瀝青路面塑性基礎鋪層的應力影響有限元分析

(新疆路橋北疆工程建設有限公司，新疆 昌吉 831100 )

塑性基礎鋪層密切關聯和影響著瀝青路面構造的應力狀態，揭示其中的關聯規律，對提高瀝青路面鋪筑質量具有工程應用意義，本文分析了瀝青相對剛性基礎鋪層路面一般構造，借助ANSYS有限元數值分析系統，分析瀝青路面塑性基礎鋪層工程，助力建設優質適用的塑性基礎鋪層瀝青路面。路面材料參數如表1所示。

研究選用均布雙矩形載荷模擬汽車載荷狀態，其具體規格18cm×19.6cm，載荷取為0.7MPa，載荷中心間距為31.4cm。

表1 路面材料參數

一、有限元數值模型的建立

采用ANSYS系統建立有限元數值分析模型，其長×寬×深規格取為6×6×8（m），載荷面網格長×寬取為3×3.33（cm），底面施加Y向約束，前后面分別施加X向和Z向約束。路面各層假定以平面無限大的彈塑性結構層。有限元路面構造網絡模型具體如圖2所示。

圖2 有限元路面構造網絡圖

圖3 分析路徑

二、瀝青路面塑性基礎鋪層應力影響數值分析

（一）塑性基礎鋪層對面層結構的應力狀態影響

塑性材料模量的室內實驗取值可以在700MPa～1100MPa間選擇，這里先選擇1000MPa實施模擬分析。分別分析3條路徑上路面彎沉、垂向剪力和底層拉應力狀。3條路徑分別是矩形載荷邊角，矩形載荷邊緣中心及矩形載荷中心，分析路徑具體如圖3所示。

兩種基層路面載荷中心部位的路面彎沉值揭示，比較剛性基礎鋪層路面，塑性基礎鋪層路面的各構造層彎沉值存在4%～5%的加增量。

與剛性基礎鋪層瀝青路面相比較，塑性基礎鋪層路面在中鋪層及上鋪層的垂向剪力相對有所加增，與剛性基礎鋪層瀝青路面相比較，塑性基礎鋪層路面在下鋪層中的垂向剪力呈明顯降低，降低幅度約11%，有利于改進完善下鋪層的受力狀態。

（二）塑性基礎鋪層模量差異對路面結構應力狀態的影響

基于1100MPa、1000MPa、900MPa、800MPa和700MPa模量分別計算塑性基礎鋪層的垂向剪力、底層拉應力和路面彎沉。隨著模量的加增，塑性基礎鋪層路面的彎沉呈逐漸降低，但至始至終大于瀝青相對剛性基礎鋪層路面的路面彎沉值。對于塑性基礎鋪層路面的底層拉應力來說，模量差異的影響并不明顯。底層拉應力隨著層位加深，對應呈現梯次減小態勢；隨模量的加增，底層拉應力自中鋪層起略有對應加增，并且瀝青相對剛性基礎鋪層路面的底層拉應力大于塑性基礎鋪層路面的底層拉應力，影響多集中于塑性基礎鋪層、下鋪層及上鋪層。

在上鋪層及中鋪層中，塑性基礎鋪層瀝青路面的剪力始終高于瀝青相對剛性基礎鋪層路面對應部位的剪力；而塑性基礎鋪層路面的剪力，在下鋪層和以下層次中，均低于瀝青相對剛性基礎鋪層路面對應部位的剪力，這意味塑性基礎鋪層可將剪力良好的分配給不同結構層，使瀝青路面的應力狀態相對更為合理。

（三）塑性基礎鋪層厚度值差異對路面構造受力狀態的影響

在路面構造中，考慮相對剛性材料的優點，保留適當厚度值的相對剛性材料構造層，加鋪塑性基礎鋪層，令其既有的相對剛性部位下移，不再集中一體承重，以輔助層的功能參與路面構造的受力。這種構造可充分發揮相對剛性基礎鋪層及塑性基礎鋪層的優點，使路面應力狀態進一步優化?？紤]相對剛性鋪筑層的加入可極大地改進完善路面構造的受力狀態，所以瀝青面層厚度值可適當的降低。故于研究中，只設置兩層瀝青面層，相對剛性層取以一定厚度值，對塑性基礎鋪層給予厚度值特定變更，觀察塑性基礎鋪層厚度值差異對構造層應力狀態的影響。分別取值塑性基礎鋪層厚度值是20cm、15cm、10cm及6cm，厚度值差異對路面彎沉的影響。路面彎沉隨塑性基礎鋪層的厚度值加增，對應呈線性梯次減小，其路面彎沉值相對于只設置了相對剛性基礎鋪層路面小許多。故于相對剛性鋪筑層上設置塑性基礎鋪層可明顯降低路面彎沉。

底層拉應力隨塑性基礎鋪層的厚度值加增，呈現梯次減小的態勢，但差異不大；同只設相對剛性基礎鋪層或者只設塑性基礎鋪層的瀝青路面相較，其上鋪層的底層拉應力，低于只設置塑性基礎鋪層路面，高于只設置相對剛性基礎鋪層路面，在塑性基礎鋪層及中鋪層，底層拉應力均低于只設置相對剛性基礎鋪層路面相應層的底層拉應力。

厚度值差異條件下，在中鋪層和上鋪層中，剪力差異不大。剪力最小的情況發生于只設置相對剛性基礎鋪層，剪力最大的情況發生于只設置塑性基礎鋪層；隨塑性基礎鋪層厚度值差異，剪力在相對剛性及塑性基礎鋪層內呈現差異較大。構造層中的剪力隨塑性基礎鋪層的厚度值加增對應呈現梯次減小的態勢；在塑性基礎鋪層內部，當塑性基礎鋪層取以較薄厚度值時，其垂向剪力相對較大。

三、結語

等厚度值條件下，塑性基礎鋪層出現的路面彎沉大于相對剛性基礎鋪層的路面彎沉，增加幅度約4%；設置塑性基礎鋪層對改進完善路面構造層中的剪力擁有明顯效果。在中鋪層及上鋪層中，與剛性基礎鋪層相比較，塑性基礎鋪層路面出現的剪力大，而于下鋪層及基層中的情況恰好正相反。

相對剛性鋪筑層再設塑性基礎鋪層時，塑性基礎鋪層厚度值差異對塑性基礎鋪層及相對剛性鋪筑層中的剪力相關性明顯，對上鋪層及中鋪層中的剪力有不明顯影響。加增塑性基礎鋪層厚度值可明顯下降相對剛性及塑性基礎鋪層的剪力。如果塑性基礎鋪層相對較薄條件下，其影響效果即變得不明顯，實際運用中不宜選用較薄的塑性基礎鋪層。