基于有限元方法的一種應力吸收層鋪設方式數值模擬分析

張東迎 王文超 虞將苗 馬程利 戚文博 牛書彬 祁寧剛

(中鐵十局集團西北工程有限公司1) 西安 410000) (中鐵十局集團第三建設有限公司2) 合肥 230088) (華南理工大學土木與交通學院3) 廣州 510640)

0 引 言

由于交通荷載的增加，我國早期修建的水泥混凝土路面大多出現了不同程度的病害，影響了路面的使用性能.目前，在舊水泥路面上加鋪瀝青層是被業內認可的對舊水泥路面進行大修的解決方案之一[1-3].然而，大量的工程實踐證明，在舊水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青罩面產生的反射裂縫問題正嚴重制約著加鋪層的路用性能和使用壽命，因此，延長舊水泥路面瀝青加鋪層的使用壽命，減少瀝青路面的反射裂縫是瀝青加鋪層設計面臨的主要問題[4].

常用于減少反射裂縫的措施有：增加瀝青加鋪層的厚度并選用優質瀝青和配置抗裂性能好的瀝青面層混合料；在加鋪層和舊水泥混凝土路面之間設置土工合成材料織物、鋼絲網；在瀝青加鋪層和水泥混凝土路面之間鋪設級配碎石過渡層或特粗粒徑瀝青碎石裂縫緩解層；對舊水泥混凝土板進行破碎處理，然后再加鋪半剛性基層及瀝青層[5-6].在所述的方法中，加鋪應力吸收層是一種阻裂效果良好的方法[7].研究發現，應力吸收層的厚度對加鋪面層底面應力有很大的影響.在應力吸收層一定厚度變化范圍內，采用增加應力吸收層的厚度來消散車輛荷載應力、防止交通荷載反射裂縫均是可行的，而且應力吸收層厚度的變化對加鋪層頂面最大彎沉值和接縫兩側彎沉及彎沉差影響很小，在一定的應力吸收層厚度變化范圍內，應力吸收層厚度變化對整個加鋪層剛度的影響在一個數量級上，并不因為厚度的增加會產生更大的車轍[8-10].但增加應力吸收層的厚度，必然會增加工程預算，這是不經濟的.

基于此，本文提出一種新的應力吸收層鋪設方法，通過對舊水泥混凝土板接縫寬度進行擴縫處理，間接增加接縫處的應力吸收層厚度，采用通用非線性有限元軟件ABAQUS分析.結果表明，這種方法能夠有效地減少瀝青面層層底拉應力，延緩反射裂縫的產生，理論上證明這種方法的可行性.

1 應力吸收層鋪設方式及有限元分析過程

1.1 應力吸收層鋪設方式提出及基本假設

為了間接增加舊水泥混凝土路面板接縫處應力吸收層的厚度，通過對舊水泥混凝土板接縫附近板角進行斜面切割處理.切割前和切割后示意圖見圖1.路面結構層從上到下分別為瀝青面層、應力吸收層、舊水凝混凝土板、基層、土基.由于對路面結構力學分析過程中，常采用多層彈性連續體系理論，因此本文也視路面結構為彈性層狀體系，并對個結構層作如下假設：①各結構層為均勻、連續、各向同性的彈性體；②各層層間豎向、水平位移均連續；③基礎底面各向位移為零，基礎側面水平方向位移為零；④瀝青混凝土四周側面水平方向的位移為零；⑤不計路面結構的自重；⑥假設接縫寬度為1 cm，且接縫無傳荷能力.

圖1 舊水凝混凝土板接縫挖除前后模型

1.2 結構計算模型及材料參數

采用通用非線性有限元軟件ABAQUS建立與圖1相一致的平面二維模型進行計算.圖1中1，2，3點為計算點.分析瀝青面層、應力吸收層、舊水凝混凝土板、基層、土基結構采用四節點平面應力減縮積分單元(CPE4R)[11].針對典型的水泥路面結構，選定模型板寬5 m，瀝青面層厚度取12 cm，應力吸收層厚度取3 cm，舊水泥混凝土板厚度取15 cm，基層厚度取40 cm，土基厚度取4 m.行車荷載采用標準軸載BZZ-100，車輪內壓0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm.經過不同荷載位置計算分析比較，車輪荷載作用在接縫一側中部的偏荷載對加鋪層最為不利[12].對材料參數的設定見表1.

表1 材料參數

2 路面結構在荷載作用下的有限元分析

對模型分別進行挖除前和挖除深度為5 cm的工況分析，其中車輪荷載為偏荷載作用.未對舊水凝混凝土板接縫處理的模型面層層底應力分析計算結果見表2.取豎向挖除高度為5 cm，橫向挖除長度為單個輪壓作用范圍18.9 cm.有限元模型應力分析計算結果見表3.

表2 舊水泥混凝土板接縫未處理的模型

表3 舊水泥混凝土板接縫已處理的模型

由表2～3可知，舊水泥混凝土板經處理后，計算點1瀝青面層層底拉應力σx由-0.416 MPa減少到-0.275 MPa，變化率為33.9%；相應地，計算點2、計算點3的瀝青面層層底拉應力變化率分別為30.9%、51.6%.計算點1、計算點2、計算點3瀝青面層層底壓應力σy由-0.318，-0.338，-0.247 MPa減少到-0.3，-0.276，-0.243 MPa，變化率分別為：5.7%，18.3%，1.6%；相應地，剪應力τxy變化率為：19.5%，22.3%，11.8%；同樣，豎向位移Uy的變化率分別為1.2%，1.2%，1.2%.瀝青面層層底拉應力減少了，層底壓應力減少得也比較多，豎向位移變化較小.

舊水泥混凝土板的層底最大拉應力由接縫處理前的1.01 MPa，增加到接縫處理后的1.14 MPa，變化0.99%，變化很小，對舊水泥混凝土板底層的抗拉強度影響不大.其豎向最大剪應力發生在離接縫端處附近，由接縫處理前的0.317 MPa，增加到接縫處理后的0.327 MPa，變化3.15%，變化也很小，不影響水泥混凝土板的抗折強度要求.

3 挖除高度影響分析

3.1 挖除高度對瀝青面層荷載應力的影響

通過對接縫的挖除處理，間接增加瀝青吸收層的厚度，能夠有效地減少瀝青面層層底拉應力.為了研究挖除深度對瀝青面層層底拉應力的影響，本文通過幾個不同挖除深度的計算分析，挖除深度對瀝青面層層地應力分析結果見表4.

表4 挖除深度對計算點2的影響

由表4可知，挖處深度在1～4 cm范圍內，計算點2的拉應力減少較快；在4～6 cm范圍內，拉應力減小較慢.因此，不是挖除深度越大，面層層底拉應力就越小，應力吸收層厚度達到一定值后，厚度的變化對拉應力的變化影響較小.挖除深度對計算點2的壓應力和剪應力的影響在1～4 cm范圍內減小較快，在4～6 cm范圍內減小較慢.挖除深度對計算點2豎向位移的影響很小，可以忽略不計.所以考慮經濟和施工等因素，本文取挖除深度為5 cm是合理的.

3.2 挖除高度對瀝青面層層頂最大豎向位移的影響

通過對舊水泥混過凝土板接縫進行挖除，間接增加應力吸收層的厚度，必然會引起瀝青面層在豎直方向的位移，容易引起車轍等路面病害.不同挖除深度對瀝青面層最大豎向最大位移的分析結果見表5.

表5 挖除深度對瀝青面層豎向最大位移的影響

由表5可知，隨著舊水泥混凝土接縫挖除深度的增大，與未開挖之前的瀝青面層豎向最大位移相比，豎向最大位移的增加量依次為0.018，0.02，0.022，0.024，0.026和0.029 mm，變化很小，對車轍深度的增加較小，幾乎可以忽略.

4 結 論

1) 通過對舊水泥混凝土板接縫進行挖除處理，間接增加接縫處應力吸收層的厚度，通過計算分析，明顯減少瀝青面層層底拉應力，可以有效地延緩反射裂縫的產生，

提高瀝青面層的使用壽命，理論上證明這種方法的可行性.

2) 挖除深度達到一定值后，厚度的變化對瀝青面層層拉應力、壓應力、剪應力的變化影響較小.綜合經濟和施工等因素，建議挖除高度為5 cm.

3) 對舊水泥混凝土板接縫進行挖除處理，計算結果表明，瀝青面層層頂豎向位移增加較少，不會加重車轍等路面病害.