新老路面結構拼接部位的受力狀態分析

馬曉暉,李立寒

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室,上海200092)

為了滿足急劇增長的交通需求,近年來我國已對多條高速公路進行了擴建。研究人員雖然對高速公路拼接段的沉降變形規律及處治措施進行了相應分析,但是對高速公路拓寬工程中新老面層模量差異對新老路面拼接結構的受力影響分析較少。

我國高速公路的加寬擴建開始于本世紀初。目前關于高速公路的加寬技術研究也主要集中在新老路基的不協調變形及控制技術。在新老路面的拼接研究方面,主要是依據經驗的一些設計原則和施工技術。理論分析則主要體現在利用平面應變有限元法對新路基固結沉降在路面結構中引起的附加應力進行分析,而只有極少數研究對新老路面拼接的內容有所涉及[1-3]。

因此本文研究主要通過模擬分析手段,結合實際工程,利用通用有限元計算軟件ANSYS建立典型拼接路面結構的三維模型。由于拼接部位在豎直車輪荷載下主要承受集中的剪切力作用,因此對路面拼接結構拼接處的面層內剪應力進行計算,分析新老路面結構層模量差異對路面拼接結構的受力影響。通過合理的建模、單元選用及拼接部位特殊性質的模擬處理,可以得到與實際路面結構最接近的分析結果,解決室內試驗由于條件局限無法實現的問題,為試驗研究提供解決方案及綜合驗證,從而為道路拓寬中新老路面結構拼接的設計及施工提供理論參考。

圖1 幾何模型及坐標系

1 計算模型和參數

1.1 結構分析模型的建立

所取拼接結構為:統一罩面層10 cm,下部新老路面結構均為10 cm面層,40 cm基層,15 cm墊層。幾何模型如圖1所示。

在圖1中左半幅為老路結構,右半幅為新路結構,新老路銜接的豎直平面即為拼接面。計算坐標系的規定如下:坐標原點位于路表拼接線上,X坐標軸為道路橫向方向,垂直于新老拼接面;Z坐標軸為道路縱向方向;Y坐標軸為道路深度方向,垂直于路面,正向向上。

1.2 有限元模型及邊界條件

荷載按標準雙圓荷載規定為:半徑δ=0.106 5 m,雙圓中心間距d=3×δ,接觸壓力P=0.7 MPa。在有限元模型中為了便于變化荷載位置及在有限元程序中施加荷載步,對雙圓荷載進行簡化,根據作用面積等效原則將雙圓荷載簡化為1組16 cm×22.28 cm的矩形,雙輪間距保持不變。計算時考慮最不利荷載位置[4],即荷載在老路一側且輪跡邊緣位于拼接線上時的偏載情況,如圖2中的1對矩形格柵區域。

模型采用彈性層狀體系理論建模,層與層之間應力、位移連續。模型尺寸按道路橫向、縱向及地基厚度變化取各項指標收斂時的尺寸,面層各層厚度按實際道路結構。模型約束條件為側向左、右、前、后四面法向約束,底面全約束。在有限元模型中路面各結構層采用solid45空間8節點等參單元模擬,地基以表面單元施加彈性地基模量代替。

在計算中,關于拼接面的處理,假定了連續和光滑兩種情況。連續指新老路面的粘接效果處于理想狀態,能連續傳遞應力,即在拼接面的接觸單元上存在法向和切向剛度;光滑指新老路面沒有任何粘接作用,只能傳遞壓應力,即在拼接面的接觸單元上只有法向剛度,無切向剛度。

圖2 計算點位置

1.3 計算參數

假定材料為線彈性,參考規范[5]的相關規定,取20℃抗壓模量值,老路結構層模量按對應新材料的模量折減,本文計算按75%折算。另外瀝青混凝土面層直接受車輪荷載作用,且瀝青混合料是一種粘彈性材料,模量差異大,因此在進行相關計算時,考慮了兩個水平的面層模量。

本文計算所取的典型結構及材料參數見表1。其中模量組合2面層模量相對模量組合1較大[6]。由于基層及以下結構不直接受車輪作用,故在計算中仍以抗壓模量為依據。由于老地基經過長期的固結作用已趨于穩定,且主要是比較“差異”,因此變化新地基模量,使之與老地基模量相當、大于或小于。

表1 各結構層材料計算參數

由于同時考慮了基層拼接面連續和基層拼接面不連續兩種情況,為了便于統一比較,主要關心拼接結構面層的受力,而面層主要受剪應力作用,所以選取豎直平面內的面層剪應力及路表變形作為計算參數。計算點位置如圖2。

計算不同荷載下拼接面1-1上瀝青層上部靠近路表處A點及瀝青層底B點的剪應力變化情況。A點為最大剪應力發生的位置,深度隨路面結構不同有所變化。

2 計算結果與分析

2.1 墊層和地基模量差異的影響分析

在不同的墊層和地基模量下,瀝青層上部A點及瀝青層底B點的剪應力分布見表2。

表2中,墊層模量變化時,拼接面上的剪應力變化極為微小,故本文主要討論面層和基層模量差異對路面拼接結構的受力影響。

表2 墊層和地基模量對路面結構的受力影響 MPa

2.2 模量差異對拼接結構受力狀態的影響分析

當基層、墊層、地基取相同參數而將模量組合1老路面層模量在600 MPa(新老模量相差50%)至1 200 MPa(新老模量相當)之間變化,將模量組合2老面層模量在2 000 MPa(新老模量相差50%)至4 000 MPa(新老模量相當)之間變化,考察拼接面上瀝青層內最大剪應力和層底剪應力。

以各結構層模量變化(新老模量差異)的百分比為橫坐標,分別以面層最大剪應力和層底剪應力比為縱坐標,對比各因素對拼接結構受力影響的大小,如圖3及圖4。

2.2.1 拼接界面連續條件分析

圖3 基層拼接面連續時模量差異對路面結構層受力影響

由圖3可見

1)當拼接界面新老基層連續時,兩種模量組合拼接結構的受力影響規律較為接近。

2)在絕對數值上,模量組合2(面層模量較大)的最大剪應力和層底剪應力都較模量組合1(面層模量較小)大。

3)對于每一種模量組合

(1)當在拼接界面新老基層連續時,新老面層模量差異對拼接面上瀝青層內的最大剪應力有較大影響,而對拼接面上瀝青層底的剪應力影響較小。當老路面層模量降為新面層模量的50%時,最大剪應力由0.192 9/0.199 3MPa(模量組合1/模量組合2,下同)變為0.218 6/0.232 9 MPa,增加接近20%;而層底剪應力由0.086 3/0.093 3 MPa變為0.078 5/0.080 1MPa,減小約10%。

(2)新老基層模量差異對拼接面上瀝青層內的最大剪應力并無顯著影響,卻對拼接面上瀝青層底的剪應力有較大影響,當老路基層模量降為新基層模量的50%時,拼接面上瀝青層內最大剪應力由0.196 7/0.205 5MPa變為0.202 8/0.222 9MPa,增加不足10%,層底剪應力由0.0759/0.076 9MPa變為0.086 9/0.093 9 MPa,增加了約20%。

2.2.2 拼接界面光滑條件分析

由圖4可見,基層拼接面不連續時與基層拼接面連續時拼接結構的受力影響因素有相同之處,也有不同之處。

圖4 基層拼接面不連續時模量差異對路面結構層受力影響

相同點

(1)新老面層模量差異對最大剪應力的影響最大。

(2)新老基層模量差異對瀝青面層底部的剪應力影響最大。

(3)在不同模量組合下,新老面層和基層模量差異對最大剪應力的影響規律是接近的。

(4)在基層連續或不連續的情況下,新老墊層和新老地基模量差異對于拼接結構的(受力影響都很小。

(5)當新老路面面層及基層模量差異大于40%后,拼接面上瀝青層內最大剪應力呈現快速增長的趨勢。

不同點

(1)當基層拼接面不連續時,面層最大剪應力和層底剪應力都增大,層底剪應力更加顯著。當新老面層模量相同時,模量組合1和模量組合2的最大剪應力由0.192 9/0.199 3MPa變為0.1952/0.210 3 MPa,分別增加了1.2%和5.5%;而層底剪應力則由0.086 3/0.093 3 MPa變為0.129 5/0.136 6 MPa,增加了50%和46%。

(2)在路面結構組合中面層模量越大,則面層中的剪應力也相應越大,且新老基層拼接面不連續時這種差異更加明顯。當基層拼接面連續時,模量組合2的最大剪應力比模量組合1的最大剪應力大4%左右,而層底剪應力比模量組合1的約大0.7%。當基層拼接面不連續時,模量組合2的最大剪應力與層底剪應力,分別比模量組合1的大約8%和6%。

(3)當基層拼接面不連續時,兩種模量組合下層底剪應力的變化規律相差較大。當老路基層模量降為新基層模量的50%時,模量組合1的層底剪應力由0.118 6 MPa變為0.136 0 MPa,增加了約16.6%;而模量組合2的層底剪應力由0.131 2MPa變為0.138 6MPa,只增加了約6.7%。

3 結論

通過分析典型拼接結構在不同結構層模量差異下,拼接面上最大剪應力和層底剪應力的變化情況,相關結論如下。

(1)當基層拼接面連續及不連續時,新老面層模量差異越大,拼接面上面層的最大剪應力越大,層底剪應力越小,最大剪應力的變化更加顯著。

(2)當基層拼接面不連續時,面層最大剪應力和層底剪應力都增大,層底剪應力則更加顯著。因此在實際工程中應保證新老路面拼接面有一定的連續性。

(3)在路面結構組合中面層模量越大,則面層中的剪應力也相應越大,且在新老基層拼接面不連續時這種差異更加明顯。因此在進行路面拼接結構設計時,可適當采用較小剛度的面層材料。

(4)新老面層與新老基層模量差異對拼接結構受力影響顯著,當保留老面層和老基層時應確保其具有足夠的剩余強度(模量),建議模量差異不大于40%。

[1]蔣鑫,邱延峻.舊路拓寬全過程三維有限元分析[J].工程地質學報,2005,13(3):420-423.

[2]張軍輝,王鵬,黃曉明.軟土地基上高速公路加寬工程的數值分析[J].公路交通科技,2006,23(6):32-35.

[3]汪浩,黃曉明.軟土地基上高速公路加寬的有限元分析[J].公路交通科技,2004,21(8):21-24.

[4]馬曉暉.擴建公路新老拼接路面結構的力學響應分析[D].上海:同濟大學,2008:14-37.

[5]中國交通公路規劃設計院.JTG D50-2006.公路瀝青路面設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[6]胡霞光,李德超,田莉.瀝青混合料動態模量研究進展[J].中外公路,2007,27(1):132-136.