路面沥青加铺层层底荷载应力三维有限元分析

郝金东，张万辉，杨素超

(重庆交通大学 土木建筑学院， 重庆 400074)

目前，国内早期建成的水泥混凝土路面已出现了不同程度的破坏，逐渐不能满足交通运输服务的需求.因此，需要对水泥混凝土路面进行大修改造.最常见的改建方法是在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混合料罩面层，其突出的优点在于其下层有高强度的水泥混凝土路面板作为基层，可以承受较大的汽车荷载，上层的沥青加铺层又能显著地改善路面使用性能，降低噪声和扬尘，提高行车的舒适性和安全性[1]，而且造价低廉、工期短、对交通和环境的影响较小.但是，旧水泥混凝土路面上存在着接缝和裂缝，在荷载应力和温度应力的重复作用下，沥青加铺层在对应于旧路面板接缝、裂缝的位置上极易出现新的裂缝，这种裂缝常称之为反射裂缝.由于反射裂缝的存在，不仅破坏了路面的整体强度，而且一旦地表水沿着反射裂缝向下渗透,容易导致面层逐渐失粘脱落，路基强度降低，大大缩短了沥青罩面层的使用寿命.因此，反射裂缝问题是旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层所面临的一大难题.当车辆接近并驶过裂缝时，在裂缝附近产生了拉—剪切—拉的作用，当拉应力或剪应力超过沥青混合料的强度极限时便产生张开型和剪切型裂缝并扩展，这种由交通荷载引起的裂缝我们称之为荷载型反射裂缝.本文针对引起荷载型裂缝荷载应力的几个影响因素进行研究.

1 建立有限元模型

研究对象由沥青加铺层、带有裂缝或接缝的水泥混凝土路面和基础组成，建立空间三维模型.为了便于理论分析，采用如下假设[2]：各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；各层层间竖向、水平位移均连续；基础底面各向位移为0，基础侧面水平方向位移为0；不计路面结构的自重影响；地基为弹性半空间地基；接缝宽度假设为0.5 cm且接缝处无传荷能力.为了反映半无限大空间基础的特性，基础采用扩大尺寸来模拟，沥青加铺层、水泥混凝土路面和基础等结构层采用8节点实体单元SOLID45[3]进行应力分析,路面结构各层材料的厚度、弹性模量、泊松比如表1所示.

表1 路面结构计算参数Tab.1 Calculation parameters of pavement’s structure

2 计算参数

拟定计算参数：水泥混凝土路面板长L=5 m，宽度B=3.5 m，厚度h=24 cm.取基础不同尺寸计算误差分析，综合考虑实际，基础尺寸拟定为 12 m×5.5 m×8 m,行车荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7 MPa，单个轮压作用范围18.9 cm×18.9 cm，接触面积为357.21 cm2，双轮间距为32 cm，两侧轮隙间距为182 cm.经过不同荷位计算分析比较，车轮荷载作用在接缝一侧中部的偏荷载对加铺层最为不利，也就是非对称荷载作用[2]，布载方式如图1所示.路面结构的三维有限元模型如图2所示.

图1 最不利荷载位置示意图Fig.1 Traffic loads at most disadvantaged positons

图2 路面结构有限元模型Fig.2 Finite element model of pavement’s structure

3 沥青加铺层的厚度对层底荷载应力的影响

增加沥青加铺层的厚度，一方面可以降低加铺层层底的拉应力，另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低裂缝处的弯沉量和弯沉差，减小加铺层的剪切应力，而且裂缝扩展到路表的时间也就越长，防止或延缓反射裂缝的效果越好[4].但加铺层的厚度也不能无限度地增加，一是经济上是不可行的，二是加铺层过厚也易产生车辙，影响路面的使用性能.由于在非对称荷载作用下，路面结构主要发生剪切型反射裂缝，所以只对沥青加铺层层底产生的最大剪应力τmax和有效应力σe与沥青加铺层厚度的关系进行分析,分析结果如图3所示.

图3 沥青加铺层厚度的变化对接缝处荷载应力的影响比较Fig.3 Joint’s stress comparing with the thickness changing of asphalt overlays

由图3可知，在最不利荷载位置的非对称荷载作用下，水泥混凝土接缝处或裂缝处的沥青加铺层层底最大剪应力、等效应力随着加铺层厚度的增加而减小，在6 cm到10 cm左右时应力下降的幅度较大，再随着加铺层的增加应力下降的幅度缓慢.由此可见，在交通荷载作用下，增加沥青加铺层的度，有利于降低加铺层层底的剪应力集中，对延缓剪切型反射裂缝发生和发展的速度是很有效的.

4 轴载重量对加铺层层底荷载应力的影响

目前，许多公路超载、重载现象十分严重，使路面结构遭到了加速破坏，所以有必要对沥青加铺层结构在不同荷载作用下的应力状态进行分析.

图4 轴载重量变化对接缝处荷载应力的影响比较Fig.4 Joint’s stress comparing with the loads changing

从图4中可以看出，随着车辆轴载的增加，水泥混凝土接缝处或裂缝处的沥青加铺层层底最大剪应力、等效应力都逐渐增加，与轴载基本成线性增加，说明轴载压强对路面的影响显著，所以要严格限制超载车辆的运营.

5 结 论

通过对旧水泥混凝土路面沥青加铺层在交通荷载作用下的三维有限元分析，可得到以下结论：

(1)在交通荷载作用下，随着沥青加铺层厚度的增加，沥青层底的应力减小.所以，增加沥青加铺层的厚度，降低裂缝尖端的应力集中程度，可以抑制反射裂缝的产生和发展.加铺层厚度在6～10 cm时，应力下降幅度最为显著，再随着加铺层的增加应力下降的幅度缓慢，所以建议沥青加铺层的厚度在大约10 cm为宜.

(2)在施加静载的条件下，随着车辆轴载的增加，沥青层底的应力逐渐增大，与轴载基本呈线性关系，轴载压强对路面结构的影响显著.因此，严格限制超载超限车辆运营具有十分重大的意义.在设计水泥混凝土路面沥青加铺层时，应对重载的不利影响充分考虑.

参考文献：

[1] 陈 林,刘福军.旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝处治方案的探讨[J].交通标准化，2007，(10):1-2.

[2] 郑建龙,周志刚,张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京：人民交通出版社,2003.41-55.

[3] 张 研.沥青混凝土路面病害与加铺层的力学分析[D].西安：长安大学，2005.7-10.

[4] 周 孔.水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的机理分析和防治措施[J].华东公路，2009，(2):1-3.