设置应力吸收层的路面结构应力分析

赵文美

摘要：现阶段对于旧水泥混凝土路面维修改造的主要方法及手段是在其上加铺一层沥青面层，而由于车辆荷载的长期作用，反射裂缝的出现及扩大成为目前路面结构最为关键的问题。根据国内外已有的对于防止反射裂缝的研究成果，拟采用在旧水泥混凝土路面及沥青加铺层之间加入应力吸收层来减缓反射裂缝带来的危害。本文运用有限元分析软件建立加入了应力吸收层的路面结构的有限元模型，通过在模型上加载车辆荷载来模拟路面结构的实际受力情况，再通过有限元分析软件的后处理得出路面结构应力随时间的变化规律。通过对加入不同厚度的应力吸收层的路面结构的应力结果进行分析和对比发现，应力吸收层减缓反射裂缝的产生与扩展的最合理厚度为2 ～4 cm。

关键词：应力吸收层；路面结构；反射裂缝；应力；厚度

中图分类号：S773.2：U416.2

文献标识码：A

文章编号：1001-005X（2015）04-0123-04

目前，我国的道路正处于飞速发展的阶段，公路里程在逐年增加，截止到2012年底，我国的公路总里程已达423.8万km。公路运输在国民经济中扮演了越来越重要的角色。但随着我国经济社会和科学技术的发展，人们对交通的需求和期望在不断提高。交通量的剧增，车辆轴载的加重，车速的提高都对路面结构有了更高的要求，路面结构的强度、刚度、稳定性、耐久性都需要有相应更大的提高。同时，已建公路的维修和养护随着道路使用年限的增加也显得尤为重要。但正是由于道路使用要求与实际路面状况的不匹配，出现了破碎、裂缝、坑槽、车辙等病害。也正是因为这些病害的出现，严重影响了道路的使用性能，同时对行车安全也构成威胁。因此，对于这些道路病害的防治也就成为如今道路建设和维护的主要任务。而对于其中的路面反射裂缝的防治，目前国内外普遍采用的一种方法是在旧水泥混凝土路面和沥青加铺层之间加入应力吸收层。对于应力吸收层，其组成材料的弹性模量很低，使得其柔性很好，在车辆荷载作用下，其能够吸收部分由旧水泥混凝土路面裂缝处所产生的應力，减缓了应力集中现象，从而对反射裂缝起到缓冲的作用。然而应力吸收层过薄，其减缓反射裂缝的效果不佳，反射裂缝会很快传至路面最上层；应力吸收层过厚，则会破坏路面结构的整体性，影响路面的整体受力，其低弹性模量的优势反而会成为不足。为了更好的防治反射裂缝，对应力吸收层的合理厚度进行研究。

1有限元建模

1.1 基本假定

旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层容易产生反射裂缝，应力吸收层减缓反射裂缝的产生和扩展的研究重点是旧水泥混凝土路面裂缝处沥青加铺层的应力。对于裂缝而言，只有在很高的温度条件下才会出现粘弹性性状；而在大多数情况下，裂缝处都属于线弹性体系，因此避开次要因素，考虑主要因素，将整个路面结构假定为线弹性体来研究。

在施加车辆荷载时，为了使整个路面结构整体受力，将路面结构假定为层间连续。为了使所建模型更加接近路面结构的真实情况，假定地基底面为全约束，而对于地基的四个侧面则是将其水平方向的位移值约束为零。同时为了简化计算，这里忽略了路面结构本身的自重。

1.2 有限元模型

对于路面结构，采用三维八节点等参元实体模型，并赋予其材料参数，具体数值见表1。

在完成了对模型材料参数的赋予后，即可进行路面结构实体模型的建立。其中，为了使模型更符合实际情况，对于地基，采用扩大尺寸来模拟。同时对于主要研究对象反射裂缝而言，通过在旧水泥混凝土路面上设置无传力能力的1cm接缝来实现。具体建模尺寸及模型实例如图1～2所示。

在对已有路面结构实体模型进行网格划分之前，首先要对所建路面结构进行布尔运算，而进行布尔运算的目的就是要使整个路面结构实体模型成为一个整体，从而保证其在车辆荷载作用下整体受力。在这里，采用布尔运算中的粘结（Glue）对所建实体模型进行整合，使其各结构层均匀连续，符合假定要求。而后即可对实体模型进行网格划分生成有限元模型。对于网格划分，为了追求数据结果的精确性，采用划分细度为2的自由划分对路面结构的整体进行划分，划分结果如图3～4所示。

1.3 路面结构车辆荷载

由于要对路面结构进行动力学分析来符合路面的实际情况，采用瞬态动力学的方法对其进行研究。对于该路面结构上所施加的车辆荷载采用标准轴载BZZ-100，即双轮单轴载为100kN。每个车轮的作用面上的荷载均等效为18.9cm×18.9cm的正方形均布荷载，其接触面积为357.21c㎡，且每侧两个车轮的间距为32cm，两侧轮隙间距为182cm，其具体的模型尺寸如图2所示。

2 路面结构应力分析

2.1 沥青加铺层顶面应力

沥青加铺层顶面是与车辆荷载直接接触的路面结构层，其受到车辆荷载的影响最大，由此产生的病害也最多，其直接影响到路面行车的舒适与安全；然而对于反射裂缝而言，其传至沥青加铺层顶面的时间也最长。所以对于它的应力分析尤为重要，具体分析过程如图5所示。

从图5可以看出，对于车辆荷载作用下的沥青加铺层顶面的最大拉应力，其随着应力吸收层厚度的增加（从1～7cm）在不断变小，但其只从0.500MPa减少至了0.483MPa，减小的幅度只有3.39%，可见应力吸收层厚度的增加对于减少沥青加铺层顶面的最大拉应力的效果不明显。

沥青加铺层顶面应力随吸收层厚度的变化如图6所示。

从图6可以看出，对于沥青加铺层顶面的等效应力，随着应力吸收层的厚度由1cm增加到7cm，其自身的值则由0.300MPa减少到0.261MPa，减少了12.58%。虽然较沥青加铺层顶面的最大拉应力减少的幅度有了一定增加，然而幅度仍然不大，即增加应力吸收层的厚度对于减少沥青加铺层顶面的等效应力的作用仍然不大。

沥青加铺层顶面应力T_max缸随吸收层厚度的变化如图7所示。

从图7可以看出，对于沥青加铺层顶面的最大竖直剪应力，其随着应力吸收层的厚度的增加，其应力值从0.158MPa变到了0.121MPa，降幅为22.5%。同上述两种应力相比，其随着应力吸收层厚度的增加应力值有了较大幅度的提高，但就上述三种应力的综合比较和分析来看，应力吸收层厚度的增加对于沥青加铺层顶面应力的消散作用不大。

2.2 沥青加铺层底面应力

沥青加铺层底部是与应力吸收层直接接触的路面结构，也是最容易受到应力吸收层影响的受力面；同时在车辆荷载作用下，由旧水泥混凝土路面接缝引起的反射裂缝经过应力吸收层也是最先到达此结构面的。因此，此结构面的应力分布情况对于了解应力吸收层防反射裂缝的效果十分重要。下面就对此结构面进行具体的应力分析，如图8所示。

由图8可知，沥青加铺层底面最大拉应力值是随着应力吸收层的厚度的增加而减少的，当应力吸收层的厚度由1cm增加至7cm，其应力值也相应地由0.637MPa变至0.393MPa，共降低了38.02%，降幅较大。但从图上可知，当应力吸收层的厚度增加至4cm以上时，应力吸收层厚度的增加对于减少沥青加铺层层底最大拉应力的趋势开始逐渐变缓，而过小厚度的应力吸收层又对防止反射裂缝起不到作用，由此初步认为2～4cm为防止反射裂缝的应力吸收层的合理厚度。

对于等效应力而言，如图9所示。由图9可知，其与沥青加铺层底最大拉应力值随应力吸收层厚度的变化而变化的规律大致一样，等效应力值由最初的0.538 MPa变化至0.342MPa，共降低了36.23%，而且等效应力值在应力吸收层为4cm以上时，其减少的幅度也开始变小，所以应力吸收层的合理厚度仍然取为2～4cm。

由图10可知，沥青加铺层底的最大竖直剪应力值随应力吸收层的厚度增加在减小，当应力吸收层厚度从1cm增加至7 cm时，最大竖直剪应力值从0.294MPa减少至0.170MPa，减少了41.89%，降幅很大，应力吸收层厚度的增加对于沥青加铺层层底最大竖直剪应力的消散效果很好。

根据以上分析可知，对于消散沥青加铺层层底应力的应力吸收层的合理厚度为2～4cm。

3 结论

利用有限元軟件，对在车辆荷载作用下不同厚度应力吸收层的路面结构进行了应力分析，得到如下结论。

（1）在车辆荷载作用下，路面结构的最大应力出现在旧水泥混凝土路面的接缝处，即此处相对应的沥青加铺层底部为最不利受力点。

（2）应力吸收层厚度的增加对于沥青加铺层底面应力的消散作用要比沥青加铺层顶面效果明显。

（3）对加入了不同厚度应力吸收层的路面结构在车辆荷载作用下产生的应力进行分析发现，应力吸收层减缓反射裂缝的产生与扩展的最合理厚度为2～4cm。