機場道面瀝青混凝土加鋪層防反結構分析

郝航程，周正峰

（1.深圳寶安國際機場，廣東 深圳 518103；2.西南交通大學，四川 成都 637900）

0 前言

目前，減緩瀝青混凝土加鋪層反射裂縫的措施主要有增加加鋪層厚度，以及加鋪層層底設置土工合成材料夾層。對荷載型反射裂縫國內外做過不少分析，但是大多數結論都是針對汽車荷載。本文采用有限元法，詳細分析在飛機荷載作用下，這兩種措施對瀝青混凝土加鋪層結構受力的影響，明確加鋪層的應力狀況及其對反射裂縫形成的影響。

1 有限元模型

應用大型通用有限元軟件ABAQUS，建立瀝青加鋪層結構有限元模型。有限元模型由瀝青加鋪層、夾層（可選）、帶有接縫的舊水泥混凝土道面板、基層和地基組成，其中，舊水泥混凝土道面接縫寬度為1 cm，考慮無傳荷能力的不利情況。有限元模型中，各結構層材料假定為均質、各向同性的線彈性體，層間接觸假定完全粘結，采取二次減縮積分實體單元C3D20R模擬瀝青加鋪層、舊水泥混凝土板和基層，采取二次減縮積分薄膜單元M3D8R模擬土工合成材料夾層，地基不建實體模型[2]，直接采用ABAQUS接觸功能模塊中的Elastic Foundation進行模擬[3]，地基反應模量k=60 MN/m3。同時，為反映半空間地基的特性，基層和地基采用擴大尺寸，見圖1。

圖1 結構計算模型

道面結構幾何與材料參數見表1。

表1 道面結構幾何尺寸及材料計算參數

作用的飛機荷載采用Boeing767-200的一個主起落架上，荷載參數見表2。

其中，輪印分布形狀按面積等效轉換為矩形，假定矩形接觸面長為0.8712 L，寬為0.6 L，則：

瀝青加鋪層反射裂縫的產生是由行車荷載和溫度變化引起的。由斷裂理論可知，加鋪層中產生的反射裂縫主要是由瀝青層底正應力引起的張開型裂縫和由剪應力引起的剪切型裂縫[4]。當飛機機輪荷載對稱作用于接縫上方時（簡稱中荷載），接縫處加鋪層整個截面均處于受壓狀態，由結構、荷載的正對稱性可知，瀝青加鋪層底面在接縫處剪應力為0?？梢哉J為正對稱荷載不是引起反射裂縫的主要原因。因此，本文主要研究在偏荷載作用下的受力狀況。荷載作用位置見圖2。

圖2 荷載作用位置（對應于舊水泥混凝土板）

表2 Boeing767-200荷載參數

2 瀝青加鋪層厚度的影響

增加加鋪層厚度可以提高道面的承載能力，但是，在滿足承載能力的情況下，靠增加加鋪層厚度來抵抗反射裂縫是有局限性的，并且是不經濟的[5～7]。加鋪層厚度的變化會影響到荷載作用下加鋪層內的應力，從而也就與加鋪層防反能力相關。因此，對瀝青罩面合理經濟厚度的研究不僅具有重要的現實意義，更具有顯著的經濟效益。下面詳細分析加鋪層厚度對層內荷載應力及其反射裂縫的產生、部位等的影響。加鋪層厚度分別取5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm，30 cm。瀝青加鋪層內應力和表面最大彎沉的計算結果見表3。

由表3可知：

（1）在偏荷載作用下，接縫（裂縫）區瀝青層底的水平向最大應力σx和σy都為負數，即表明瀝青加鋪層底均受壓應力作用。由此可知，最大剪應力τxz和τyz以及最大主應力σ1是引起接縫（裂縫）區瀝青加鋪層反射裂縫的主要原因。

（2）當加鋪層厚度從5 cm變化到30 cm，接縫（或裂縫）區瀝青層底的剪應力先增大后減小（見圖3），加鋪層厚度為10 cm時的層底剪應力最大；當加鋪層厚度大于15 cm后，層底應力隨著厚度的繼續增加而減小，但減小趨勢變緩，加鋪層厚度的影響變小。因此，選擇薄層加鋪（小于8 cm），加鋪層底剪應力較小；當加鋪厚度超過10 cm后，適當地增加加鋪層厚度對減小加鋪層底剪應力是有效的，達到一定厚度（約20 cm）后，再通過繼續增加加鋪層厚度來防治反射裂縫的效果非常微小。

圖3 加鋪層底剪應力和主應力隨厚度的變化

3 土工合成材料夾層的影響

本模型的土工合成材料厚度設定為0.5 cm，其彈性模量變化較大，一般來說，土工布的模量較小，土工格柵的模量較大。本文采用的土工合成材料模量從4 000 MPa到80 000 MPa，可模擬低模量的土工布及高模量的玻纖格柵。為了分析設置土工合成材料對不同厚度加鋪層應力的影響，瀝青加鋪層取10 cm和20 cm兩種厚度，模擬薄層加鋪和厚層加鋪兩種情況。兩種加鋪層厚度的層底應力和表面彎沉隨土工合成材料模量變化的計算結果分別見表4、表5。

表3 加鋪層底應力和表面彎沉隨厚度的變化

表4 加鋪層應力和表面彎沉隨土工合成材料模量的變化（加鋪層厚度為10 cm）

表5 加鋪層應力和表面彎沉隨土工合成材料模量的變化（加鋪層厚度為20 cm）

由表4和表5可知：

與表3對比可知，對于10 cm厚的瀝青加鋪層，設置土工合成材料能減小部分層底剪應力，但效果并不顯著，當土工合成材料的模量在4 000 MPa～8 000 MPa的范圍內變化時，剪應力僅減少10.6%～13.4%。而對于20 cm厚的瀝青加鋪層，設置土工合成材料對層底的剪應力幾乎沒有影響。

4 結論

（1）剪應力和最大主應力是引起接縫（裂縫）區瀝青加鋪層產生荷載型反射裂縫的主要因素。

（2）可以通過調整加鋪層厚度來減緩荷載型反射裂縫，除非結構補強需要，加鋪層厚度不宜超過20 cm，且避免采用10 cm左右的厚度。

（3）設置土工合成材料能減小部分層底剪應力，但效果并不顯著。

[1]黃衛,錢振東.高等瀝青路面設計理論與方法[M].北京:科學出版社,2001.

[2]ABAQUS.Analysis User's Manual Volume II:Analysis Version 6.4[Z].Pawtucket,2003.

[3]ABAQUS.Analysis User's Manual Volume III:Materials Version 6.4[Z].Pawtucket,2003.

[4]符冠華,陸慶,楊軍,等.夾層防治反射裂縫效果的應力分析[J].東南大學學報,1999,29:106-113.

[5]The Asphalt Institute.Asphalt overlays for highway and street rehabilitation[Z].Manual Series,No.17(MS-17),1983.

[6]De Bolt.A.H,Searpas.A.Design of(reinforced)asphalt overlays[J].Proceedings,1997,2:1161-1180.

[7]孫濤,史保華,黃必斌.機場水泥道面改性瀝青蓋被層厚度設計[J].石油瀝青,2005,5:28-32.