半柔性水泥乳化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

江睿南，朱寶林，陳 景

（交通運輸部科學(xué)研究院道路結(jié)構(gòu)與材料研究中心，北京 100029）

0 引言

為了節(jié)省資金，減少對交通的影響，往往需要對不滿足使用性能的舊水泥路面進行加鋪改造。水泥乳化瀝青混合料是一種具有有機及無機特性的材料，具有優(yōu)良的抗剪性能、強度、疲勞性能及層間粘結(jié)作用，能夠用于舊水泥路面的加鋪改造。

本文應(yīng)用ANSYS軟件在彈性層狀體系理論的基礎(chǔ)上，通過對帶有半柔性水泥乳化瀝青加鋪層的舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)進行力學(xué)響應(yīng)分析，并結(jié)合影響路面結(jié)構(gòu)受力的主要因素確定半柔性水泥乳化瀝青加鋪層的合理厚度。

1 建立加鋪層路面結(jié)構(gòu)有限元模型

根據(jù)力學(xué)分析經(jīng)驗選用5m×4.5m作為路面各結(jié)構(gòu)層平面尺寸，而基礎(chǔ)選用9m×10m的擴大平面尺寸，路面結(jié)構(gòu)總深度取6m。模型中各結(jié)構(gòu)層材料用SOLID45（熱力學(xué)分析時為SOLID70）單元進行模擬，舊水泥混凝土路面與基礎(chǔ)之間為非完全連續(xù)狀態(tài)；其他結(jié)構(gòu)層之間假設(shè)為完全連續(xù)狀態(tài)。帶有加鋪層的舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

圖1 帶有加鋪層的舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)有限元模型

輪胎接地壓力取0.7MPa，接地形狀簡化為0.2m×0.2m的正方形。鑒于當(dāng)荷載作用在路面中部接縫一側(cè)時，加鋪層路面會處于最不利受力狀態(tài)[3]，因此，本文的力學(xué)分析中只考慮荷載作用在路面接縫一側(cè)的情形，計算加鋪層受力的帶有約束和荷載（單一車輛荷載或車輛荷載與溫度荷載耦合）的路面結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 帶有約束及荷載的路面結(jié)構(gòu)有限元模型（帶接縫、計算加鋪層受力）

建模過程中的基本假設(shè)如下：

a）各結(jié)構(gòu)層材料為均質(zhì)、連續(xù)、各項同性的彈性體；

b）除基礎(chǔ)與舊水泥混凝土路面間界面外，其他各結(jié)構(gòu)層間豎向、水平位移連續(xù)；

c）基礎(chǔ)與舊水泥混凝土路面之間簡化成摩擦接觸，且接觸界面豎向位移連續(xù)；

d）各結(jié)構(gòu)層側(cè)面水平方向位移為零，基礎(chǔ)底面各向位移為零；

e）不計路面結(jié)構(gòu)的自重影響；

f）接縫寬度假設(shè)為1cm，且接縫處無傳荷能力。

建模過程中的材料參數(shù)取值見表1。

表1 各結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)

2 半柔性加鋪層厚度對半柔性加鋪層受力的影響

目前，本文分別從單層瀝青層（厚4cm）和雙層瀝青層（厚10cm）兩方面研究半柔性水泥乳化瀝青混合料的合理厚度，半柔性水泥乳化瀝青混合料的厚度根據(jù)施工經(jīng)驗和下面層材料厚度選用9cm、10cm、11cm和12cm。路面熱力學(xué)分析中模型參考溫度為年平均溫度（17℃），降溫幅度為10℃，力學(xué)分析時主要考慮夏季高溫情況影響。

為驗證高頻交變壓力下先導(dǎo)式溢流閥主閥口出現(xiàn)異常開啟情況，搭建測試平臺，如圖9所示。定量泵提供的82 L/min流量經(jīng)轉(zhuǎn)閥流回油箱。轉(zhuǎn)閥在換向過程中，閥口面積總是按“零—最大—零”周期變化，類似于一個直徑可變的阻尼孔：當(dāng)閥口面積接近于零時，在轉(zhuǎn)閥前形成壓力沖擊，壓力升高；當(dāng)閥口面積最大時，系統(tǒng)壓力降低。通過改變轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速，來改變轉(zhuǎn)閥的換向頻率，因此該試驗平臺能產(chǎn)生高頻交變壓力。

2.1 單一交通荷載情況

單一交通荷載情況下，不同半柔性水泥乳化瀝青加鋪層厚度下的半柔性層底最大拉應(yīng)力及最大剪應(yīng)力見表2-表4。

表2 單一交通荷載情況下半柔性層底最大拉應(yīng)力

表3 單一交通荷載情況下半柔性層底橫向最大剪應(yīng)力

表4 單一交通荷載情況下半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力

半柔性結(jié)構(gòu)層受力分析情況見圖3～圖5。由圖3可知，隨著半柔性層厚度的增大，半柔性層底最大拉應(yīng)力呈減小的趨勢，這說明增大半柔性層厚度有利于其抗疲勞開裂。從數(shù)值上來看，各種情況下的半柔性層底最大拉應(yīng)力均小于材料的容許拉應(yīng)力（0.115MPa），因此可以認為力學(xué)分析所選擇的半柔性層厚度均可以滿足半柔性層抗疲勞開裂要求。

圖3 單一交通荷載情況下半柔性層底最大拉應(yīng)力

圖4 單一交通荷載情況下半柔性層底橫向最大剪應(yīng)力SXY變化情況

圖5 單一交通荷載情況下半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力SYZ變化情況

由圖4可知，半柔性層厚度對其橫向最大剪應(yīng)力SXY影響不大，各種組合形式下，半柔性層底橫向最大剪應(yīng)力SXY變化幅度不超過0.01MPa，且剪應(yīng)力數(shù)值遠遠小于材料的容許剪應(yīng)力（0.6MPa），因此，在半柔性加鋪層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以忽略半柔性厚度對其橫向最大剪應(yīng)力的影響。

由圖5可知，隨著半柔性層厚度的增大，半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力SYZ呈現(xiàn)減小趨勢，但變化值小于0.02MPa，且各種組合形式下的半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力遠遠小于材料的容許剪應(yīng)力（0.6MPa），因此，在半柔性加鋪層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以忽略半柔性厚度對其縱向最大剪應(yīng)力的影響。

2.2 溫度－荷載耦合情況

溫度荷載與交通荷載耦合情況下，不同半柔性水泥乳化瀝青加鋪層厚度下的半柔性層受力見表5、～表7。

表5 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底最大拉應(yīng)力

表6 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底橫向最大剪應(yīng)力

表7 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力

圖6 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底最大拉應(yīng)力

圖7 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底橫向最大剪應(yīng)力SXY變化情況

圖8 溫度-荷載耦合情況下半柔性層底縱向最大剪應(yīng)力SYZ變化情況

由圖6可知，在溫度-荷載耦合模式下，隨著半柔性層厚度增加，半柔性層底最大拉應(yīng)力呈減小趨勢。半柔性層厚度從9cm變化為12cm時，4cm瀝青加鋪層的半柔性層層底最大拉應(yīng)力減小了0.285MPa，10cm瀝青加鋪層的半柔性層層底最大拉應(yīng)力減小了0.296MPa。

對比圖3中數(shù)據(jù)可知，溫度-荷載耦合對半柔性層底拉應(yīng)力影響很大。溫度-耦合模式下，半柔性層層底最大拉應(yīng)力均超過材料的容許拉應(yīng)力，因此建議在溫差較大地區(qū)進行舊水泥路面加鋪時，應(yīng)盡量選用較厚的瀝青層和較厚的半柔性層。

由圖7可知，在溫度-荷載耦合模式下，10cm瀝青加鋪層的半柔性層橫向最大剪應(yīng)力要遠遠小于4cm瀝青加鋪層的情況。對比圖4中數(shù)據(jù)可知，溫度-荷載耦合模式對半柔性層橫向最大剪應(yīng)力基本沒有影響，在耦合模式下，半柔性層底的橫向最大剪應(yīng)力依然遠遠小于材料的容許剪應(yīng)力（0.6MPa）。

由圖8可知，在溫度-荷載耦合模式下，半柔性層縱向最大剪應(yīng)力隨著半柔性層厚度的增大而急劇減小。在耦合模式下的半柔性層橫向最大剪應(yīng)力已經(jīng)超過本文所規(guī)定的材料容許剪應(yīng)力。

3 結(jié)論

3.1 采用ANSYS有限元對半柔性水泥乳化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)進行分析，通過在不同瀝青層的厚度下，改變半柔性層的厚度，計算其受力情況。

3.2 單一交通荷載下，若不采用改性瀝青，當(dāng)半柔性加鋪層厚度大于10cm，可滿足瀝青層抗疲勞開裂要求；若采用改性瀝青，則常規(guī)施工所用的半柔性加鋪層厚度即可滿足瀝青層抗疲勞開裂要求。

3.3 在溫度-荷載耦合模式下，當(dāng)半柔性加鋪層厚度大于10cm后，瀝青層縱向最大剪應(yīng)力SYZ即滿足要求。

3.4 根據(jù)路面結(jié)構(gòu)受力影響分析的結(jié)果，并參考常規(guī)半柔性水泥乳化瀝青下面層混合料施工厚度，推薦的半柔性水泥乳化瀝青混合料合理厚度為11cm或12cm。

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