不同層間處理措施下的舊水泥路面瀝青加鋪層有限元分析

付 濤

（山東高速齊魯建設集團有限公司，山東 濟南 250000）

1 引言

水泥混凝土路面憑借其強度高、使用壽命長的優點，在我國公路及城市道路中得到了廣泛應用，但隨著交通量的增加，先前設計的水泥混凝土路面大多已達到使用壽命，需要對其進行改建和性能提升。已有工程實踐表明，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層可以顯著改善其使用性能[1-5]。

曹東偉和胡長順[6]利用有限元軟件計算了帶有夾層加鋪層結構的應力和位移。穆川川[7]通過有限元計算認為在舊水泥路面和瀝青加鋪層之間有必要按要求設置不同厚度和模量的應力吸收層。李淑明等[8]通過有限元計算分析表明在舊水泥混凝土瀝青加鋪層結構中使用土工織物可以延緩路面的反射裂縫的出現。綜上可以看出，有限元是分析舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構計算的有效手段，且目前的處置手段并未有效改善加鋪層出現的反射裂縫病害。

因此，文章依托山東省某舊水泥路面改造工程，通過建立舊水泥混凝土路面和瀝青加鋪層的力學分析模型，探究了瀝青加鋪層在荷載、溫度場作用下的力學響應，并對工程項目中提出的抑制反射裂縫技術措施，通過理論計算進行對比分析。

2 計算條件及假設

路面結構為彈性層狀體系，從由瀝青加鋪層、層間處置措施層（本項目根據試驗路段的技術方案，包括應力吸收層、抗裂貼和不設層間處置3種形式）、舊水泥混凝土路面、基層和路基組成，建立空間三維模型。計算模型存在著如下假設：

（1）土基、基層及瀝青層均為連續介質，而PCC板在接（裂）縫處則是不連續的。

（2）舊水泥路面板與基礎光滑接觸。按現行規范計算板底應力時，認為基礎對板的水平方向摩阻力可以忽略，從而按層間光滑考慮，即在有限元模型中只在豎直方向上進行了位移耦合。

（3）舊水泥路面板與瀝青加鋪層間完全連續[9]。

（4）層間處置措施采用應力吸收層時，應力吸收層與舊水泥路面板之間完全連續。層間處置措施采用抗裂貼時，抗裂貼認為與舊水泥路面板和瀝青混凝土之間均為完全連續接觸。

（5）板間接縫考慮一定寬度，本項目中接縫寬度取1 cm。

（6）板間的傳荷能力忽略[9]。

（7）基層根據原水泥路面結構的設計，厚度為20 cm，土基為彈性半空間地基。

3 計算參數

3.1 有限元模型尺寸

根據試驗路的舊路調查結果，擬定舊水泥混凝土路面的計算參數為水泥混凝土路面板長5 m，寬4.5 m，厚240 mm。采用擴大基礎能夠有效降低水泥路面結構的計算誤差，經過誤差分析，半剛性基層和路基的平面尺寸相同，尺寸擬定為11.0 m×5.5 m，半剛性基層厚度根據調查結果取20 cm，地基厚度為2 m。

3.2 有限元模型的材料參數

有限元模型中路面結構各層的材料參數見表1。

表1 舊水泥路面瀝青加鋪層路面結構的各層材料參數

3.3 計算荷載

采用標準軸載BZZ-100作為行車荷載，輪胎內壓0.7 MPa，將輪載簡化為方形均布荷載，尺寸為20 cm×20 cm，同側雙輪的間距為10 cm，BZZ-100為單軸－雙輪，雙側車輪間距為180 cm，軸間距為130 cm，可以通過調節壓強來調整荷載的大小，如圖1所示。

圖1 荷載示意圖

4 不同層間處置措施的有限元模型

4.1 應力吸收層的設置

實踐工程表明在舊水泥混凝土板及瀝青加鋪層之間設置應力吸收中間層可以有效防止反射裂縫的產生。因此，在有限元模型中設置了應力吸收層，根據本試驗段的方案，應力吸收層厚度為2 cm，有限元模型如圖2所示。

圖2 設置應力吸收層的有限元模型局部細化

4.2 抗裂貼的設置

抗裂貼層間處置技術是近幾年新引進的用于處置舊路加鋪后防止反射裂縫的一種新技術，具有加筋、效能緩沖和隔水防滲的作用。本文依托的工程項目中舊水泥路面板接縫和裂縫處布設抗裂貼如圖3所示。抗裂貼的厚度為0.5 mm，為了能夠分析抗裂貼的抗裂及抑制反射裂縫擴展機理，建立了三維有限元模型，如圖4所示。

圖3 抗裂貼在舊水泥路面瀝青加鋪層中的應用

圖4 有限元模型中抗裂貼的局部細化

5 荷載應力計算分析

5.1 加鋪層應力隨著荷載作用位置的變化

當未采取層間處置措施時，以瀝青加鋪層厚度為6 cm為例，對車輛荷載作用在不同位置時的加鋪層應力進行分析。以荷載作用面積為單元，從距離接縫1 m處開始施加荷載，荷載作用過程如圖5所示。

圖5 行車荷載的作用位置

荷載作用于不同位置時，接縫處瀝青加鋪層的剪應力和最大主應力變化如圖6所示。當荷載所處的位置不同，瀝青加鋪層的豎向位移，最大主應力和剪應力均變化顯著。由圖6（a）可知，當行車荷載作用于接縫處正上方時，瀝青加鋪層的豎向變形小于荷載作用于板一側，最大主應力表現為正應力，剪應力接近于0，說明行車荷載作用于板一側時對瀝青加鋪層的最不利。通過圖6（b）和6（c）可知，當荷載中心作用于距板接縫30 cm時，瀝青加鋪層層底的最大主應力和剪應力最大，因此后續的計算中將以該荷載作用位置為最不利荷載位置進行分析。

圖6 瀝青加鋪層應力隨著荷載作用位置的變化

5.2 瀝青加鋪層厚度對荷載應力的影響

由圖6可知，當車輛荷載作用在距接縫30 cm時在瀝青加鋪層底產生的主應力和剪應力最大，因此對行車荷載作用最不利位置時不同瀝青加鋪層厚度下接縫處加鋪層的豎向位移、剪應力和最大主應力進行分析，結果如圖7所示，隨加鋪層厚度的增加，接縫處的豎向位移、最大主應力逐漸減小，而當加鋪層厚度小于8 cm時，最大剪應力衰減較緩慢，當加鋪層厚度大于8 cm時，剪應力隨著加鋪層厚度的增加迅速減小，這主要是由于加鋪層較薄時最大剪應力產生的位置發生了變化。考慮工程成本和車轍病害，加鋪層厚度應控制在某一范圍。因此，瀝青加鋪層需配合其他防裂措施使用。

圖7 瀝青加鋪層應力隨著加鋪層厚度的變化

5.3 瀝青加鋪層模量對荷載應力的影響

圖8為瀝青加鋪層模量對加鋪層豎向位移和應力的影響。由圖8（a）可知，隨著加鋪層模量的增加，抗變形能力的增加，豎向變形在逐漸減小。由圖8（b）和8（c）可知，接縫處瀝青加鋪層最大主應力、剪應力隨著瀝青加鋪層模量的提升逐漸增大，與800 MPa相比，當加鋪層的模量為2 000 MPa時，最大主應力和剪應力分別增加了30.2%和102%。其中最大主應力前期隨著模量增加較快，后期增長較慢，而剪應力隨著加鋪層模量表現為線性增加。說明加鋪層內的應力隨著瀝青混合料的彈性模量的增加逐漸增大，抗變形能力降低。綜上可以看出，瀝青加鋪層模量的提升不利于路面抗變形能力提升，但是有利于降低水泥混凝土路面接縫兩側的豎向變形。

圖8 瀝青加鋪層應力隨著加鋪層模量的變化

5.4 舊水泥路面板損壞程度對荷載應力的影響

為了分析舊水泥路面損壞程度對瀝青加鋪層的影響，通過調整水泥混凝土板彈性模量參數等效表征舊水泥路面的損壞程度，舊水泥混凝土路面板彈性模量越低，水泥路面的損壞越嚴重，抗變形能力越低。在本文的有限元模型中舊水泥混凝土板的彈性模量取值分別為5 GPa、10 GPa、15 GPa、20 GPa、25 GPa、30 GPa。圖9為舊水泥混凝土板損壞程度對瀝青加鋪層豎向位移和應力的影響。隨著舊水泥混凝土板彈性模量增加，荷載作用下接縫處加鋪層的豎向位移和剪應力均逐漸減小，而接縫處加鋪層的最大主應力隨著舊水泥混凝土板模量的增加而增加，說明舊水泥路面損壞程度越嚴重，造成加鋪層結構破壞的原因主要是剪切作用，而不是最大主應力。

圖9 瀝青加鋪層應力隨著舊水泥路面板模量的變化

5.5 不同層間處置措施的荷載應力對比分析

圖10為不同處置措施時荷載作用下瀝青加鋪層底應力。與層間未采取任何措施的瀝青加鋪層相比，采取應力吸收層和抗裂貼的處置措施后，應力吸收層層底和抗裂貼層底承受了較大應力，但是2種材料均具有良好的抗拉性能，因此能夠有效避免反射裂縫產生，同時可以看到采取層間處置措施后瀝青加鋪層層底的最大主應力和剪應力都出現了明顯的降低，且抗裂貼效果要優于應力吸收層，建議在后續的工程中采用抗裂貼技術用于抑制反射裂縫的發展。

圖10 不同處置措施時荷載作用下瀝青加鋪層的應力

6 結語

采用有限元軟件ANSYS建立了在舊水泥路面上加鋪瀝青層的計算模型，借鑒已有研究成果，分析確定了有限元模型的計算條件、尺寸、材料參數、單元劃分及加載方式等，并給出了考慮應力吸收層和抗裂貼技術進行層間處置的有限元計算模型，探究了加鋪層厚度、模量和舊水泥混凝土路面損壞程度對瀝青加鋪層荷載應力的影響，最后對不同層間處置措施的荷載應力進行了對比分析，發現采用應力吸收層和抗裂貼后均能降低瀝青加鋪層層底應力，抑制反射裂縫的產生和擴展，且抗裂貼的效果要優于應力吸收層。與應力吸收層相比，抗裂貼具有成本優勢，建議在后續工程中推廣應用。