含碎石化層的瀝青加鋪路面結構分析

申　莉，劉國民（四川交通職業技術學院，四川 成都 611130）

含碎石化層的瀝青加鋪路面結構分析

申莉，劉國民
（四川交通職業技術學院，四川 成都 611130）

利用ABAQUS有限元軟件建立了含碎石化層的瀝青加鋪路面結構模型，研究土基、舊路基層與碎石化層模量以及碎石化層和加鋪層厚度對含碎石化層瀝青加鋪層路面結構的力學響應的影響，確定碎石化模量的控制范圍。結果表明，荷載作用中心點及附近一定區域，瀝青加鋪層層底受拉；瀝青加鋪層層底拉應力對土基模量、舊路基層模量、碎石化層厚度不敏感，但當碎石化層模量較小（接近300MPa）或加鋪層厚（大于20cm）時層底拉應力均較大，在重載作用下更大。因此碎石化道路必須驗算瀝青層層底拉應力指標。為使瀝青層層底拉應力峰值不至于過大甚至超過容許拉應力，使得受拉區域控制在一定范圍以內，同時為降低加鋪層豎向剪應力及土基頂面壓應變，并達到防治反射裂縫的效果，碎石化層的模量宜控制在500~1000MPa。

碎石化；瀝青加鋪層；路面結構；力學響應；應力；應變

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

水泥混凝土路面由于具有剛度大、強度大以及承載力高的特點，而成為山西省最為常用的路面結構形式。但是在長期重載甚至超載車輛的作用下，水泥路面已出現了大量不同形式的結構性破壞，路面服務水平急劇下降。目前，國內外通常通過修復或加鋪的方式來解決此類問題。舊水泥混凝土路面修復、加鋪的方式主要有以下兩種：一種是在舊水泥混凝土路面上繼續加鋪水泥混凝土，即“白加白”；另一種是加鋪瀝青混凝土面層，或者將處理過的舊混凝土層作為基層，然后再鋪筑瀝青混凝土面層，俗稱“白加黑”或“白改黑”。反射裂縫是“白改黑”路面工程中最常見，也是最難處理的病害之一，需要對碎石化層之上瀝青混凝土加鋪路面的力學響應進行分析，并得出各因素對其的影響[1-4]。

1　有限元計算模型的建立

1.1模型的基本假定及設置

路面結構模型如圖1所示[5-7]。

圖1　碎石化路面結構模型

材料屬性：假設路面結構為彈性層狀體系，路面各結構層的材料均為線彈性，用彈性模量E和泊松比μ來表征。

層間接觸狀態：假設各結構層完全連續，用Tie進行約束。

荷載條件：選用標準軸載100kN，忽略輪胎壁剛度的影響，接地壓力取胎壓為0.707MPa，按單輪荷載計算，簡化為圓形，直徑為30cm。

模型及單元類型：建立軸對稱模型，采用線性CAX4R單元。

模型尺寸：8m（徑向）×7m（深度方向），由于是軸對稱模型，故實際尺寸為4m×7m，其中，考慮土基深度為6.1m。

邊界條件：土基底面固定，軸線及周邊施加水平方向約束。

計算范圍：荷載中心線處瀝青加鋪層層底徑向應力（圖1中A點）、加鋪層層頂彎沉（圖1中B點）；荷載中心線處及荷載邊緣處沿瀝青加鋪層厚度方向剪應力（圖1中AB、CD、EF線）；土基頂面壓應變（圖1中G點）[8-10]。

1.2有限元幾何模型及網格劃分

有限元幾何模型及網格劃分如圖2所示。

圖2　軸對稱有限元模型

1.3計算參數

借鑒國外已完成的碎石化工程的部分研究成果，再結合國內道路工程材料經驗值，同時考慮不同的瀝青加鋪層、碎石化層類型以及半剛性基層的不同工況組合，具體的計算參數取值見表1。

表1　路面結構參數和材料參數

表1中，當瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度為25cm、模量為700MPa，半剛性基層模量為1 200MPa，土基模量為30MPa，將此時的路面視為典型的碎石化路面結構。

2　碎石化路面結構力學響應

2.1土基模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，半剛性基層模量取1 200MPa，然后將土基模量依次取為30MPa、80MPa、150MPa，計算結果如下。

2.1.1瀝青層應力

圖3為不同土基模量條件下瀝青層徑向應力。由圖3可見，當碎石化層模量為700MPa時，土基模量在30~150MPa內變動，在荷載作用區域內均將出現拉應力，荷載中心線所對應的層底（圖1中A點）拉應力最大，可達0.1MPa左右；土基剛度對瀝青加鋪層層底應力、瀝青加鋪層深度范圍內的徑向應力的影響很小；在0.7倍深度的位置開始出現層底拉應力。

圖3　不同土基模量條件下的徑向應力

圖4為不同土基模量條件下荷載作用區域瀝青層深度方向剪應力。由圖4可見，土基剛度對瀝青加鋪層深度范圍內的剪應力影響均很小；輪跡外側邊緣處沿深度方向的剪應力明顯大于荷載中心線處的剪應力，剪應力沿深度方向先增大后減小，最大剪應力出現在加鋪層深度方向的中間位置。

圖4　不同土基模量條件下沿深度方向的剪應力

2.1.2土基頂面壓應變及路表彎沉

圖5、圖6分別為不同土基模量條件下土基頂面的壓應變與加鋪層路表彎沉。從圖5、圖6中可見，土基剛度對土基頂面壓應變及加鋪層路表彎沉都會產生較大的影響，但如果土基模量超過80MPa，那么這種影響就開始逐漸減小；土基模量越大，則土基頂面壓應變和路表彎沉越小；土基頂面壓應變的變化趨勢與加鋪層路表彎沉的變化趨勢一致，這說明采用土基頂面壓應變控制路面彎沉具有一定的合理性。

圖5　不同土基模量條件下土基頂面壓應變

2.2舊路基層模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，然后將舊路基層的模量依次取為300MPa、1 200MPa、2 000MPa，計算結果如下。

圖6　不同土基模量條件下加鋪層路表彎沉

2.2.1瀝青層應力

圖7為不同舊路基層模量條件下徑向應力。從圖7中可見，當碎石化層模量為700MPa時，舊路基層模量在300~2000MPa內變動，在荷載作用區域內都將出現拉應力，荷載中心線處拉應力可達0.1MPa左右；舊路基層模量越小，加鋪層層底拉應力越大，但當模量大于1 000MPa時，舊路基層模量對加鋪層層底應力影響不明顯。

圖7　不同舊路基層模量條件下徑向應力

圖8為不同舊路基層模量條件下荷載作用中心線及邊緣處沿深度方向的剪應力。從圖8中可見，在舊路基層模量較小時，舊路基層模量對加鋪層豎向剪應力有一定影響，模量較大時影響不明顯。

圖8　不同舊路基層模量條件下沿深度方向的剪應力

2.2.2土基頂面壓應變及路表彎沉

圖9、圖10分別為不同舊路基層模量條件下土基頂面壓應變與加鋪層路表彎沉。從圖9、圖10中可以看出，舊路基層模量對土基頂面壓應變及加鋪層路表彎沉都會產生較大的影響，但當舊路基層模量超過1 000MPa時，這種影響開始逐漸減小；舊路基層模量越大，則土基頂面壓應變及加鋪層路表彎沉越小。

圖9　不同舊路基層模量條件下土基頂面壓應變

2.3碎石化層模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1200MPa， 碎 石 化 層 模 量 分 別 取 300MPa、700MPa、1 500MPa，計算結果如下。

圖10　不同舊路基層模量條件下加鋪層路表彎沉

2.3.1瀝青層應力

圖11為不同碎石化層模量條件下瀝青層層底徑向應力。從圖11中可見，當碎石化層模量較大（1 500MPa左右）時，整個加鋪層層底都處于受壓狀態，這個剛度值處在半剛性基層模量范圍內，因此對于半剛性基層的加鋪路面結構，一般無需驗算加鋪層層底應力。而當碎石化層模量較小（一般小于1 000MPa）時，加鋪層層底開始出現拉應力，模量越小，拉應力大小及區域也越大，當模量達到300MPa（典型級配碎石模量值）時，加鋪層層底拉應力急劇增大，這就意味著，對于級配碎石加鋪路面和具有較低碎石化層模量的碎石化加鋪路面，都需要進行層底拉應力的驗算。

圖11　不同碎石化層模量條件下徑向應力

圖12為不同碎石化層模量條件下荷載作用區域瀝青層深度方向剪應力。從圖12中可見，碎石化層模量對瀝青加鋪層深度范圍內的剪應力影響很大，模量越小，則剪應力越大，當模量降低到300MPa（典型級配碎石模量值），最大豎向剪應力達0.23MPa，說明模量較小的碎石化層模量不但使得瀝青層層底拉應力增大了，還增大了豎向剪應力。

圖12　不同碎石化層模量下沿深度方向的剪應力

2.3.2土基頂面壓應變及路表彎沉

圖13、圖14分別為不同碎石化層模量條件下土基頂面壓應變與加鋪層路表彎沉。由圖13、圖14可見，碎石化層模量對土基頂面壓應變及加鋪層路表彎沉均有一定的影響（尤其是碎石化層模量較小時），但當碎石化層模量大于500MPa以后，這種影響開始減小；碎石化層基層模量越大，則土基頂面壓應變及加鋪層路表彎沉越小。

圖13　不同碎石化層模量條件下土基頂面壓應變

圖14　不同碎石化層模量條件下加鋪層路表彎沉

2.4碎石化層厚度的影響

將表1中瀝青層厚度取為20cm，碎石化層模量取700MPa，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1 200MPa，然后碎石化層厚度依次取20cm、25cm、30cm，計算結果如下。

2.4.1瀝青層應力

圖15為不同碎石化層厚度條件下瀝青層層底徑向應力。從圖15中可見，碎石化層厚度對加鋪層應力的影響非常小。

圖15　不同碎石化層厚度條件下徑向應力

圖16為不同碎石化層厚度條件下荷載作用區域瀝青層深度方向剪應力。從圖16中可見，碎石化層厚度對加鋪層剪應力的影響也非常小。

2.4.2土基頂面壓應變及路表彎沉

圖17、圖18分別為不同碎石化層厚度條件下土基頂面壓應變與加鋪層路表彎沉。從圖17、圖18中可見，碎石化層厚度對土基頂面壓應變有一定的影響，但對加鋪層路表彎沉的影響不大。

圖16　不同碎石化層厚度條件下沿深度方向的剪應力

圖17　不同碎石化層厚度條件下土基頂面壓應變

圖18　不同碎石化層厚度條件下加鋪層路表彎沉

2.5加鋪層厚度的影響

將表1中碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1 200MPa，然后變化瀝青加鋪層厚度，依次取10cm、20cm、30cm，計算結果如下。

2.5.1瀝青層應力

圖19為不同加鋪層厚度條件下瀝青層層底徑向應力。從圖19中可見，加鋪層厚度大小對加鋪層應力影響很大。當加鋪層厚度小于10cm時，加鋪層層底各處均受壓；當厚度超過10cm時，外部荷載作用下層底局部區域開始受拉。而國外研究表明，碎石化加鋪路面的厚度通常在20cm以上，所以，碎石化層層底都會產生拉應力。

圖19　不同加鋪層厚度條件下徑向應力

圖20為不同加鋪層厚度條件下荷載作用區域瀝青層深度方向剪應力。從圖20中可見，加鋪層厚度大小對加鋪層剪應力有一定的影響。對薄加鋪層，荷載邊緣處沿深度方向的最大剪應力比厚加鋪層要大；而荷載中心線處沿深度方向的剪應力的規律恰好相反。

圖20　不同加鋪層厚度條件下沿深度方向的剪應力

2.5.2土基頂面壓應變及路表彎沉

圖21、圖22分別為不同加鋪層厚度條件下土基頂面壓應變與加鋪層路表彎沉。從圖21、圖22中可以看出，加鋪層厚度的變化會對土基頂面壓應變和加鋪層路表彎沉產生一定的影響，加鋪層厚度越小，則上述兩項指標越大，但當加鋪層厚度達到20cm以后影響不明顯，這說明碎石化加鋪路面加鋪層厚度（一般大于20cm）對彎沉及土基頂面壓應變的影響不大。

圖21　不同加鋪層厚度條件下土基頂面壓應變

圖22　不同加鋪層厚度條件下加鋪層路表彎沉

3　結論

通過對碎石化層材料屬性的分析，利用ABAQUS有限元軟件建立了含碎石化層的瀝青加鋪路面結構模型進行計算研究，得出如下結論。

（1）含碎石化層的瀝青加鋪路面，在車輪荷載作用中心點及周圍一定區域范圍內，瀝青加鋪層層底受拉；當碎石化層模量較低（接近300MPa）或加鋪層過厚（超過20cm）時，層底拉應力較大（最大可達0.26MPa），在重載作用下，層底拉應力更大；層底拉應力對土基模量、舊路基層模量、碎石化層厚度不敏感。若為高速公路或一級公路的加鋪路面，交通當量軸載次數大于107，加鋪層材料劈裂強度偏低時，會使得加鋪層層底容許壓應力偏小（0.13~0.20MPa），如表2所示。鑒于此，對于碎石化道路有必要驗算瀝青層層底拉應力指標。

表2　瀝青加鋪層容許拉應力

（2）為使瀝青層層拉應力峰值不至于過大甚至超過容許拉應力，使得受拉區域控制在一定范圍以內，同時為降低加鋪層豎向剪應力及土基頂面壓應變，碎石化層的模量不宜太小，建議控制在500MPa以上。

（3）碎石化層模量在1 000MPa以下時，提高其模量對降低計算彎沉貢獻大，碎石化層模量在1 000MPa以上時，提高其模量對降低彎沉貢獻不大。另外，考慮到碎石化層模量越大，破碎越不徹底，加鋪路面產生反射裂縫的可能性也越大，碎石化層模量建議控制在1 000MPa以下。

（4）舊路基層模量越大，對碎石化層上加鋪的瀝青層層底應力的影響越小，但可降低土基頂面壓應變，并且對降低路表彎沉貢獻較大；隨著土基模量的增大，土基頂面壓應變、路表彎沉均會降低。因此，在碎石化施工時應盡量減少施工對舊路基層和土基的影響，勿大幅降低其模量。

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Asphalt Overlay Pavement Structure with Rubblized Layer

SHEN Li,LIU Guo-min
(Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu 611130,China)

A asphalt-overlay pavement structure model was established by using ABAQUS FEM soft?ware to study the effect of the modulus of soil foundation,old subgrade and rubblized layer,as well as the depth of rubblized layer and asphalt overlay on the mechanical response of asphalt-overlay pave?ment structure with rubblized layer,in addition to determine the control range of the modulus of rub?blized layer.The conclusions showed that:in a certain range around the loading center,the stress was tensile at the bottom of asphalt layer;the tensile stress at the bottom of asphalt layer was insensitive to the modulus of soil foundation,the modulus of old base and the depth of rubblized layer;when the modu?lus of rubblized layer was smaller than 300MPa,or the depth of asphalt overlay was greater than 20cm, the tensile stress at the bottom of asphalt layer was greater,especially under the action of heavy load. Therefore it′s necessary to check and calculate the tensile stress index of asphalt overlay.In order to en?sure the peak value of the tensile stress at the bottom of asphalt layer not exceed the allowable tensile stress so that the tensile area can be limited to a certain range,meanwhile to reduce the vertical shear stress of asphalt and the compressed strain at the top of soil foundation for achieving the effect of prevent?ing reflective cracking,the modulus of rubblized layer should be controlled at 500~1000MPa.

rubblization;asphalt overlay;mechanical response;stress;strain

U416.01

A

2095-9931（2015）01-0114-08

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.019

2014-11-17