武可爽
(浙江省交通工程建設(shè)集團(tuán) 第三交通工程有限公司,杭州 310003)
熱拌薄層罩面是在原有路面上攤鋪一層厚度在1.5~3 cm之間的熱拌瀝青混合料,來(lái)防止品質(zhì)正在下滑的路面繼續(xù)惡化,改善路面平整度,恢復(fù)路表面的抗滑阻力,校正路面輪廓,對(duì)原路面也有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用。
熱拌薄層罩面厚度薄,混合料粒徑小,高溫抗形變的能力自然相對(duì)小一些,同時(shí)因?yàn)楸旧韺雍竦南拗?其車(chē)轍深度不可能很大,故高溫穩(wěn)定性問(wèn)題主要體現(xiàn)在層內(nèi)或?qū)娱g剪應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致的罩面層推移、擁包上面。本文就從薄層罩面在荷載作用下的剪應(yīng)力響應(yīng)入手,來(lái)分析其高溫穩(wěn)定性。
熱拌薄層罩面主要應(yīng)用于干線公路,因此以干線公路路面結(jié)構(gòu)作為分析模型,見(jiàn)圖1。
車(chē)輛荷載簡(jiǎn)化為矩形均布荷載,輪胎接地壓強(qiáng)取0.7 MPa??紤]到水平力對(duì)罩面層剪應(yīng)力的影響很大,本次分析將對(duì)考慮水平力作用與不考慮水平力作用進(jìn)行比較。水平力系數(shù)δ取0.5,即標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下水平力為0.35MPa。
圖1 原路面結(jié)構(gòu)圖
利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行力學(xué)分析,計(jì)算模型沿路寬度方向和行車(chē)方向均取2.5 m,深度方向土基厚度取1m;單元類(lèi)型采用C3D8R(三維8節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元);邊界條件假設(shè)為底面上沒(méi)有y方向位移,左右兩面沒(méi)有 x方向位移,前后兩側(cè)沒(méi)有z方向位移 (經(jīng)過(guò)驗(yàn)算,其他方向約束不影響計(jì)算結(jié)果);層間界面假設(shè)為各層完全連續(xù),圖2為計(jì)算模型示意圖。
圖2 計(jì)算模型示意圖
本次熱拌薄層罩面應(yīng)力分析主要針對(duì)其高溫穩(wěn)定性,故主要分析其在荷載作用下的剪應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律,而路面的剪切破壞主要有兩種形式:一種是路面各層層間由于水平剪應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致層間粘結(jié)失效而出現(xiàn)層間推移等病害;另一種是在車(chē)輛豎向力和水平力綜合作用下,路面層產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過(guò)了其抗剪強(qiáng)度而出現(xiàn)搓板、擁包等病害。針對(duì)這兩種破壞形式,本次有限元計(jì)算選取水平最大剪應(yīng)力沿路面縱向的分量τyzmax以及路面各層沿深度方向的最大剪應(yīng)力來(lái)分析。
罩面厚度分別取1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm,各厚度下豎向最大壓應(yīng)力、水平縱向最大剪應(yīng)力τyzmax及輪跡中心點(diǎn)處沿深度方向的最大剪應(yīng)力峰值分別見(jiàn)圖3和圖4。
由圖3可以看出,在水平力作用下,豎向最大壓應(yīng)力σymax在罩面層厚度2~3 cm范圍內(nèi)變化幅度較小,但厚度<2 cm時(shí)σymax會(huì)明顯增加,說(shuō)明有水平力作用,且罩面層厚小于2 cm時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的豎向壓應(yīng)力,可能導(dǎo)致路面出現(xiàn)壓密性車(chē)轍;由圖4可以看出:無(wú)水平力作用時(shí)最大剪應(yīng)力τyzmax隨厚度增加而增大,有水平力作用時(shí)當(dāng)層厚在1.5~2.5 cm范圍內(nèi)時(shí)τyzmax幾乎不變,但罩面層厚度>2.5 cm后,τyzmax明顯增大,說(shuō)明罩面層厚2.5 cm很可能是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),大于該厚度的罩面剪應(yīng)力響應(yīng)會(huì)有明顯的改善;由圖5可以看出,有水平力作用時(shí)輪跡中心點(diǎn)處最大剪應(yīng)力峰值隨罩面厚度增加變化不大,但無(wú)水平力作用時(shí)輪跡中心點(diǎn)處最大剪應(yīng)力峰值隨罩面厚度增加而增加,說(shuō)明水平力在一定程度上增加了部分剪應(yīng)力效應(yīng),由圖可明顯看出,有水平力作用時(shí)產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力峰值為無(wú)水平力時(shí)的2.5倍左右。同時(shí)其值均小于對(duì)應(yīng)厚度的τyzmax,說(shuō)明縱向最大剪應(yīng)力τyzmax是罩面層材料抗剪強(qiáng)度的控制性指標(biāo)。
圖3 豎向最大壓應(yīng)力隨罩面厚度的變化
圖4 τyzmax隨罩面厚度的變化
圖5 輪跡中心點(diǎn)處最大剪應(yīng)力峰值隨罩面厚度的變化
綜合以上分析結(jié)果,當(dāng)罩面層厚度為2.5 cm時(shí),剪應(yīng)力響應(yīng)是有所改善的,但考慮到養(yǎng)護(hù)工程的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí),從2 cm加厚到2.5 cm,罩面層的最大剪應(yīng)力變化不大,而從2 cm減小到1.5 cm,罩面層豎向壓應(yīng)力增幅較大,容易出現(xiàn)壓密性車(chē)轍及層底開(kāi)裂等病害,故就抗剪性能而言,熱拌罩面層厚2 cm是經(jīng)濟(jì)而且合適的。
干線公路,超載現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮。車(chē)輛超載將使得罩面層所承受的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次大大增加,從而大大縮短罩面層使用壽命。本節(jié)將考慮在100%超載和200%超載的情況下,來(lái)對(duì)超載下的路面剪應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。
根據(jù)重慶交科院環(huán)道試驗(yàn)的研究成果,當(dāng)車(chē)輛超載時(shí),可以認(rèn)為輪胎充氣壓力不變,而接地壓力隨之增加,而且輪胎接地寬度B受荷載變化的影響很小,主要是接地長(zhǎng)度改變。同時(shí),根據(jù)交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 《重載交通瀝青路面軸載換算研究總報(bào)告》中的研究結(jié)果,輪胎接地壓力可以參照如下經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算:
式中:p為輪胎接地壓力,MPa;pt為輪胎充氣壓力,MPa;P為軸載,kN。
因此,將標(biāo)準(zhǔn)軸載下的數(shù)據(jù)代入公式 (1)(p=0.7 MPa,P=100 kN),可得到輪胎充氣壓力pt=0.4662069 MPa。由上文可知,車(chē)輛超載時(shí),pt保持不變。故當(dāng)超載100%時(shí),單軸軸載即為200 kN,代入公式 (1),可得此時(shí)的輪胎接地壓力為1.12 MPa,則水平力為0.56 MPa。忽略接地寬度B的變化而僅考慮接地長(zhǎng)度的改變,則接地長(zhǎng)度L增加為24 cm;同理,可得超載200%時(shí),輪胎接地壓力為1.54MPa,水平力為0.77MPa,接地長(zhǎng)度為26.2 cm。
計(jì)算模型的矩形面積及作用荷載據(jù)以上計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整,考慮到縱向最大剪應(yīng)力τyzmax為控制性指標(biāo),故選取各罩面厚度有水平力作用時(shí)在100%和200%超載下的縱向最大剪應(yīng)力τyzmax,與標(biāo)準(zhǔn)軸載下進(jìn)行比較,見(jiàn)圖6。
圖6 不同罩面厚度超載作用下的τyzmax增幅比較
由圖6中可以看出,超載作用時(shí)各罩面厚度下的τyzmax均有很大的增加,但不同厚度的τyzmax隨超載作用的增加幅度基本相同,厚的罩面層并沒(méi)有削弱其在超載作用下的剪應(yīng)力響應(yīng)。這再次說(shuō)明,從路面養(yǎng)護(hù)的角度,2 cm厚的薄層是經(jīng)濟(jì)而且合適的。
采用ABAQUS有限元軟件,針對(duì)熱拌薄層罩面在荷載作用下的應(yīng)力響應(yīng)做了力學(xué)分析,鑒于重點(diǎn)關(guān)注的是薄層罩面的高溫穩(wěn)定性能,主要考察其剪應(yīng)力的響應(yīng)規(guī)律,通過(guò)分析,主要得到以下結(jié)論:
(1)τyzmax是罩面層材料抗剪強(qiáng)度的控制性指標(biāo),罩面厚度從1.5 cm增加到2.5 cm,τyzmax的變化很小,直到達(dá)到3.0 cm時(shí),罩面層最大剪應(yīng)力響應(yīng)才有所改善,但考慮到養(yǎng)護(hù)工程的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí),從2 cm減小到1.5 cm,罩面層豎向壓應(yīng)力出現(xiàn)大的增加,容易出現(xiàn)壓密性車(chē)轍及層底開(kāi)裂等病害,故就抗剪性能而言,熱拌罩面層厚2 cm是經(jīng)濟(jì)而且合適的。
(2)厚的罩面層并不能削弱其在超載作用下的剪應(yīng)力響應(yīng),這再次說(shuō)明,2 cm厚的薄層是經(jīng)濟(jì)而且合適的。
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浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)2010年1期