基于ANSYS的瀝青路面溫縮裂縫間距研究

□韓 碩 劉 浩 章文姣

瀝青混凝土路面是我國高等級公路的主要結(jié)構(gòu)型式[1]。在道路運營階段，由于車輛荷載及外界環(huán)境因素的綜合作用，瀝青路面會出現(xiàn)各種早期病害，如果得不到抑制并不斷發(fā)展，將影響道路使用效果，更甚者將影響行車安全。在我國北方地區(qū)，溫縮裂縫是一種十分普遍的早期病害現(xiàn)象，如果沒有盡早處理，將會引起更多嚴(yán)重的并生病害，影響其它結(jié)構(gòu)層的穩(wěn)定[2～3]。

一、機(jī)理與計算模型

瀝青路面暴露在大氣中，受到氣溫變化的直接影響。當(dāng)外界溫度降低時，瀝青路面發(fā)生收縮變形，由于受到路面連續(xù)體約束與層間摩阻力的共同作用，在收縮應(yīng)力達(dá)到瀝青混凝土極限抗拉強(qiáng)度時，路表面將會出現(xiàn)溫縮裂縫[4]。

本文對某瀝青路面公路進(jìn)行研究，通過有限元分析軟件ANSYS建立幾何計算模型，分析不同因素對溫縮裂縫間距的影響。計算模型如圖1所示，包括面層、基層、墊層和土基。

圖1 道路有限元模型

計算過程包括熱分析和結(jié)構(gòu)分析，對應(yīng)單元類型分別為SOLID70熱實體單元和SOLID45結(jié)構(gòu)實體單元。考慮面層和基層間摩阻力的影響，選擇TARGE170目標(biāo)單元和CONTA173接觸單元。

二、裂縫間距分析

瀝青混凝土由瀝青、集料、礦粉和外加劑等組成。不同配合比瀝青混合料性能有所不同。溫縮裂縫影響因素很多，不能一一考慮，從以下幾個主要因素進(jìn)行分析。瀝青路面溫縮裂縫的發(fā)生受到體內(nèi)溫度應(yīng)力的影響，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度應(yīng)力超過瀝青混凝土極限抗拉強(qiáng)度便會出現(xiàn)。

(一)降溫幅度影響。考慮五種不同降溫幅度，研究不同降溫幅度對溫縮裂縫間距的影響。如圖2所示。

圖2 降溫幅度與裂縫間距關(guān)系圖

由圖2可得不同降溫幅度下，路面溫縮裂縫間距，如表1所示。

表1 降溫幅度與裂縫間距關(guān)系表

(二)面層厚度影響。考慮五種不同瀝青混凝土面層厚度，研究不同面層厚度對溫縮裂縫間距的影響。如圖3所示。

圖3 面層厚度與裂縫間距關(guān)系圖

由圖3可得不同瀝青混凝土面層厚度下，路面溫縮裂縫間距，如表2所示。

表2 面層厚度與裂縫間距關(guān)系表

(三)面層模量影響。考慮五種不同瀝青混凝土面層模量，研究不同面層模量對溫縮裂縫間距的影響。如圖4所示。

由圖4可得不同瀝青混凝土面層模量下，路面溫縮裂縫間距，如表3所示。

圖4 面層模量與裂縫間距關(guān)系圖

表3 面層模量與裂縫間距關(guān)系表

(四)面層溫縮系數(shù)影響。考慮五種不同瀝青混凝土面層溫縮系數(shù)，研究不同面層溫縮系數(shù)對溫縮裂縫間距的影響。計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 面層溫縮系數(shù)與裂縫間距關(guān)系圖

由圖5可得不同瀝青混凝土面層溫縮系數(shù)下，路面溫縮裂縫間距，如表4所示。

表4 面層溫縮系數(shù)與裂縫間距關(guān)系表

三、結(jié)語

綜上所述，降溫幅度對瀝青混凝土路面溫縮裂縫產(chǎn)生的影響最大，降溫幅度越大，裂縫間距越小，單位長度內(nèi)裂縫數(shù)量越多；瀝青混凝土面層厚度在一定范圍內(nèi)會對溫縮裂縫間距產(chǎn)生影響，但增加到一定程度，影響越來越小；瀝青混凝土面層模量與溫縮系數(shù)對溫縮裂縫間距影響變化規(guī)律基本一致，參數(shù)值越大，裂縫間距越小，單位長度內(nèi)裂縫數(shù)量越多。為減少瀝青混凝土路面溫縮裂縫，減輕后期維修養(yǎng)護(hù)的工作量，在設(shè)計和施工過程中，需要注意周圍環(huán)境的影響，選擇適當(dāng)?shù)臑r青混合料類型，并嚴(yán)格按配合比進(jìn)行施工。