)及施工工藝，采用AR-SAMI是最為有效的方法。AR-SAMI以其優(yōu)良的應(yīng)力吸收效果、施工簡(jiǎn)單及速度快等特點(diǎn)在國(guó)外得到廣泛的應(yīng)用。然而國(guó)內(nèi)對(duì)AR-SAMI施工技術(shù)的研究不是很全面，還沒有形成適合我國(guó)國(guó)情的施工規(guī)范。本文利用有限元軟件（ABAQUS）建立了瀝青路面典型結(jié)構(gòu)的有限元模型，對(duì)不同層厚度與不同模量的AR-SAMI在瀝青路面結(jié)構(gòu)的荷載下的應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，在實(shí)體道路工程中應(yīng)用了AR-SAMI。

根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究成果，AR-SAMI厚度為1～3 cm、模量為10～100 MPa較合適，為研究AR-SAMI防瀝青路面反射裂縫的效果，本文選用三種 AR-SAMI厚度 （1 cm、2 cm、3 cm）、三種AR-SAMI模量（10 MPa、50 MPa、100 MPa），運(yùn)用ABAQUS軟件進(jìn)行荷載應(yīng)力分析。

1　有限元模型

1.1　模型尺寸選擇及網(wǎng)格劃分

本文采用大型通用軟件ABAQUS對(duì)瀝青路面模型進(jìn)行有限元分析計(jì)算。考慮計(jì)算效率和計(jì)算精度的要求，采用二維平面應(yīng)變模型，寬度取6 m（X方向），深度取3 m（Y方向）。

采用了非均勻的網(wǎng)格劃分方法，提高計(jì)算效率，由兩邊向中間逐漸增密，由土基到路表逐漸增密。在荷載作用區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。采用三維8節(jié)點(diǎn)線性完全積分單元C3D8，提高計(jì)算精度和收斂速率。計(jì)算模型如圖1所示。

1.2　荷載條件

車輛荷載采用規(guī)范《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2006）設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載輪壓p=0.7 MPa，相應(yīng)當(dāng)量圓直徑為21.30 cm。采用單軸四輪荷載，荷載接觸面形狀采用正方形，接觸面尺寸為18.9 cm×18.9 cm，雙輪中心間距為32 cm，軸輪胎中心間距為182 cm。根據(jù)等效原則，荷載轉(zhuǎn)換為線荷載大小為0.117 371 MPa。在防反射裂縫效果分析時(shí)，根據(jù)荷載經(jīng)過裂縫上方最不利情況，采用兩種荷載工況，分別為正荷載工況和偏荷載工況，如圖2與圖3所示。

圖2　正載荷交通荷載

圖3　偏載荷交通載荷

1.3　邊界條件

其中X軸為道路縱向，Y軸為道路橫向。道路縱向兩斷面X軸方向位移被約束，道路橫向兩斷面Y軸方向位移被約束，底面上為固定約束。反射裂縫一般為橫向裂縫，為模擬AR-SAMI在基層開裂的情況下防止反射裂縫擴(kuò)展的效果，在水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)置一條橫向貫通基層裂縫，如圖4所示。

圖4　基層橫向貫通裂縫

1.4　層間接觸

層間接觸狀況對(duì)路面結(jié)構(gòu)層間的應(yīng)力傳遞影響比較大，在進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)通常考慮三種層間接觸狀況，即完全連續(xù)、不完全黏結(jié)和完全光滑。考慮到當(dāng)前路面施工加強(qiáng)了層間結(jié)合處置，結(jié)合瀝青路面設(shè)計(jì)假設(shè)，該模型中各層間采用完全連續(xù)模型。

1.5　路面結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

本文選用國(guó)內(nèi)常用的路面結(jié)構(gòu)層形式，在瀝青下面層與水穩(wěn)層間添加應(yīng)力吸收層，路面結(jié)構(gòu)層各層材料參數(shù)具體見表1。

表1　路面結(jié)構(gòu)層各層材料參數(shù)

2　力學(xué)分析

本文采用面層彎拉應(yīng)力與應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行AR-SAMI在交通荷載下的力學(xué)分析。其中面層彎拉應(yīng)力數(shù)值越大，面層越容易產(chǎn)生裂縫。剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值表示位移，數(shù)值越大相對(duì)的位移也越大。張拉型應(yīng)力強(qiáng)度數(shù)值為負(fù)數(shù)時(shí)，表明瀝青面層出于受壓狀態(tài)；數(shù)值為正時(shí)，瀝青里層處于受拉狀態(tài)。正、負(fù)僅代表不同的受力或變形的方向。

2.1　應(yīng)力層厚度力學(xué)分析

為研究不同AR-SAMI層厚對(duì)防治反射裂縫的效果，本文選用了0 cm、1 cm、2 cm、3 cm四種厚度加以分析，AR-SAMI模量統(tǒng)一定為50 MPa，其中0代表不添加AR-SAMI。

根據(jù)模型在正荷載工況條件下分析不同AR-SAMI層厚的面層底彎拉應(yīng)力及強(qiáng)度因子，結(jié)果見表2。根據(jù)表2，在正荷載條件下，添加AR-SAMI可以有效減少面層底彎拉應(yīng)力。

表2　不同AR-SAMI層厚在正荷載下的力學(xué)分析結(jié)果

通過表3與圖5可以得出，添加AR-SAMI可以有效減少面層底彎拉應(yīng)力及張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子。同時(shí)隨著AR-SAMI層厚的不斷增加，瀝青面層彎拉應(yīng)力也隨之增加。剪應(yīng)力強(qiáng)度因子數(shù)值在不斷變小，說明荷載產(chǎn)生的位置在減小；張拉應(yīng)力強(qiáng)度因子在正荷載時(shí)統(tǒng)一為0，在偏荷載時(shí)瀝青面層處于受拉狀態(tài)，且數(shù)值變化不大。同時(shí)如圖5所示，在偏荷載工況下，AR-SAMI層厚為1 cm最優(yōu)。

表3　不同AR-SAMI層厚在偏載荷下的力學(xué)分析結(jié)果

圖5　偏載荷下不同AR-SAMI厚度的力學(xué)比較

2.2　應(yīng)力層模量力學(xué)分析

為研究不同AR-SAMI層模量對(duì)防治反射裂縫的效果，本文選用 0 MPa、10 MPa、50 MPa、100 MPa四種模量加以分析，AR-SAMI厚度統(tǒng)一定為1 cm，其中0代表不添加AR-SAMI。

根據(jù)模型分析不同AR-SAMI模量在正荷載工況條件下的面層底彎拉應(yīng)力及強(qiáng)度因子，結(jié)果見表4。根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果，在正荷載條件下，添加AR-SAMI可以有效減少面層底彎拉應(yīng)力。

表4　不同AR-SAMI層模量在正載荷下的力學(xué)分析結(jié)果

根據(jù)表5與圖6的計(jì)算結(jié)果，在偏荷載作用下，添加AR-SAMI可以有效減少面層底彎拉應(yīng)力及張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子，但隨著模量的增加，力學(xué)響應(yīng)趨于平緩。同時(shí)如圖6所示，在偏荷載工況下，AR-SAMI模量為50 MPa最優(yōu)。

表5　不同AR-SAMI層模量在偏載荷下的力學(xué)分析結(jié)果

圖6　偏載荷下不同AR-SAMI模量的力學(xué)比較

3　工程實(shí)例

為驗(yàn)證模型計(jì)算結(jié)果的可靠性，實(shí)例考察南京某大道AR-SAMI防治反射裂縫的效果。

該大道緊鄰長(zhǎng)江，道路全長(zhǎng)14.76 km，道路結(jié)構(gòu)層與模型結(jié)構(gòu)相同。由于道路緊鄰長(zhǎng)江，工程區(qū)受潮汐影響，屬感潮河段，每日兩次高潮和低潮。道路場(chǎng)地被眾多水塘、堤防和溝渠等切割，地貌形態(tài)破碎零亂，地勢(shì)低洼處為溝、塘，地勢(shì)明顯凸起處為堤防和水塘埂，道路多處地段為高填方路基。考慮到大道特殊的地質(zhì)條件，以及在長(zhǎng)期交通荷載下水穩(wěn)基層極易產(chǎn)生裂縫，大道路面施工過程中加鋪一層1cm厚的AR-SAMI。道路建成近兩年，路面完好無反射裂縫。同時(shí)與大道鄰近的一條市政道路，路面結(jié)構(gòu)與該大道結(jié)構(gòu)層相同，但是沒有設(shè)置AR-SAMI，通車后不久就出現(xiàn)了橫向裂縫，具體如圖7所示。

圖7　相鄰道路有無AR-SAMI的路況比較

4　結(jié)語

（1）AR-SAMI層厚，無論是正荷載還是偏荷載，瀝青面層的力學(xué)響應(yīng)均發(fā)生較大的變化，說明添加AR-SAMI能起到有效吸收應(yīng)力的作用，防治反射裂縫。

（2）AR-SAMI模量，其力學(xué)響應(yīng)數(shù)值變化與AR-SAMI層厚類似，隨AR-SAMI模量的增加，力學(xué)分析值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，在模量為50 MPa處。

（3）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例比較，AR-SAMI對(duì)防治瀝青路面的反射裂縫起到較好的作用。本文建議AR-SAMI層施工時(shí)層厚1 cm，層模量為50 MPa。