半柔性水泥乳化沥青加铺结构力学响应分析

江睿南，朱宝林，陈 景

（交通运输部科学研究院道路结构与材料研究中心，北京 100029）

0 引言

为了节省资金，减少对交通的影响，往往需要对不满足使用性能的旧水泥路面进行加铺改造。水泥乳化沥青混合料是一种具有有机及无机特性的材料，具有优良的抗剪性能、强度、疲劳性能及层间粘结作用，能够用于旧水泥路面的加铺改造。

本文应用ANSYS软件在弹性层状体系理论的基础上，通过对带有半柔性水泥乳化沥青加铺层的旧水泥混凝土路面结构进行力学响应分析，并结合影响路面结构受力的主要因素确定半柔性水泥乳化沥青加铺层的合理厚度。

1 建立加铺层路面结构有限元模型

根据力学分析经验选用5m×4.5m作为路面各结构层平面尺寸，而基础选用9m×10m的扩大平面尺寸，路面结构总深度取6m。模型中各结构层材料用SOLID45（热力学分析时为SOLID70）单元进行模拟，旧水泥混凝土路面与基础之间为非完全连续状态；其他结构层之间假设为完全连续状态。带有加铺层的旧水泥混凝土路面结构有限元模型见图1。

图1 带有加铺层的旧水泥混凝土路面结构有限元模型

轮胎接地压力取0.7MPa，接地形状简化为0.2m×0.2m的正方形。鉴于当荷载作用在路面中部接缝一侧时，加铺层路面会处于最不利受力状态[3]，因此，本文的力学分析中只考虑荷载作用在路面接缝一侧的情形，计算加铺层受力的带有约束和荷载（单一车辆荷载或车辆荷载与温度荷载耦合）的路面结构有限元模型见图2。

图2 带有约束及荷载的路面结构有限元模型（带接缝、计算加铺层受力）

建模过程中的基本假设如下：

a）各结构层材料为均质、连续、各项同性的弹性体；

b）除基础与旧水泥混凝土路面间界面外，其他各结构层间竖向、水平位移连续；

c）基础与旧水泥混凝土路面之间简化成摩擦接触，且接触界面竖向位移连续；

d）各结构层侧面水平方向位移为零，基础底面各向位移为零；

e）不计路面结构的自重影响；

f）接缝宽度假设为1cm，且接缝处无传荷能力。

建模过程中的材料参数取值见表1。

表1 各结构层的材料参数

2 半柔性加铺层厚度对半柔性加铺层受力的影响

目前，本文分别从单层沥青层（厚4cm）和双层沥青层（厚10cm）两方面研究半柔性水泥乳化沥青混合料的合理厚度，半柔性水泥乳化沥青混合料的厚度根据施工经验和下面层材料厚度选用9cm、10cm、11cm和12cm。路面热力学分析中模型参考温度为年平均温度（17℃），降温幅度为10℃，力学分析时主要考虑夏季高温情况影响。

为验证高频交变压力下先导式溢流阀主阀口出现异常开启情况，搭建测试平台，如图9所示。定量泵提供的82 L/min流量经转阀流回油箱。转阀在换向过程中，阀口面积总是按“零—最大—零”周期变化，类似于一个直径可变的阻尼孔：当阀口面积接近于零时，在转阀前形成压力冲击，压力升高；当阀口面积最大时，系统压力降低。通过改变转阀的转速，来改变转阀的换向频率，因此该试验平台能产生高频交变压力。

2.1 单一交通荷载情况

单一交通荷载情况下，不同半柔性水泥乳化沥青加铺层厚度下的半柔性层底最大拉应力及最大剪应力见表2-表4。

表2 单一交通荷载情况下半柔性层底最大拉应力

表3 单一交通荷载情况下半柔性层底横向最大剪应力

表4 单一交通荷载情况下半柔性层底纵向最大剪应力

半柔性结构层受力分析情况见图3～图5。由图3可知，随着半柔性层厚度的增大，半柔性层底最大拉应力呈减小的趋势，这说明增大半柔性层厚度有利于其抗疲劳开裂。从数值上来看，各种情况下的半柔性层底最大拉应力均小于材料的容许拉应力（0.115MPa），因此可以认为力学分析所选择的半柔性层厚度均可以满足半柔性层抗疲劳开裂要求。

图3 单一交通荷载情况下半柔性层底最大拉应力

图4 单一交通荷载情况下半柔性层底横向最大剪应力SXY变化情况

图5 单一交通荷载情况下半柔性层底纵向最大剪应力SYZ变化情况

由图4可知，半柔性层厚度对其横向最大剪应力SXY影响不大，各种组合形式下，半柔性层底横向最大剪应力SXY变化幅度不超过0.01MPa，且剪应力数值远远小于材料的容许剪应力（0.6MPa），因此，在半柔性加铺层路面结构设计中可以忽略半柔性厚度对其横向最大剪应力的影响。

由图5可知，随着半柔性层厚度的增大，半柔性层底纵向最大剪应力SYZ呈现减小趋势，但变化值小于0.02MPa，且各种组合形式下的半柔性层底纵向最大剪应力远远小于材料的容许剪应力（0.6MPa），因此，在半柔性加铺层路面结构设计中可以忽略半柔性厚度对其纵向最大剪应力的影响。

2.2 温度－荷载耦合情况

温度荷载与交通荷载耦合情况下，不同半柔性水泥乳化沥青加铺层厚度下的半柔性层受力见表5、～表7。

表5 温度-荷载耦合情况下半柔性层底最大拉应力

表6 温度-荷载耦合情况下半柔性层底横向最大剪应力

表7 温度-荷载耦合情况下半柔性层底纵向最大剪应力

图6 温度-荷载耦合情况下半柔性层底最大拉应力

图7 温度-荷载耦合情况下半柔性层底横向最大剪应力SXY变化情况

图8 温度-荷载耦合情况下半柔性层底纵向最大剪应力SYZ变化情况

由图6可知，在温度-荷载耦合模式下，随着半柔性层厚度增加，半柔性层底最大拉应力呈减小趋势。半柔性层厚度从9cm变化为12cm时，4cm沥青加铺层的半柔性层层底最大拉应力减小了0.285MPa，10cm沥青加铺层的半柔性层层底最大拉应力减小了0.296MPa。

对比图3中数据可知，温度-荷载耦合对半柔性层底拉应力影响很大。温度-耦合模式下，半柔性层层底最大拉应力均超过材料的容许拉应力，因此建议在温差较大地区进行旧水泥路面加铺时，应尽量选用较厚的沥青层和较厚的半柔性层。

由图7可知，在温度-荷载耦合模式下，10cm沥青加铺层的半柔性层横向最大剪应力要远远小于4cm沥青加铺层的情况。对比图4中数据可知，温度-荷载耦合模式对半柔性层横向最大剪应力基本没有影响，在耦合模式下，半柔性层底的横向最大剪应力依然远远小于材料的容许剪应力（0.6MPa）。

由图8可知，在温度-荷载耦合模式下，半柔性层纵向最大剪应力随着半柔性层厚度的增大而急剧减小。在耦合模式下的半柔性层横向最大剪应力已经超过本文所规定的材料容许剪应力。

3 结论

3.1 采用ANSYS有限元对半柔性水泥乳化沥青加铺结构进行分析，通过在不同沥青层的厚度下，改变半柔性层的厚度，计算其受力情况。

3.2 单一交通荷载下，若不采用改性沥青，当半柔性加铺层厚度大于10cm，可满足沥青层抗疲劳开裂要求；若采用改性沥青，则常规施工所用的半柔性加铺层厚度即可满足沥青层抗疲劳开裂要求。

3.3 在温度-荷载耦合模式下，当半柔性加铺层厚度大于10cm后，沥青层纵向最大剪应力SYZ即满足要求。

3.4 根据路面结构受力影响分析的结果，并参考常规半柔性水泥乳化沥青下面层混合料施工厚度，推荐的半柔性水泥乳化沥青混合料合理厚度为11cm或12cm。

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