海綿型道路瀝青路面排水基層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

鎖 利 軍

(洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

海綿型道路瀝青路面排水基層結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

鎖 利 軍

(洛陽理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

發(fā)展海綿型道路是提高城市防洪、排澇、減災(zāi)能力的一種有效措施。為了研究海綿型道路瀝青路面排水混凝土基層的應(yīng)力狀態(tài)，建立了排水混凝土基層瀝青路面三維有限元模型。采用橫觀各向同性彈性本構(gòu)關(guān)系模型模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)。利用數(shù)值方法對排水混凝土基層瀝青路面進(jìn)行了力學(xué)分析。研究了瀝青面層厚度、排水混凝土基層厚度、地基模量對基層應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：基層荷載應(yīng)力隨基層厚度的增大而減小，隨著面層厚度的增大而減小，隨著基層與地基模量比的增大而增大；基層溫度應(yīng)力隨著基層厚度的增大而增大，隨著面層厚度的增大而減小，隨著基層與地基模量比的增大而增大。

海綿型道路；瀝青路面；排水混凝土基層；層間接觸模型；力學(xué)分析

近些年來，氣候反常變化、夏季極端降水的出現(xiàn)，常導(dǎo)致嚴(yán)重的城市內(nèi)澇。內(nèi)澇災(zāi)害的頻現(xiàn)嚴(yán)重地影響了城市居民的出行安全。為了更好地適應(yīng)環(huán)境變化和應(yīng)對自然災(zāi)害，海綿城市的概念被提出，即城市能像海綿一樣，具有良好的“彈性”，下雨時可吸、蓄水，需要時將蓄水釋放并加以利用。在海綿城市發(fā)展過程中，海綿型道路建設(shè)是重要的一環(huán)，它的建成既可以提高城市防洪、排澇、減災(zāi)的能力，又可以增強(qiáng)城市蓄水再用的功能。城市海綿型道路由5層“海綿體”組成，包括瀝青表層、滲水土工布、排水混凝土基層、級配碎石墊層和一層防滲土工布。其中，瀝青表層是大空隙開級配排水式瀝青磨耗層，其設(shè)計空隙率大，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)排水能力，能迅速地把路表雨水排走。滲水土工布用于過濾水中雜質(zhì)，其下的基層可選用排水混凝土基層，以達(dá)到快速排水的目的。排水混凝土基層是一種空隙率較大的貧混凝土，它具有強(qiáng)度高、排水能力強(qiáng)、抗沖刷性能好的特點(diǎn)。排水混凝土基層的有效空隙率一般達(dá)26%以上，此時對應(yīng)的滲透系數(shù)為3.5 cm/s，其具有良好的排水性能，結(jié)合其他排水設(shè)施，可以形成內(nèi)部排水系統(tǒng)快速地將瀝青面層滲入的水及時排走。此外，排水混凝土基層良好的抗沖刷性能保證其排水而不松散。

海綿型道路瀝青路面是一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法有別于常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)。因此，有必要對瀝青路面排水混凝土基層進(jìn)行力學(xué)分析，為建立這種路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法提供依據(jù)。

1 力學(xué)模型

1.1 模型構(gòu)成

在力學(xué)計算時采用彈性半空間地基假設(shè),排水混凝土基層為符合彈性力學(xué)基本假設(shè)的有限厚度彈性層，在基層荷載應(yīng)力計算時底基層和瀝青面層視為彈性體。根據(jù)結(jié)構(gòu)的材料和受力特性，力學(xué)模型包括4個部分，即瀝青面層、排水混凝土基層、級配碎石墊層和路基。計算時，可將路面的底基層、墊層和路基的當(dāng)量值換算為地基的彈性模量。沿道路行車方向路面結(jié)構(gòu)力學(xué)模型如圖1所示。邊界條件為：路基底面固定，各層的水平方向有約束。

在二維模型基礎(chǔ)上，建立路面結(jié)構(gòu)三維模型。荷載作用的位置為排水混凝土基層的縱邊中部，行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ—100，輪胎壓力0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，接觸面積為357.21 cm2，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為182 cm。數(shù)值計算及誤差分析表明：排水混凝土基層寬度在5 m～6 m范圍內(nèi)變化對基層的最大應(yīng)力影響微?。浑S著排水混凝土基層長度增大，基層內(nèi)應(yīng)力的增加幅度逐漸減小，基層長度大于6 m時，基層內(nèi)應(yīng)力基本保持不變。據(jù)此取排水混凝土基層的平面計算尺寸為5.5 m×6 m。瀝青面層平面尺寸與基層相同,地基擴(kuò)大尺寸(長×寬×深)為5.5 m×6 m×6 m。

取溫度梯度為1 ℃/cm，計算排水混凝土基層的溫度應(yīng)力。數(shù)值計算及誤差分析表明：以上力學(xué)模型的可以滿足計算精度的要求。荷載作用區(qū)域網(wǎng)格劃分如圖2所示，為滿足計算精度要求，對荷載作用區(qū)域的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,采用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格梯度。

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

1.2 層間接觸狀態(tài)模擬

路面施工時，排水混凝土基層通過碾壓成型，其上的瀝青層也為碾壓成型，兩者結(jié)合較為緊密，層間處于連續(xù)接觸狀態(tài)。排水混凝土基層下通常鋪筑半剛性材料下基層或底基層，在使用過程中，層間逐漸趨于光滑接觸狀態(tài)。計算時排水混凝土基層與地基的層間接觸視為絕對光滑狀態(tài)。

采用橫觀各向同性彈性本構(gòu)關(guān)系模型作為正交各向異性接觸模型。其本構(gòu)關(guān)系模型如式(1)。

(1)

將式(1)中的張量彈性常數(shù)表示為工程彈性常數(shù)Ei、μij、Gij，可得到用工程常數(shù)表示的剛度矩陣,即：

(2)

式中：E1為各向同性面xy面內(nèi)的彈性模量；E3為z方向的彈性模量；μ12為各向同性面xy面內(nèi)的泊松比；μ13為表征因z方向受力引起x方向(或y方向)變形的泊松比；G13為xz平面(或yz平面)內(nèi)的剪切模量。

對于面層與基層之間連續(xù)接觸狀態(tài)，只需將正交各向異性接觸模型的剛度矩陣的參數(shù)取成與基層剛度矩陣相一致的值，就可以實(shí)現(xiàn)完全連續(xù)。對于基層與地基之間的光滑接觸狀態(tài)，選取正交各向異性接觸單元的參數(shù)如表1所示。

表1 正交各向異性單元的參數(shù)取值

1.3 計算參數(shù)

荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力計算的參數(shù)分別見表2和見表3。

表2 荷載應(yīng)力計算參數(shù)

表3 溫度應(yīng)力計算參數(shù)

2 影響因素分析

排水混凝土基層瀝青路面中，影響基層荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的因素主要有面層厚度ha、基層厚度hc、排水混凝土基層與地基模量比Ec/Es。從圖3和圖4知，排水混凝土基層的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力隨ha的增大而減小，原因是加鋪瀝青面層厚度增大后，路面的強(qiáng)度得到了提高，同時基層的溫度梯度大大降低，因而最終荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力也隨著瀝青面層厚度的增大而有所降低。從圖3與圖5可知，當(dāng)ha和Ec/Es一定時，基層荷載應(yīng)力隨hc的增大而減小。當(dāng)Ec/Es和ha一定時，排水混凝土基層的溫度應(yīng)力隨基層厚度的增大而增大，如圖4所示。從圖6可以看出，當(dāng)ha=16 cm、Ec/Es=150時，排水混凝土基層溫度應(yīng)力隨hc的增大而增大。當(dāng)ha為10 cm，hc=16 cm、20 cm、24 cm、28 cm時，基層荷載應(yīng)力隨Ec/Es的增大而增大，如圖7所示。當(dāng)ha=16 cm，hc分別為16 cm、20 cm、24 cm、28 cm時，隨著Ec/Es分別取值80、100、125、150、200，排水混凝土基層溫度應(yīng)力的變化趨勢如圖8所示。此時，基層溫度應(yīng)力隨Ec/Es的增大而增大。

圖3 面層厚度對荷載應(yīng)力的影響 圖4 面層厚度對溫度應(yīng)力的影響

圖5 基層厚度對荷載應(yīng)力的影響 圖6 基層厚度對溫度應(yīng)力的影響

圖7 基層與地基模量比對荷載應(yīng)力的影響 圖8 基層與地基模量比對溫度應(yīng)力的影響

3 結(jié) 語

(1) 排水混凝土基層瀝青路面是海綿型道路的重要組成部分，它的建成可以有效地提高城市防洪、排澇、減災(zāi)的能力。本文建立排水混凝土基層瀝青路面力學(xué)模型。采用橫觀各向同性彈性本構(gòu)關(guān)系模型模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)層的層間接觸狀態(tài)。

(2) 利用數(shù)值方法對排水混凝土基層瀝青路面進(jìn)行了力學(xué)分析。研究了瀝青面層厚度、排水混凝土基層厚度及模量、地基模量對基層應(yīng)力的影響。應(yīng)力分析表明，基層荷載應(yīng)力隨基層厚度的增大而減小，隨著面層厚度的增大而減小，隨著基層與地基模量比的增大而增大；基層溫度應(yīng)力隨著基層厚度的增大而增大，隨著面層厚度的增大而減小，隨著基層與地基模量比的增大而增大。因此，適當(dāng)?shù)卦黾用鎸雍穸萮a、增加基層厚度hc或提高土基的強(qiáng)度，可以有效降低排水混凝土基層的荷載應(yīng)力。但基層厚度hc增大會導(dǎo)致排水混凝土基層溫度應(yīng)力的增大，因此在溫度變化較大的城市區(qū)域，在設(shè)計基層厚度時，要特別考慮其對基層溫度應(yīng)力的影響。適當(dāng)?shù)卦黾用鎸雍穸萮a或提高地基的強(qiáng)度，可以降低排水混凝土基層的溫度應(yīng)力。

(3) 城市道路中瀝青路面易受水平制動力的作用，這常導(dǎo)致瀝青面層產(chǎn)生推移、車轍、擁包等病害，排水混凝土基層瀝青路面設(shè)計時要考慮這種因素的不利影響。此外，排水結(jié)構(gòu)層的空隙率大，易發(fā)生堵塞而導(dǎo)致排水不暢，因此要做好路面的清潔和疏導(dǎo)工作。

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Mechanical Analysis of Drainage Base of Asphalt Pavement in Sponge Road

SUO Lijun

(Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023 China)

In the construction of sponge city,developing sponge road is an effective measure to improve the ability of flood control,drainage and disaster reduction. In order to analyze stress of drainage concrete base,three-dimension finite element model of asphalt pavement,which includes drainage concrete base,is established. Horizontal isotropic elasticity constitutive model,which is regarded as orthotropic interface model,is used to simulate numerically the interface between horizons of pavement. Numerical method is employed to do mechanical analysis of drainage concrete base of asphalt pavement. The influence of correlated factors,such as surface course′s thickness,and base′s thickness and modulus,and foundation′s modulus,are analyzed. Meanwhile,calculation results with the same factors are compared,and the results show that load stress of drainage concrete base decrease with increase of base′s thickness,while thermal stress of drainage concrete increase with increase of base thickness. Load stress and thermal stress decrease when the surface thickness increases. Load stress and thermal stress increase when ratio of base′s modulus and foundation modulus increases.

sponge road;asphalt pavement;drainage concrete base;orthotropic interface model;mechanical analysis

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.009

U416

A

1674-5403(2017)03-0033-05

2017-05-17

鎖利軍(1975—)，男，山西太原人，博士后，副教授，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料方面的研究.