橡膠瀝青應力吸收層的結構性能分析

■陳 超

（福建貝潤建設有限公司， 龍巖 364000）

由于歷史原因， 我國早期修建的很多公路和城市道路為水泥混凝土路面，為減小養護成本、提高行車質量， 一些修復成本較高的舊水泥混凝土路面需要用瀝青混凝土路面代替，與重建相比，更多采用的是在處理后的已有路面上加鋪瀝青混凝土路面的結構形式（白改黑或白加黑）。 這種復合路面結構形式容易因舊水泥混凝土路面的接縫或裂縫的存在， 使得加鋪層在各種直接和間接作用下產生反射裂縫，進而延伸到路表面，形成反射裂縫。 工程中為防止或減緩反射裂縫的出現，一般采用設置應力吸收層的方式[1-11]。 應力吸收層設置在加鋪層與舊路面之間，可通過本身的強度和變形能力阻止裂縫向上層傳遞， 從而達到保護面層的目的，同時也有防水和一定黏結作用。 目前較常用的是橡膠瀝青應力吸收層，它是以橡膠瀝青為膠結料、碎石為傳力介質的一種應力吸收層[1]。 施工時，在處理后的舊水泥混凝土路面上灑布橡膠瀝青的同時均勻灑布單一粒徑的預拌瀝青碎石， 控制灑布量使得碾壓后的橡膠瀝青在碎石高度的3/4 左右，該高度范圍的內的橡膠瀝青承擔其下層變形的作用， 余下1/4 高度的間隙用來適應夏季高溫產生的瀝青膨脹和流動。 已有工程實踐表明，該應力吸收層具有良好的工程效果[2-5]。 本文針對G358 線K350+920-K362+370 瀝青路面改造工程，采用有限元法對該復合路面結構在輪載作用下其應力吸收層的設置進行了數值研究，結果對該類工程設計施工有一定參考意義。

1 工程背景

G358 線K350+920-K362+370 瀝青路面改造工程因大車較多， 原有水泥混凝土路面破壞嚴重，決定對其加鋪瀝青混凝土路面。 舊水泥混凝土路面設計采用23 cm 厚水泥混凝土面層+15 cm 厚5%水泥穩定碎石基層的結構形式。 加鋪設計采用將舊水泥混凝土路面裂縫及接縫灌縫處理后，加鋪瀝青混凝土層的方式。 瀝青混凝土層采用常用的8 cm厚SBS 改性AC-20 和4 cm 厚SBS 改性SMA-13分別作為下面層和表面層[6]。 考慮到標高要求，這里設置橡膠瀝青應力吸收層，其厚度為1～1.5 cm。 加鋪后的路面結構如圖1 所示。 本文以此路面結構為基準進行數值研究。

圖1 加鋪后的路面結構

2 路面結構模型

2.1 模型范圍及參數

由于路面在輪載下的作用效應是個局部問題，從已有研究和初步分析結果可發現[7]，其有效范圍并不大，這里根據本工程實際情況（雙向兩車道），路面范圍取半幅路寬，即4 m，長度取2 個水泥混凝土板長，其中包括1 cm 的縫寬度，即（5+0.01+5）m。路基寬度外側取實際的1 m 寬土路肩，內側也多取1 m 寬路基作為計算寬度， 即路基計算范圍取6 m寬，長度方向同樣也較路面范圍內多取1 m，深度范圍取8 m。 模型計算范圍如圖2 所示。

圖2 計算范圍

實際道路中除施工縫、脹縫和縮縫外，部分路面還有表面開裂，但考慮到開裂的方向及裂縫寬度在受力計算中不具有代表性，這里僅考慮較寬的橫縫，取1 cm。

計入瀝青加鋪層及橡膠瀝青應力吸收層后，考慮基層及路基綜合作用后的新路面結構可分為五層，考慮到設計時還未施工及路面材料性質的變異性（取值較大），材料參數采用設計常用值，計算中采用的各層材料參數取自文獻[2,7]，如表1 所示。

表1 計算中采用的材料參數

2.2 模型假設

按照路面結構常規設計和計算方法[8]，其采用的是線彈性分析理論，這里也采用線彈性分析。 計算中采用的假設為[2]：各結構層為連續、均勻、各向同性的彈性體；各結構層層間豎向位移、水平位移完全連續；基礎底面固定，基礎側面約束其法向位移；基礎以上各層邊界自由；接縫寬度為1 cm 且接縫無傳荷能力；不計結構自重影響。

2.3 數值模型

這里的建模和分析采用ABAQUS 有限元通用軟件進行，分析采用有限單元法。 模型如圖3 所示，單元采用的是三維二十節點六面體減縮積分單元C3D20R，模型共65232 個單元，單元劃分對關心部位，即裂縫和應力吸收層部位進行了細化。 邊界條件為底面約束各平動自由度，4 個側面則僅約束法向自由度。

圖3 路面結構模型

瀝青路面設計推薦采用的標準軸載為BZZ-100，輪胎內壓為0.7 MPa，單輪荷載的等效形狀有圓形、橢圓形和矩形等，這里采用與實際比較接近的矩形，其作為尺寸為18.9 cm×18.9 cm，雙輪間距為32 cm，兩側輪中心距離為182 cm，如圖4 所示。

圖4 BZZ-100 加載示意圖

模型加載方式主要有2 種，一種是關于裂縫對稱加載輪載，一種是偏向裂縫一側加輪載，根據已有文獻[1-2,7]，偏載方式對于路面結構分析起控制作用，故這里的加載采用裂縫一側偏載的方式，如圖3所示。

3 分析結果及討論

3.1 應力吸收層對路面結構的影響

按上述模型， 分別針對設置與不設置1 cm 厚應力吸收層的情況進行了數值分析，圖5 給出了相應情況下的主拉應力云圖，表2 列出了相應情況下加鋪層底及設置后應力吸收層底的應力情況。 其中，σx、σy、σz、τxy、τyz和τyx分別表示一點各方向正應力和剪應力，σe、τmax和σ1分別表示等效應力、 最大剪應力和最小主應力（即主拉應力）。

圖5 路面結構模型主拉應力云圖

表2 路面結構應力情況（單位：MPa）

從表2 可見，設置應力吸收層的作用還是比較明顯的，設置應力吸收層后的瀝青層底部最大剪應力減少了73%，等效應力降低了74%，主拉應力降低了323%。這表明，應力吸收層對加鋪層結構的受力有一定的保護作用。 而且當考慮疲勞效應時，這種保護應該更為明顯。

3.2 應力吸收層厚度的影響

由于橡膠瀝青應力吸收層的材料參數一般較為穩定，實際中考慮到碎石粒徑問題，原則上可以調整應力吸收層厚度。 這里對橡膠瀝青應力吸收層的厚度進行參數分析。 分析從1 cm 起， 每級增加0.5 cm，最大厚度取3 cm。 表3 和表4 分別給出了不同厚度下加鋪層底和應力吸收層底的應力情況。

表3 不同應力吸收層厚度時加鋪層底應力（單位：MPa）

表4 不同應力吸收層厚度時加應力吸收層底應力（單位：MPa）

由表3 可見，瀝青加鋪層底部應力隨著應力吸收層厚度的增加而減小，等效應力σe從1 cm 時的0.8058 MPa 減小至3 cm 時的0.4885 MPa， 其減小了40%； 最大剪應力τmax從1 cm 時的0.4425 MPa減小至3 cm 時的0.2571 MPa，其減小了42%；主拉應力σ1從1 cm 時的-0.7763MPa 減小至3 cm 時的-0.4919 MPa，其減小了58%。 由表4 可見，應力吸收層底部等效應力σe，最大剪應力τmax和主拉應力σ1隨其厚度的增加先增大后減小， 這說明應力吸收層厚度的增加對自身的拉應力消減沒有多大影響，依靠增加應力吸收層厚度不能改善其受力狀況。 綜上可知，增加應力吸收層厚度可以減小反射裂縫的發生程度，但從經濟效益、施工及應力吸收層作為功能層的目的出發，其厚度不應太大，推薦應力吸收層厚度為1～2 cm。

4 結語

通過對一個實際的舊有水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層工程中的橡膠瀝青應力吸收層的數值分析表明：（1）設置橡膠瀝青應力吸收層可以在很大程度上減小瀝青層底拉應力，其可起到應力吸收的作用；（2）增加應力吸收層厚度對應力消減有一定作用，但從各方面綜合考慮，應力吸收層厚度不宜太大，建議1～2 cm 為宜。