應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值模擬

王 彪

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

水泥混凝土路面是公路主要的路面結(jié)構(gòu)形式之一，在我國(guó)20世紀(jì)90年代發(fā)展最快，特別是南方國(guó)省道干線(xiàn)公路，極大地推動(dòng)了沿線(xiàn)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)的發(fā)展[1]。經(jīng)過(guò)多年的使用，水泥混凝土路面不同程度地出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性破壞和功能性缺陷，嚴(yán)重影響了車(chē)輛的行車(chē)舒適性和行駛安全[2]。我國(guó)各地區(qū)都對(duì)舊水泥混凝土路面開(kāi)始進(jìn)行大量的修復(fù)整治，其主要的措施是加鋪瀝青混凝土面層，來(lái)改善原水泥混凝土路面的使用性能，提高路面行駛的舒適性，同時(shí)又能充分利用舊水泥混凝土路面的剩余強(qiáng)度[3-4]。但是，加鋪瀝青面層后，由于舊水泥混凝土結(jié)構(gòu)中存在接縫、裂縫等缺陷，導(dǎo)致瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在外部荷載的作用下極易產(chǎn)生反射裂縫[4]。

經(jīng)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的長(zhǎng)期研究，設(shè)置應(yīng)力吸收層在延緩反射裂縫的過(guò)程中是一種行之有效的方法[5-6]。目前，主要使用的應(yīng)力吸收層，有土工布、土工格柵、玻纖格柵、橡膠瀝青層等[7-9]。作為推廣使用的橡膠瀝青，是將廢舊輪胎加工成為一定大小的橡膠粉顆粒， 按一定比例摻入基質(zhì)瀝青中，并加入一些特定的改性劑，并在180°C以上的高溫條件下充分拌合、溶脹，最終形成的改性瀝青膠結(jié)材料，由于其高彈、高黏、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的性能，被廣泛應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)的應(yīng)力吸收層和瀝青層[10]。為了研究應(yīng)力吸收層對(duì)延緩反射裂縫產(chǎn)生造成的影響，針對(duì)現(xiàn)今主要使用的應(yīng)力吸收層，本文采用Ansys有限元方法，建立力學(xué)模型，分析舊水泥混凝土瀝青加鋪層底部的受力狀態(tài)。

1 有限元模型建立及參數(shù)設(shè)置

1.1 有限元模型的建立

本文采用線(xiàn)彈性層狀理論體系，對(duì)由舊水泥混凝土路面、瀝青加鋪層、基礎(chǔ)、應(yīng)力吸收層所組成的路基路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。各結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點(diǎn)solid185三維有限單元建立三維空間模型，如圖1，并對(duì)各結(jié)構(gòu)層作出以下假定：

①各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；

②各層層間各向位移均連續(xù)；

③基礎(chǔ)底面受完全約束，基礎(chǔ)側(cè)面受水平方向約束；

④路面結(jié)構(gòu)自重忽略不計(jì)；

⑤接縫寬度假設(shè)為1cm，且接縫處無(wú)傳遞荷載能力。

圖1 三維有限元模型

1.2 計(jì)算參數(shù)以及計(jì)算點(diǎn)位的確定

計(jì)算參數(shù)擬定：水泥混凝土路面板長(zhǎng)L=5m，寬度B=4.5m，厚度Hc=22cm。在取基礎(chǔ)不同尺寸進(jìn)行誤差分析計(jì)算，擬定基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸為12.01m×6.5m×9m(長(zhǎng)×寬×高)。計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)表

行車(chē)荷載標(biāo)準(zhǔn)采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7MPa，單個(gè)輪壓作用范圍18.9cm×18.9cm，接觸面積357.21cm2，雙輪間距為32cm，兩側(cè)輪隙182cm。參考前人的研究成果并對(duì)不同荷位計(jì)算分析，車(chē)輪荷載作用位置選取在接縫一側(cè)，即偏荷載(對(duì)加鋪層最不利)，荷載作用位置和計(jì)算點(diǎn)位如圖2～圖3所示。圖3中，A點(diǎn)為瀝青加鋪層層底計(jì)算點(diǎn)位，B點(diǎn)為應(yīng)力吸收層層底計(jì)算點(diǎn)位，1、2點(diǎn)為彎沉及彎沉差計(jì)算點(diǎn)位。

圖2 荷載作用位置

圖3 計(jì)算點(diǎn)位

2 應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力影響分析

2.1 應(yīng)力吸收層厚度對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力影響分析

為了研究不同厚度的應(yīng)力吸收層在交通荷載下對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力以及變形規(guī)律，分別采取應(yīng)力吸收層厚度0cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm幾種情況進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表2～表3以及圖4～圖5所示。

表2 應(yīng)力吸收層厚度變化時(shí)瀝青加鋪層底點(diǎn)A應(yīng)力變化表 MPa

圖4 瀝青加鋪層底點(diǎn)A應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層厚度變化圖

由表2和圖4可以看出：隨著應(yīng)力吸收層厚度按1cm逐漸遞增時(shí)，最大主應(yīng)力σ1緩慢增長(zhǎng)，而等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax在逐漸減少。當(dāng)厚度從1cm增加到4cm時(shí)，最大主應(yīng)力σ1由-0.099MPa增加到-0.007MPa，由4cm增加到5cm時(shí)，最大主應(yīng)力σ1基本保持不變。等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax，由1cm的0.412MPa、0.439MPa減少到5cm的0.167MPa、0.172MPa，分別減少了59.5%、60.8%。在整個(gè)變化中，最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax在絕對(duì)數(shù)值變化并不大(0.092MPa、0.245MPa、0.267MPa)，這說(shuō)明了，單純地增加應(yīng)力吸收層厚度，對(duì)緩解瀝青加鋪層層底應(yīng)力作用并不大。但通過(guò)對(duì)未設(shè)置應(yīng)力吸收層厚度瀝青加鋪層底面應(yīng)力與應(yīng)力吸收層厚度為1cm時(shí)瀝青加鋪層底面應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax由-0.1412MPa、1.960MPa、1.060MPa減少到-0.099MPa、0.412MPa、0.218MPa可以看出，應(yīng)力吸收層的設(shè)置的確極大緩解了瀝青加鋪層層底的應(yīng)力，但同時(shí)考慮到應(yīng)力吸收層的造價(jià)和施工問(wèn)題，應(yīng)力吸收層厚度建議采用1cm～2cm。

由表3和圖5可以看出：瀝青加鋪層層底接縫兩側(cè)彎沉及彎沉差，基本不受應(yīng)力吸收層厚度的影響。當(dāng)應(yīng)力吸收層厚度由1cm增加到5cm時(shí)，瀝青加鋪層層底接縫受壓一側(cè)的彎沉從-0.447mm增加到-0.407mm，增加了0.040mm；而瀝青加鋪層層底接縫未受壓一側(cè)的彎沉從-0.435mm增加到-0.394，增加了0.041mm；瀝青加鋪層層底接縫兩側(cè)彎沉差由-0.012mm變化到-0.013mm，變化極小。這說(shuō)明了不同應(yīng)力吸收層厚度并不會(huì)對(duì)瀝青層剛度變化造成影響，即應(yīng)力吸收層厚度變化，不會(huì)加劇車(chē)轍的產(chǎn)生。

表3 應(yīng)力吸收層厚度變化時(shí)瀝青加鋪層底接縫兩側(cè)彎沉及彎沉差變化表

圖5 瀝青加鋪層層底接縫兩側(cè)彎沉隨應(yīng)力吸收層厚度變化圖

2.2 應(yīng)力吸收層模量對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力影響分析

為了研究不同模量的應(yīng)力吸收層在交通荷載下對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力以及變形規(guī)律，分別采取應(yīng)力吸收層模量200MPa、300MPa、400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、800MPa、900MPa、1000MPa幾種情況進(jìn)行有限元計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如表4～表5以及圖6～圖7所示。

表5 應(yīng)力吸收層模量變化時(shí)應(yīng)力吸收層底點(diǎn)B應(yīng)力變化表 MPa

圖6 加鋪層底A應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量變化圖

圖7 應(yīng)力吸收層底B應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量變化圖

由表4～表5以及圖6～圖7可知，無(wú)論是瀝青加鋪層層底還是應(yīng)力吸收層層底，其最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax都隨著應(yīng)力吸收層模量的增大而增大。而當(dāng)應(yīng)力吸收層模量由200MPa增加到1000MPa時(shí)，瀝青鋪層層底最大主應(yīng)力σ1由-0.105MPa增加到-0.033MPa，增加了0.072MPa，等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax由0.253MPa、0.133MPa增加到0.429MPa、0.237MPa，分別增加了41.02%和78.20%；應(yīng)力吸收層層底最大主應(yīng)力σ1由-0.123MPa增加到0.004MPa，增加了0.125MPa，等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax由0.363MPa、0.191MPa增加到0.676MPa、0.360MPa，分別增加了46.31%和88.48%。當(dāng)應(yīng)力吸收層模量為200MPa、400MPa、600MPa、800MPa、1000MPa時(shí)，對(duì)比應(yīng)力吸收層底與瀝青加鋪層底，應(yīng)力吸收層消解了43.61%、53.18%、56.50%、64.93%、31.87%的最大剪應(yīng)力τmax，也消解了30.30%、34.22%、35.39%、36.04%、36.54%的等效應(yīng)力σe。考慮到應(yīng)力吸收層模量受溫度影響，溫度升高模量減少，溫度降低模量增大，可以看出溫度較低時(shí)，瀝青加鋪層層底應(yīng)力越不利，更容易產(chǎn)生反射裂縫。

但由表6、圖8可以看出，應(yīng)力吸收層模量的變化對(duì)彎沉具有一定影響。當(dāng)應(yīng)力吸收層模量由200MPa增大到1000MPa時(shí)，未受壓一側(cè)的彎沉基本不受影響，受壓一側(cè)彎沉由-0.440mm增加到-0.430mm，增加了2.27%，彎沉差隨之受到較大影響，由-0.019增加到-0.009，增加了52.63%。由此可見(jiàn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，應(yīng)力吸收層模量隨之減少，在交通荷載下，彎沉差絕對(duì)值增大(即瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)整體剛度降低)，會(huì)加劇車(chē)轍的產(chǎn)生。在炎熱夏季，將應(yīng)力吸收層模量控制在一定的范圍就顯得尤為重要。

表6 應(yīng)力吸收層模量變化時(shí)瀝青加鋪層底接縫兩側(cè)彎沉及彎沉差變化表

圖8 瀝青加鋪層層底接縫兩側(cè)彎沉隨應(yīng)力吸收層模量變化圖

3 結(jié)論

在交通荷載作用下，通過(guò)對(duì)不同應(yīng)力吸收層厚度、不同應(yīng)力吸收層模量的瀝青加鋪層層底應(yīng)力及變形規(guī)律的有限元分析，得出以下結(jié)論：

①設(shè)置應(yīng)力吸收層，能極大地緩解瀝青加鋪層層底的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax，延緩反射裂縫的生成。

②單純的增加應(yīng)力吸收層厚度對(duì)瀝青加鋪層層底的應(yīng)力影響并不大，說(shuō)明了通過(guò)增加應(yīng)力吸收層厚度對(duì)延緩反射裂縫的產(chǎn)生并不明顯，如果考慮經(jīng)濟(jì)效益與施工技術(shù)難度等問(wèn)題，增加應(yīng)力吸收層厚度的方法也不可取。結(jié)合前文數(shù)據(jù)分析，建議應(yīng)力吸收層厚度取1cm～2cm。

③隨著應(yīng)力吸收層模量的增加，瀝青加鋪層層底還是應(yīng)力吸收層層底，其最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe以及最大剪應(yīng)力τmax都隨著應(yīng)力吸收層模量的增大而增大?？紤]到季節(jié)的因素，在炎熱的夏季，應(yīng)力吸收層模量隨溫度升高而減少，瀝青加鋪層層底接縫處彎沉差增大，會(huì)加劇車(chē)轍的產(chǎn)生；在寒冷的冬季，應(yīng)力吸收層模量隨溫度降低而增大，對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力越不利，反射裂縫在此時(shí)更易產(chǎn)生。這說(shuō)明應(yīng)力吸收層模量不能過(guò)大也不能過(guò)小，而是控制應(yīng)力吸收層模量在一定的范圍。