熱拌薄層罩面在預防性養護應用中的力學響應分析

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摘要：本文利用ABAQUS有限元軟件對原路面加鋪罩面層后的應力響應進行了分析，考察了不同罩面厚度以及超載作用下的剪應力響應，認為水平力的作用將對罩面層表面材料提出更高的抗剪要求，罩面層厚在1.5～2.5cm范圍內的增加并不能本質上改善其剪應力響應，2cm的層厚是經濟而且合適的。

關鍵詞：熱拌薄層罩面；水平力；剪應力；超載

1 概述

熱拌薄層罩面是在原有路面上攤鋪一層厚度約在1.5-3cm之間的熱拌瀝青混合料，來防止品質正在下滑的路面繼續惡化，改善路面平整度，恢復路表面的抗滑阻力，校正路面輪廓，對原路面也有一定的補強作用。目前，這種預防性養護技術在廣東省干線公路上應用較少，本文將從其在荷載下力學響應的角度對其高溫穩定性進行分析。

熱拌薄層罩面厚度薄，混合料粒徑小，高溫抗形變的能力自然相對要小一些，同時因為本身層厚的限制，其車轍深度不可能很大，故高溫穩定性問題主要體現在層內或層間剪應力過大導致的罩面層推移、擁包上面。本文就將從薄層罩面在荷載作用下的剪應力響應入手，來分析其高溫穩定性。

2 原路面結構選取及車輛荷載的簡化

基于本文熱拌薄層罩面主要應用于廣東省的干線公路，與高速公路的路面結構和材料選用有所區別，故選取廣東省典型的干線公路路面結構作為分析模型。

車輛荷載簡化為矩形均布荷載，輪胎接地壓強取0.7 Mpa。考慮到水平力對罩面層剪應力的影響很大，本次分析將對考慮水平力作用與不考慮水平力作用進行比較，水平力系數δ取0.5，即標準軸載作用下水平力為0.35MPa。

圖2-1 100kN標準雙輪矩形均布荷載圖式

3 有限元計算模型

本文利用ABAQUS有限元軟件進行力學分析，計算模型沿路寬度方向和行車方向均取2.5m，深度方向土基厚度取1米（此時的計算結果已具有很好的收斂性）；單元類型采用C3D8R（三維8節點線性減縮積分單元）；邊界條件假設為底面上沒有y 方向位移，左右兩面沒有x 方向位移，前后兩側沒有z 方向位移（經過驗算，其他方向約束不影響計算結果）；層間界面假設為各層完全連續。

4 熱拌薄層罩面應力分析

本次熱拌薄層罩面應力分析主要針對其高溫穩定性，故主要分析其在荷載作用下的剪應力響應規律，而路面的剪切破壞主要有兩種形式：一種是路面各層層間由于水平剪應力過大導致層間粘結失效而出現層間推移等病害，另一種是在車輛豎向力和水平力綜合作用下，路面層產生的剪應力超過了其抗剪強度而出現搓板、擁包等病害。針對這兩種破壞形式，本次有限元計算選取水平最大剪應力沿路面縱向的分量τyzmax以及路面各層沿深度方向的最大剪應力來分析。

4.1 不同罩面厚度下的應力分析

罩面厚度分別取1.5cm、2.0cm、2.5cm和3.0cm，各厚度下豎向最大壓應力、水平縱向最大剪應力τyzmax及輪跡中心點處沿深度方向的最大剪應力峰值分別見圖4-1～4-3。

圖4-1 豎向最大壓應力隨罩面厚度的變化

圖4-2 τyzmax隨罩面厚度的變化

圖4-3 輪跡中心點處最大剪應力峰值隨罩面厚度的變化

由圖中可以看出，在水平力作用下，豎向最大壓應力σymax在罩面層厚度2～3cm范圍內變化幅度很小，但在1.5cm時有明顯的增加，呈現一個突變點，說明有水平力作用時，罩面層厚1.5cm很可能導致路面出現壓密性車轍；τyzmax無水平力作用時隨厚度增加而增大，有水平力作用時在層厚1.5～2.5cm范圍內幾乎沒有變化，但到3.0cm時有明顯的減幅，見圖4-2，說明罩面層厚3.0cm很可能是一個轉折點，大于該厚度的罩面剪應力響應會有明顯的改善；無論有無水平力作用，輪跡中心點處的最大剪應力峰值均隨著厚度增加而逐漸變大，不過變化幅度較小，同時其值均小于對應厚度的τyzmax，說明縱向最大剪應力τyzmax是罩面層材料抗剪強度的控制性指標。

綜合以上分析結果，3.0cm時，罩面層的剪應力響應是有所改善的，但考慮到養護工程的經濟性，同時，從2cm加厚到2.5cm，罩面層的最大剪應力響應沒有得到改善，而從2cm減小到1.5cm，罩面層豎向壓應力出現大的增幅，容易出現壓密性車轍及層底開裂等病害，故就抗剪性能而言，熱拌罩面層厚2cm是經濟而且合適的。

4.2 超載作用下的應力分析

干線公路，超載現象十分嚴重，車輛超載將使得罩面層所承受的累計標準軸次大大增加，從而明顯縮短罩面層使用壽命。本節將考慮100%超載和200%超載，來對超載下的路面剪應力響應進行分析。

根據重慶交科院環道試驗的研究成果，當車輛超載時，可以認為輪胎充氣壓力不變，而接地壓力隨之增加，而且輪胎接地寬度B受荷載變化的影響很小，主要是接地長度的改變。同時，根據交通部公路科研所《重載交通瀝青路面軸載換算研究總報告》中的研究結果，輪胎接地壓力可以參照如下經驗公式進行計算：

（4.1）

式中：p——輪胎接地壓力，MPa；

pt——輪胎充氣壓力，MPa；

P——軸載，kN。

因此，將標準軸載下的數據代入公式（4.1）（p=0.7 MPa，P=100 kN），可得到輪胎充氣壓力pt=0.4662069 MPa。由上文可知，車輛超載時，pt保持不變，故當超載100%時，單軸軸載即為200kN，代入公式（4.1），可得此時的輪胎接地壓力為1.12 MPa，則水平力為0.56 MPa，忽略接地寬度B的變化而僅考慮接地長度的改變，則接地長度L增加為24cm；同理，可得超載200%時，輪胎接地壓力為1.54 MPa，水平力為0.77 MPa，接地長度為26.2cm。

計算模型的矩形面積及作用荷載據以上計算結果進行調整，考慮到縱向最大剪應力τyzmax為控制性指標，故選取各罩面厚度有水平力作用時在100%和200%超載下的縱向最大剪應力τyzmax，與標準軸載下進行比較，見圖4-4。

圖4-4 不同罩面厚度超載作用下的τyzmax增幅比較

由圖中可以看出，超載作用時各罩面厚度下的τyzmax均有很大的增幅，但各厚度的τyzmax隨超載作用的增加幅度基本相同，厚的罩面層并沒有削弱其在超載作用下的剪應力響應，這再次說明，從路面養護的角度，2cm厚的薄層是經濟而且合適的。

4.3 縱向最大剪應力τyzmax位置分析

我國道路設計采用作用在多層彈性層狀體系上的雙圓垂直均布荷載來進行，抗剪強度驗算時，需要考慮車輛啟動、制動所帶來的水平力，并以路表面行車前進方向車輪中心后0.9r（r為單輪當量圓的半徑）處為驗算點，但對于矩形均布荷載，卻沒有明確的驗算點可循。前文已經指出罩面材料抗剪強度的控制性指標是水平縱向最大剪應力τyzmax，但其具體位置還需進一步的分析。

通過提取各罩面厚度標準軸載并有水平力作用時τyzmax所在點的坐標，其深度方向的位置為：罩面厚度在1.5-2.5cm時，τyzmax均出現在罩面下0.5m處；罩面厚度在3cm時，τyzmax出現在罩面表面。

已有瀝青路面應力分析在考慮水平力時也都得出τyzmax出現在路面表面的結論，其路面上面層厚度一般取為4cm，同時聯系到3.0cm時τyzmax有明顯的減幅，因而可以認為，面層厚度在3.0cm以上時，路面的剪應力響應會有質的變化，3.0cm以下時面層會顯示出整體剛度的不足而在表面區域附近位置出現應力集中的現象，而這也反映了薄層罩面不宜作為路面結構層的特點。

τyzmax的平面位置，1.5～2.5cm層厚與3.0cm層厚也呈現出明顯的差異，圖4-5中的矩形即為矩形均布荷載作用范圍，其中的C點即為τyzmax所在位置，箭頭方向為水平力作用方向，圖中可以看出，1.5～2.5cm層厚時，τyzmax均出現在矩形沿水平力方向后邊角處，而3.0cm時，其位置向矩形中前方有較大的移動。

圖4-5 不同罩面厚度下τyzmax的位置

由τyzmax所在位置的不同可以看出，3.0cm厚的罩面層與1.5～2.5cm厚的罩面層在剪應力響應方面有明顯的區別，同時也說明路面剪應力驗算點是隨著面層厚度變化而變化的，道路設計中只驗算某一個固定點的做法是不足取的。

5 結語

本文利用ABAQUS有限元軟件，針對熱拌薄層罩面在荷載作用下的應力響應做了力學分析，鑒于重點關注的是薄層罩面的高溫穩定性能，文中主要考察其剪應力的響應規律，通過分析，主要得到以下結論：

1） τyzmax是罩面層材料抗剪強度的控制性指標，罩面厚度從1.5cm增加到2.5cm，τyzmax的變化很小，直到達到3.0cm時，罩面層最大剪應力響應才有所改善，但考慮到養護工程的經濟性，同時，從2cm減小到1.5cm，罩面層豎向壓應力出現大的增幅，容易出現壓密性車轍及層底開裂等病害，故就抗剪性能而言，熱拌罩面層厚2cm是經濟而且合適的。

2）厚的罩面層并不能削弱其在超載作用下的剪應力響應，這再次說明，2cm厚的薄層是經濟而且合適的。

3）1.5～2.5cm罩面厚度時的τyzmax所在位置與3.0cm時有明顯的區別，說明厚度達到3.0cm時，罩面層的剪應力響應會有質的變化，也說明了路面剪應力驗算點是隨著面層厚度變化而變化的，道路設計中只驗算某一個固定點的做法是不足取的。

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作者簡介：

高祺 男 1983年8月生，碩士研究生學歷，工程師，目前在深圳高速公路股份有限公司工作。