設(shè)置應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

趙文美

摘要：現(xiàn)階段對于舊水泥混凝土路面維修改造的主要方法及手段是在其上加鋪一層瀝青面層，而由于車輛荷載的長期作用，反射裂縫的出現(xiàn)及擴大成為目前路面結(jié)構(gòu)最為關(guān)鍵的問題。根據(jù)國內(nèi)外已有的對于防止反射裂縫的研究成果，擬采用在舊水泥混凝土路面及瀝青加鋪層之間加入應(yīng)力吸收層來減緩反射裂縫帶來的危害。本文運用有限元分析軟件建立加入了應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過在模型上加載車輛荷載來模擬路面結(jié)構(gòu)的實際受力情況，再通過有限元分析軟件的后處理得出路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律。通過對加入不同厚度的應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力結(jié)果進行分析和對比發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力吸收層減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴展的最合理厚度為2 ～4 cm。

關(guān)鍵詞：應(yīng)力吸收層；路面結(jié)構(gòu)；反射裂縫；應(yīng)力；厚度

中圖分類號：S773.2：U416.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-005X（2015）04-0123-04

目前，我國的道路正處于飛速發(fā)展的階段，公路里程在逐年增加，截止到2012年底，我國的公路總里程已達423.8萬km。公路運輸在國民經(jīng)濟中扮演了越來越重要的角色。但隨著我國經(jīng)濟社會和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對交通的需求和期望在不斷提高。交通量的劇增，車輛軸載的加重，車速的提高都對路面結(jié)構(gòu)有了更高的要求，路面結(jié)構(gòu)的強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性都需要有相應(yīng)更大的提高。同時，已建公路的維修和養(yǎng)護隨著道路使用年限的增加也顯得尤為重要。但正是由于道路使用要求與實際路面狀況的不匹配，出現(xiàn)了破碎、裂縫、坑槽、車轍等病害。也正是因為這些病害的出現(xiàn)，嚴重影響了道路的使用性能，同時對行車安全也構(gòu)成威脅。因此，對于這些道路病害的防治也就成為如今道路建設(shè)和維護的主要任務(wù)。而對于其中的路面反射裂縫的防治，目前國內(nèi)外普遍采用的一種方法是在舊水泥混凝土路面和瀝青加鋪層之間加入應(yīng)力吸收層。對于應(yīng)力吸收層，其組成材料的彈性模量很低，使得其柔性很好，在車輛荷載作用下，其能夠吸收部分由舊水泥混凝土路面裂縫處所產(chǎn)生的應(yīng)力，減緩了應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而對反射裂縫起到緩沖的作用。然而應(yīng)力吸收層過薄，其減緩反射裂縫的效果不佳，反射裂縫會很快傳至路面最上層；應(yīng)力吸收層過厚，則會破壞路面結(jié)構(gòu)的整體性，影響路面的整體受力，其低彈性模量的優(yōu)勢反而會成為不足。為了更好的防治反射裂縫，對應(yīng)力吸收層的合理厚度進行研究。

1有限元建模

1.1 基本假定

舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層容易產(chǎn)生反射裂縫，應(yīng)力吸收層減緩反射裂縫的產(chǎn)生和擴展的研究重點是舊水泥混凝土路面裂縫處瀝青加鋪層的應(yīng)力。對于裂縫而言，只有在很高的溫度條件下才會出現(xiàn)粘彈性性狀；而在大多數(shù)情況下，裂縫處都屬于線彈性體系，因此避開次要因素，考慮主要因素，將整個路面結(jié)構(gòu)假定為線彈性體來研究。

在施加車輛荷載時，為了使整個路面結(jié)構(gòu)整體受力，將路面結(jié)構(gòu)假定為層間連續(xù)。為了使所建模型更加接近路面結(jié)構(gòu)的真實情況，假定地基底面為全約束，而對于地基的四個側(cè)面則是將其水平方向的位移值約束為零。同時為了簡化計算，這里忽略了路面結(jié)構(gòu)本身的自重。

1.2 有限元模型

對于路面結(jié)構(gòu)，采用三維八節(jié)點等參元實體模型，并賦予其材料參數(shù)，具體數(shù)值見表1。

在完成了對模型材料參數(shù)的賦予后，即可進行路面結(jié)構(gòu)實體模型的建立。其中，為了使模型更符合實際情況，對于地基，采用擴大尺寸來模擬。同時對于主要研究對象反射裂縫而言，通過在舊水泥混凝土路面上設(shè)置無傳力能力的1cm接縫來實現(xiàn)。具體建模尺寸及模型實例如圖1～2所示。

在對已有路面結(jié)構(gòu)實體模型進行網(wǎng)格劃分之前，首先要對所建路面結(jié)構(gòu)進行布爾運算，而進行布爾運算的目的就是要使整個路面結(jié)構(gòu)實體模型成為一個整體，從而保證其在車輛荷載作用下整體受力。在這里，采用布爾運算中的粘結(jié)（Glue）對所建實體模型進行整合，使其各結(jié)構(gòu)層均勻連續(xù)，符合假定要求。而后即可對實體模型進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。對于網(wǎng)格劃分，為了追求數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性，采用劃分細度為2的自由劃分對路面結(jié)構(gòu)的整體進行劃分，劃分結(jié)果如圖3～4所示。

1.3 路面結(jié)構(gòu)車輛荷載

由于要對路面結(jié)構(gòu)進行動力學(xué)分析來符合路面的實際情況，采用瞬態(tài)動力學(xué)的方法對其進行研究。對于該路面結(jié)構(gòu)上所施加的車輛荷載采用標(biāo)準軸載BZZ-100，即雙輪單軸載為100kN。每個車輪的作用面上的荷載均等效為18.9cm×18.9cm的正方形均布荷載，其接觸面積為357.21c㎡，且每側(cè)兩個車輪的間距為32cm，兩側(cè)輪隙間距為182cm，其具體的模型尺寸如圖2所示。

2 路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2.1 瀝青加鋪層頂面應(yīng)力

瀝青加鋪層頂面是與車輛荷載直接接觸的路面結(jié)構(gòu)層，其受到車輛荷載的影響最大，由此產(chǎn)生的病害也最多，其直接影響到路面行車的舒適與安全；然而對于反射裂縫而言，其傳至瀝青加鋪層頂面的時間也最長。所以對于它的應(yīng)力分析尤為重要，具體分析過程如圖5所示。

從圖5可以看出，對于車輛荷載作用下的瀝青加鋪層頂面的最大拉應(yīng)力，其隨著應(yīng)力吸收層厚度的增加（從1～7cm）在不斷變小，但其只從0.500MPa減少至了0.483MPa，減小的幅度只有3.39%，可見應(yīng)力吸收層厚度的增加對于減少瀝青加鋪層頂面的最大拉應(yīng)力的效果不明顯。

瀝青加鋪層頂面應(yīng)力隨吸收層厚度的變化如圖6所示。

從圖6可以看出，對于瀝青加鋪層頂面的等效應(yīng)力，隨著應(yīng)力吸收層的厚度由1cm增加到7cm，其自身的值則由0.300MPa減少到0.261MPa，減少了12.58%。雖然較瀝青加鋪層頂面的最大拉應(yīng)力減少的幅度有了一定增加，然而幅度仍然不大，即增加應(yīng)力吸收層的厚度對于減少瀝青加鋪層頂面的等效應(yīng)力的作用仍然不大。

瀝青加鋪層頂面應(yīng)力T_max缸隨吸收層厚度的變化如圖7所示。

從圖7可以看出，對于瀝青加鋪層頂面的最大豎直剪應(yīng)力，其隨著應(yīng)力吸收層的厚度的增加，其應(yīng)力值從0.158MPa變到了0.121MPa，降幅為22.5%。同上述兩種應(yīng)力相比，其隨著應(yīng)力吸收層厚度的增加應(yīng)力值有了較大幅度的提高，但就上述三種應(yīng)力的綜合比較和分析來看，應(yīng)力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層頂面應(yīng)力的消散作用不大。

2.2 瀝青加鋪層底面應(yīng)力

瀝青加鋪層底部是與應(yīng)力吸收層直接接觸的路面結(jié)構(gòu)，也是最容易受到應(yīng)力吸收層影響的受力面；同時在車輛荷載作用下，由舊水泥混凝土路面接縫引起的反射裂縫經(jīng)過應(yīng)力吸收層也是最先到達此結(jié)構(gòu)面的。因此，此結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力分布情況對于了解應(yīng)力吸收層防反射裂縫的效果十分重要。下面就對此結(jié)構(gòu)面進行具體的應(yīng)力分析，如圖8所示。

由圖8可知，瀝青加鋪層底面最大拉應(yīng)力值是隨著應(yīng)力吸收層的厚度的增加而減少的，當(dāng)應(yīng)力吸收層的厚度由1cm增加至7cm，其應(yīng)力值也相應(yīng)地由0.637MPa變至0.393MPa，共降低了38.02%，降幅較大。但從圖上可知，當(dāng)應(yīng)力吸收層的厚度增加至4cm以上時，應(yīng)力吸收層厚度的增加對于減少瀝青加鋪層層底最大拉應(yīng)力的趨勢開始逐漸變緩，而過小厚度的應(yīng)力吸收層又對防止反射裂縫起不到作用，由此初步認為2～4cm為防止反射裂縫的應(yīng)力吸收層的合理厚度。

對于等效應(yīng)力而言，如圖9所示。由圖9可知，其與瀝青加鋪層底最大拉應(yīng)力值隨應(yīng)力吸收層厚度的變化而變化的規(guī)律大致一樣，等效應(yīng)力值由最初的0.538 MPa變化至0.342MPa，共降低了36.23%，而且等效應(yīng)力值在應(yīng)力吸收層為4cm以上時，其減少的幅度也開始變小，所以應(yīng)力吸收層的合理厚度仍然取為2～4cm。

由圖10可知，瀝青加鋪層底的最大豎直剪應(yīng)力值隨應(yīng)力吸收層的厚度增加在減小，當(dāng)應(yīng)力吸收層厚度從1cm增加至7 cm時，最大豎直剪應(yīng)力值從0.294MPa減少至0.170MPa，減少了41.89%，降幅很大，應(yīng)力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層層底最大豎直剪應(yīng)力的消散效果很好。

根據(jù)以上分析可知，對于消散瀝青加鋪層層底應(yīng)力的應(yīng)力吸收層的合理厚度為2～4cm。

3 結(jié)論

利用有限元軟件，對在車輛荷載作用下不同厚度應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力分析，得到如下結(jié)論。

（1）在車輛荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力出現(xiàn)在舊水泥混凝土路面的接縫處，即此處相對應(yīng)的瀝青加鋪層底部為最不利受力點。

（2）應(yīng)力吸收層厚度的增加對于瀝青加鋪層底面應(yīng)力的消散作用要比瀝青加鋪層頂面效果明顯。

（3）對加入了不同厚度應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力進行分析發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力吸收層減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴展的最合理厚度為2～4cm。