軸載及應力吸收層參數對“白改黑”路面內應力影響

姜 利 蘇 禹 解雙瑞

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

水泥混凝土路面在我國開始使用時間較早，應用范圍很廣。近年來，隨著國民經濟的迅速發展，交通荷載逐漸向重型化發展，交通量也大幅增長，導致路面加速破壞現象日益嚴重，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層，既能提高路面結構的承載力又能改善行車的舒適性。但是由于剛性基層接縫或裂縫的普遍存在，瀝青面層會沿接縫或裂縫處產生反射裂縫，嚴重影響路面的耐久性[1]。研究表明，在舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間設置改性瀝青混合料應力吸收層，能改善路面結構的應力狀態，有效延緩反射裂縫的產生和發展[2]，而處于剛柔結構層交界面的應力吸收層在接縫處的受力狀態非常不利，且在長期的車輛荷載作用下更易促成反射裂縫的產生。因此，有必要對復合式路面結構中應力吸收層的受力狀態進行系統的分析。本文通過建立基于應力吸收層的路面結構三維有限元模型，分析軸載、加鋪層厚度及材料參數變化時對應力吸收層結構荷載應力的影響，為合理設計應力吸收層結構提供參考。

1 有限元計算模型及參數

1.1 計算模型

視路面結構為彈性層狀體系，研究對象是由瀝青面層、應力吸收層、帶有接縫的水泥混凝土基層和地基組成，建立三維有限元模型，瀝青面層、應力吸收層、水泥混凝土基層和地基均采用C3D8R單元，模型簡圖如圖1所示。對各結構層做如下假設[3,4]：

1)各結構層為均勻、連續、各向同性的彈性體材料；

2)路面各層粘結狀態良好，且無層間位移；

3)地基底面各方向上位移為0，側面水平方向上位移為0；

4)水泥混凝土板接縫寬度為1 cm，且接縫處無傳荷能力；

5)不計重力作用。

1.2 計算參數

參考實際工程舊水泥混凝土路面結構，取半幅路面為研究對象，擬定路面結構基本計算參數如下：舊水泥混凝土板尺寸為5 m×4.5 m×0.22 m，接縫寬度為1 cm，基礎尺寸擬定為10.01 m×4.5 m×9 m。采用BZZ-100標準軸載，軸重100 kN，輪胎接地壓強0.7 MPa，單輪接地當量圓直徑21.3 cm，兩輪中心距31.95 cm。為確保計算結果收斂性，將單個輪壓作用范圍等效為18.6 cm×19.2 cm，接觸面積為357.12 cm2，兩輪中心距31.4 cm的矩形均布荷載，如圖2所示。各層厚度及材料參數[5,6]見表1。

表1 各結構層參數

結構層瀝青混凝土面層應力吸收層舊水泥混凝土板基礎厚度/cm10322900模量/MPa1 20040030 000100泊松比μ0.250.250.150.35

2 應力吸收層荷載應力分析

采用控制單一參數變量的方式對應力吸收層層底接縫處的荷載應力進行系統的分析。根據最大剪應力準則、最大拉應力準則、Von Mises屈服準則以及摩爾—庫侖理論，在進行舊水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面分析時，只要考慮最不利點的最大主應力σ1,Mises等效應力σe以及最大剪應力τmax三個值。研究表明，舊水泥混凝土接縫處存在應力集中現象，導致瀝青加鋪層應力過大引起反射裂縫[2]。因此，以應力吸收層層底水泥混凝土接縫處為最不利點，如圖3所示。其中A點為瀝青加鋪層底應力吸收層應力對比點，B點為應力吸收層之上的加鋪層底與A點對應的應力點。

2.1 軸載變化對應力吸收層荷載應力的影響

在國內的主要干線公路上，重載及超載車輛大量存在，單軸雙輪組最大荷載達到了240 kN，加速了路面破壞，嚴重縮短了瀝青路面的使用壽命[7]。為定量分析車輛荷載對加鋪層結構造成的不利影響，對加鋪層結構在各級軸載作用下的受力狀況進行力學分析。當瀝青加鋪層表面作用的行車荷載由100 kN以20 kN為一級增加到240 kN時，加鋪層結構的荷載應力計算結果見表2，表3，圖4，圖5。

表2 車輛荷載作用下應力吸收層接縫處荷載應力隨軸載變化

軸載/kNA點荷載應力/kPaB點荷載應力/kPaσ1σeτmaxσ1σeτmax100563.41 171.01 212.370.6564.3636.7120676.41 404.41 453.985.1677.0764.0140789.41 637.81 695.599.6789.8891.3160902.41 871.31 937.1114.0902.61 018.71801 015.42 104.72 178.7128.51 015.41 146.02001 128.52 338.12 420.3143.01 128.11 273.32201 241.52 571.62 662.3157.41 240.91 400.62401 354.52 805.02 904.4171.91 353.71 527.9

表3 車輛荷載作用下B點相較于A點應力隨軸載變化趨勢

由表2,表3,圖4,圖5可知，軸載的變化對加鋪層結構的荷載應力有顯著的影響。隨著軸重的增加，A,B兩點的荷載應力呈現明顯的線性增長趨勢。軸載從100 kN增加到240 kN時，B點相較于A點，最大主應力σ1、等效應力σe、最大剪應力τmax降低幅度分別在87.37%,51.74%,51.77%,47.42%左右，當軸重達到240 kN時，A點的最大剪應力為2 904.4 kPa，約為標準軸載下的2.4倍。由此可見，重載會使加鋪層結構內荷載應力大幅度增加，更加容易加速反射裂縫的產生和發展，應力吸收層能夠在很大程度上分散傳遞到瀝青加鋪層底的應力，雖然效果會隨著軸重的增加而略有減弱，但影響不大。

2.2 應力吸收層厚度對應力吸收層荷載應力的影響

當應力吸收層厚度從1 cm以1 cm為增量級增加到5 cm時，加鋪層結構的荷載應力計算結果見表4,表5,圖6,圖7。

表4 車輛荷載作用下應力吸收層接縫處荷載應力隨厚度變化

表5 車輛荷載作用下B點相較于A點應力隨厚度變化趨勢

從表4，表5,圖6，圖7可以看出，隨著應力吸收層厚度的增加，接縫處加鋪層結構的荷載應力呈現逐漸降低的趨勢，應力吸收層厚度由1 cm增加到5 cm時，最大主應力σ1、等效應力σe、最大剪應力τmax在A點處分別降低了5.03%～11.24%,0.92%～16.19%,0.36%～11.01%；在B點處分別降低了37.81%～96.52%,9.97%～26.02%,10.79%～25.93%；B點相較于A點分別降低了62.82%～99.86%,16.07%～54.60%,6.47%～54.98%。由此可見，隨著應力吸收層厚度的增加，A,B兩點處荷載應力逐漸減小，A點處等效應力和最大剪應力在應力吸收層為3 cm以上時降幅較大，說明較厚的應力吸收層在吸收車輛荷載傳遞到舊水泥混凝土路面頂面的應力上有明顯的效果，但在B點處當應力吸收層厚度達到3 cm以上時各應力的降幅均有所減弱，同時B點相較于A點的應力有大幅度降低，在1 cm～3 cm時降低幅度較大，但隨著厚度的逐漸增加應力的降低幅度有趨于平緩的趨勢。

2.3 應力吸收層模量對應力吸收層荷載應力的影響

當應力吸收層模量從800 MPa以100 MPa為間隔降低到200 MPa時，加鋪層結構的荷載應力計算結果如表6,表7,圖8,圖9所示。

表6 車輛荷載作用下應力吸收層接縫處荷載應力隨應力吸收層模量變化

表7 車輛荷載作用下應力吸收層接縫處應力隨應力吸收層模量變化趨勢

由表6,表7,圖8,圖9可知，接縫處加鋪層結構的荷載應力隨應力吸收層模量的減小而逐漸降低。應力吸收層模量由800 MPa減小到200 MPa時，A點的最大主應力σ1、等效應力σe、最大剪應力τmax分別降低了6.60%～26.84%,4.30%～15.82%,6.07%～16.64%；B點的最大主應力σ1、等效應力σe、最大剪應力τmax分別降低了6.12%～64.62%,3.92%～14.60%,4.03%～14.03%。B點相較于A點分別降低了86.03%～95.02%,50.71%～52.97%,43.85%～53.37%。由此可見，隨著應力吸收層模量的減小，A,B兩點處荷載應力逐漸降低，無論是A點還是B

點，低模量的應力吸收層都對其應力的分散有較好的效果；B點相較于A點的荷載應力有大幅度降低，其中σ1降幅逐漸增大，當模量達到200 MPa時對應力的吸收率達到了約95%，而σe,τmax降幅則逐漸減小，但對應力的吸收率仍能達到51%和44%左右。在實際工程中，應綜合考慮溫度等環境因素進行瀝青混合料應力吸收層材料設計。

3 結語

1)應力吸收層作為復合式路面中與剛性基層相連接的柔性結構層，其受力狀態相對復雜，在剛性基層接縫處，存在應力集中現象，適當的增加應力吸收層厚度和降低模量，能夠減小接縫處應力吸收層底面最大主應力σ1、等效應力σe、最大剪應力τmax的值，可延緩反射裂縫的產生和發展。

2)應力吸收層厚度在1 cm～3 cm時應力下降幅度較大，在4 cm～5 cm時降低幅度減小，說明隨著厚度的增加應力吸收層“吸收”應力的效果會逐漸減弱，綜合考慮性價比等其他因素，取厚度為3 cm左右較為適宜；應力吸收層模量在200 MPa～500 MPa時對σ1的“吸收”效果較為顯著，而在500 MPa～800 MPa時對σe,τmax的“吸收”效果相對較好，可以此為參考進行瀝青混合料應力吸收層材料設計。

3)重載或超載對路面的使用壽命非常的不利，當軸重達到240 kN時，應力吸收層底面接縫處的最大剪應力達到2 904.4 kPa，約為標準軸載下的2.4倍，而剪應力又是產生剪切型裂縫的主要因素，因此，在舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層設計時，應對重載產生的不利影響給予足夠的重視。