瀝青封層對水泥路面振動性能的影響

毛德均，趙朝華，谷建義

(重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074)

0 引言

我國高等級公路主要采用瀝青路面和水泥混凝土路面兩種路面結構形式。和瀝青路面相比，水泥混凝土路面具有強度高、穩定性好、耐久性好、有利于夜間行車、施工簡便等優點;也具有平整度相對低，光、熱反射能力高導致司機眩光疲勞等缺點［1］，這些缺點影響了水泥路面的行車舒適性。

封層一般是為封閉表面空隙、防止水分侵入而在路面面層或基層上鋪筑的有一定厚度的乳化瀝青混合料薄層。鋪筑在路面面層表面的稱為上封層，鋪筑在路面面層下面、基層表面的稱為下封層。瀝青上封層可以作為一種道路預防性養護技術措施，用于瀝青路面和水泥混凝土路面日常的養護與路面改造［2-3］。該技術具有良好的防水、抗滑、耐磨和填充作用，可顯著改善路面的使用性能，延長路面使用壽命［4-6］瀝青下封層可以改善基層與面層間應力傳遞狀況從而達到改善面層的受力性能的目的。其作用主要在于層間粘結，以達到既保證基層防水、抗沖刷，又適度降低面板與基層的摩擦;減小混凝土板拉應力，起到一定應力吸收或應力緩解的作用。有關研究表明，下封層可以作為一種防治瀝青加鋪層反射裂縫的有效措施［7］。

瀝青封層的應用以往一般在瀝青路面中較多，近年來使用范圍亦逐步擴展到水泥路面，如在廣東梅河高速公路路面工程的施工實踐當中就在其水泥路面上鋪設了1 cm左右厚度的瀝青封層。眾所周知，水泥路面行車舒適性通常比瀝青路面差，特別是水泥路面在使用一定年限后發生各種病害后更是如此。因此在水泥路面上加鋪一層瀝青上封層，降低車輛行駛時對水泥路面的感應剛度，對于降噪和減少司機長時間駕駛的眩光疲勞，從而提高水泥路面的路用性能和車輛行駛的舒適性有積極作用。瀝青上封層還可以對路面病害進行處治，從而延長路面使用壽命。

筆者結合有限元分析軟件ANSYS建立三維有限元模型，將動荷載分別作用于普通水泥混凝土路面結構和加鋪了一層厚度不等的乳化瀝青上封層的水泥混凝土路面結構，計算分析瀝青封層及其厚度變化對水泥路面在動載作用下振動性能的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 主要計算參數的設定

在建立路面結構三維有限元模型之前，首先確定路面材料的參數及各結構層厚度。結合本次研究的重點也為了便于分析，將傳統水泥路面結構作一定簡化。路面的各基層簡化為一層地基承載板，從而將加鋪了乳化瀝青封層的普通水泥混凝土路面簡化為3層結構，路面結構示意如圖1。

圖1 路面結構示意Fig.1 Conventional diagram of road structure

路面結構各層材料參數的取值參考水泥路面和瀝青路面的相關規范，對于封層的厚度，參考公路瀝青路面養護技術規范規定。在此為驗證不同厚度封層對水泥路面受力性能的影響有何異同，特取封層厚度值分別為 0，0.5，1.0，1.5，2.0 cm。每層材料的詳細參數見表1。

表1 路面結構層材料參數Table 1 Material parameters of road structure layer

1.2 計算模型的設定

對瀝青上封層和水泥路面面層用solid45單元模擬，路面的基層采用solid92單元模擬。有限元分析單元劃分越精細，計算結果精度越高;同時計算量會成倍增長，對計算機的要求越高，需要的計算時間也越多。兼顧計算精度和計算的方便性，對瀝青封層和面層的solid45單元采用自定義六面體網格劃分，對地基的solid92單元都采用計算機自由網格劃分。

為更好地符合實際并便于分析，取模型的平面尺寸為3.5 m×5.0 m，三維有限元模型的建立遵循以下基本假設:

1)各層皆為均質、連續、各向同性的連續彈性體。層間接觸為完全連續;

2)地基底面完全約束，而四周則對法向位移進行約束。這種假設與彈性層狀體系無限遠處位移為零相比，結果的精度會降低，但與實際受力變形狀態較為符合，對路面結構應力分析的影響較小，可以滿足計算精度;

3)不計路面結構的自重影響。

1.3 荷載參數的設定

道路計算采用的車輪荷載通常為標準軸載BZZ-100，單軸雙輪組合的每個軸上有4個車輪，單個車輪分配的軸重為25 kN，與路面的接觸面可近似理想化為20.0 cm×20.0 cm的正方形。本次研究沖擊動荷載的大小取值為25 kN，為單個輪胎分配的軸載。車輛在水泥路面上行駛，在車輛及路面的因素(如汽車發動機的振動，路面不平順如接縫、裂縫、坑槽等)共同作用而發生振動，這種振動一方面影響了行車的舒適性，另一方面產生對路面的的振動沖擊荷載。通常情況下車輛在道路上行駛發生振動時輪胎對路面的沖擊荷載為一正弦曲線荷載，為了便于模型加載，將其簡化為一斜坡荷載(如圖2)，荷載作用時間為0.025 s，瞬態分析荷載子步數取8。

圖2 荷載作用Fig.2 Loading pattern

計算結果考察的主要內容是振動沖擊動荷載作用下路面結構應力分布情況，加載點下對應面層底部位置的等效應力、剪應力Syz和豎向位移隨荷載子步的變化情況。

2 有限元計算結果分析

2.1 變形分析

在設定的沖擊動荷載作用下，加不同厚度瀝青上封層的各種路面結構的面層底部豎向位移隨時間變化曲線如圖3。

圖3 面層底部豎向位移隨荷載子步變化曲線Fig.3 Vertical displacement curve of the surface bottom with load substep

由圖3可見各條曲線基本重合，說明瀝青封層對改善水泥路面變形效用不明顯。分析原因有兩點:

1)從材質上看，封層瀝青混合料彈模比水泥混凝土小、而泊松比則比其大，彈模和泊松比是反應材料變形性能的重要指標;

2)瀝青封層的厚度通常也比較薄，工程實際中，封層厚度通常為1 cm左右，一般不超過1.5 cm，即便是達到2 cm，也不到水泥面板厚度的1/10。

以上兩方面原因綜合決定封層剛度要比水泥面層小得多，而剛度是抗變形的重要指標，由此決定了瀝青上封層對水泥面板的抗變形性能影響甚微。

2.2 應力分析

2.2.1 應力云圖分析

對比圖4(a)、(b)可以發現，在振動沖擊荷載作用下，在同一時間節點上，沒有瀝青封層的水泥路面結構其荷載效應在路表的影響范圍明顯比有瀝青封層的大，尤其在路面的橫向上較為明顯。由此可知，即便設置較薄的瀝青封層都可以很好地抑制荷載作用效應在路表的擴散。

但由圖4(b)、(c)可看出，瀝青封層厚度的改變對應力云圖分布影響不大，2 cm厚的應力云圖和0.5 cm厚的應力云圖相差不大。筆者認為，瀝青封層是一層柔性層，水泥面層是剛性層，瀝青封層的加鋪可以有效降低車輛行駛時對水泥路面的感應剛度，從而減小振動沖擊荷載作用效應的擴散;但由于封層和水泥面層的剛度的相對懸殊又使得封層厚度的增加并不能讓這一功效有較大的提升。因此對舊水泥路面破損的處治，加鋪一層厚度較薄的瀝青封層是可選的措施，可有效提高路面的路用性能。

2.2.2 面層底部等效應力、剪應力Syz分析

由圖5可知，在振動沖擊荷載作用的整個過程中，面層底部的等效應力變化曲線為典型的S型曲線。前期應力增長速率快，后期增幅小并趨于平緩。層底峰值等效應力出現在第7荷載子步上，不是在荷載峰值處出現。且加鋪瀝青封層后，層底等效應力值有所減小，但減小幅度不大。

圖4 等效應力應力云圖Fig.4 Stress nephogram of Von Mises stress

圖5 面層底部等效應力隨荷載子步變化曲線Fig.5 Von Mises stress curve of surface bottom with load substep

由表2知，加鋪0.5 cm厚瀝青封層后層底峰值等效應力由 0.186 7 MPa 降至 0.185 9 MPa，降幅約約為 0.4%。當封層厚度增加至 1.0，1.5 和 2.0 cm時，其降幅分別約為2%，3%和5%。

表2 面層底部峰值等效應力值Table 2 Maxmium Von Mises stress of the surface bottom /MPa

由圖6可知，面層底部剪應力Syz的變化趨勢和等效應力相似，不過，瀝青封層對層底抗剪的影響要比對等效應力影響稍加明顯。

圖6 面層底部剪應力Syz隨荷載子步變化曲線Fig.6 Shear Syzcurve of the surface bottom with load substep

由表3數據知，加鋪0.5 cm瀝青封層后面層底部峰值剪應力Syz值降幅約為1%，當封層厚度為1.0，1.5 和 2.0 cm 時，降幅分別約為 4%，8.5% 和14.5%。

表3 面層底部峰值剪應力值SyzTable 3 Maxmium chear stress Syzof the surface bottom /MPa

對層底等效應力和剪應力Syz計算數據的分析表明，瀝青上封層能在一定限度上改善水泥路面面層底部應力狀況。且隨著封層厚度的增加，正應力和剪應力值都有所降低，厚度變化初期降幅小，后期降幅增大。這種改善對正應力來說不明顯，而對剪應力則要稍明顯些。考慮到在工程實際中，瀝青封層厚度多為1.0 cm左右，一般不超過1.5 cm。因此，綜合來看，可以說無論對于正應力還是剪應力，瀝青上封層對改善水泥路面在振動沖擊荷載作用下的受力作用不明顯。

3 結語

筆者結合有限元計算，分析了不同厚度的瀝青上封層對水泥路面車輛振動響應的影響，得到以下結論:

1)在水泥路面上加鋪薄層瀝青上封層可以有效降低車輛行駛對水泥路面的感應剛度，即便是一層0.5 cm厚的瀝青封層，其對抑制振動沖擊荷載作用效應在路表的擴散有明顯效果，特別是道路的橫向上。因此對普通水泥路面，建議對水泥路面的裂縫特別是橫向裂縫進行及時有效的處治，避免路面進一步破壞，加鋪薄層瀝青上封層是可選的措施。

2)薄層瀝青上封層對改善水泥路面在振動沖擊荷載作用下的變形及受力性能有一定作用，但不明顯。水泥路面加鋪瀝青上封層的作用主要還是起到抗滑、增強防水性、提高平整度等作用從而提高路面的路用性能和提高車輛行駛的舒適性。

3)在車輛振動沖擊荷載的作用下，隨著封層厚度的增加，正應力和剪應力值都有所降低，厚度變化初期降幅小，后期降幅增大。在工程實踐中，應綜合考慮設計中涉及到的各種因素來確定封層厚度。

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