瀝青砼路面基層及面層模量參數分析研究

鄧志軍

(郴州市財政事務中心，湖南 郴州 423000)

半剛性基層瀝青砼路面是中國高等級公路的典型路面結構形式。隨著經濟的發展，交通量及軸重增大，對路面結構和施工水平提出了更高要求。目前，瀝青砼路面普遍存在的技術和質量難題主要是耐久性及早期破壞較嚴重，其病害多表現為裂縫。而半剛性基層瀝青砼路面結構中基層及面層的彈性模量對結構影響較顯著。該文通過ANSYS建立半剛性基層瀝青砼路面結構有限元模型，分析在標準軸載作用下不同面層及基層彈性模量參數對結構受力及變形的影響效應，為瀝青砼路面設計及施工提供依據。

1 路面結構參數及加載方式

目前，多使用層狀彈性理論體系模擬瀝青路面結構，該體系廣泛應用于圓形荷載作用下層狀彈性體內應力與位移研究。采用4層路面結構體系(各結構層的材料性能及厚度見表1)，以半剛性基層瀝青砼路面結構為研究對象，對路面結構面層及基層模量的敏感性進行對比分析。

表1 計算路面結構

根據《公路瀝青路面設計規范》，取雙圓垂直均布荷載，當量圓直徑為10.65 cm，圓心間距為31.95 cm。在路表相應位置施加荷載，垂直荷載取標準軸載BZZ-100，荷載集度為0.707 MPa，單輪傳壓面當量圓直徑d=21.3 cm，兩輪中心距為1.5d。

2 瀝青砼路面有限元模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立半剛性基層瀝青砼路面有限元模型，局部尺寸為4.5 m×5 m，采用四節點等參數單元(見圖1)。

圖1 結構有限元模型

為使模擬結果貼近實際工程，對邊界條件作如下假設：模型中x方向為橫向位移，y方向為豎向位移；底部約束y方向位移，上表面自由。對材料特性及結構特性作如下假定：1) 各層材料均符合連續、完全彈性、均質、各向同性等規定，且位移與變形滿足小變形假定的要求；2) 底層的水平和豎直方向均為無窮大，其他層厚度均有限，水平方向假定為無窮大；3) 各層水平方向無限遠處及豎直方向無限深處的應力、形變與位移均為零；4) 層間接觸情況為位移完全連續或層間僅豎向應力和位移連續而無摩阻力；5) 不計自重。

基于前述假設及荷載選取，采用有限元軟件分析路面結構在不同面層和基層模量下的應力及位移變化情況。

3 計算結果分析

利用表1中路面各層結構參數和ANSYS計算模型進行結構受力分析，得到路面結構變形及應力(見圖2、圖3)，研究半剛性基層瀝青砼路面面層及基層模量參數變化時應力及位移的變化情況。

圖2 路面結構豎向位移(單位：m)

圖3 路面結構y方向應力(單位：MPa)

3.1 不同面層模量下路面結構受力性能

分別考慮面層模量為1 400、2 800、4 200 MPa 3種情況，采用ANSYS有限元模型對半剛性基層瀝青砼路面結構應力及變形進行計算分析，計算結果見表2和圖4～6。

由表2、圖4～6可知：隨著面層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結構的豎向位移和最大應力逐漸減小，最大剪應力逐漸增大；模量增至一定程度后，隨著模量的繼續增大，其對結構變形、最大應力及最大剪應力的影響減小。

表2 面層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構受力性能的影響

圖4 面層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構豎向變形的影響

圖5 面層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構最大應力的影響

圖6 面層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構最大剪應力的影響

3.2 不同基層模量參數下路面結構受力性能

分別考慮基層模量為700、1 500、2 500、3 500 MPa 4種情況，計算半剛性基層瀝青砼路面結構應力及變形，結果見表3和圖7～9。

表3 基層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構受力性能的影響

圖7 基層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構豎向變形的影響

圖8 基層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構最大應力的影響

圖9 基層模量對半剛性基層瀝青砼路面結構最大剪應力的影響

由表3、圖7～9可知：隨著基層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結構的豎向位移和最大剪應力逐漸減小；模量增至一定程度后，隨著模量繼續增大，其對結構變形及最大剪應力的影響減小；隨著基層模量的增大，最大應力先增大后減小。

4 結論

(1) 隨著面層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結構的豎向位移、最大應力減小，最大剪應力增大；隨著基層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結構的豎向位移及最大剪應力減小，最大應力先增大后減小。

(2) 隨著基層模量的增加，半剛性基層瀝青砼路面結構的豎向變形減小，一定程度上可通過減小面層厚度進行路面結構變形控制；隨著基層模型的增大，結構的抗剪性能提高，在面層模量不變的情況下，增加半剛性基層瀝青砼路面結構的基層模量能大幅度降低基層受拉開裂風險。