热拌薄层罩面在预防性养护应用中的力学响应分析

深圳高速公路股份有限公司 广东深圳 518131

摘要：本文利用ABAQUS有限元软件对原路面加铺罩面层后的应力响应进行了分析，考察了不同罩面厚度以及超载作用下的剪应力响应，认为水平力的作用将对罩面层表面材料提出更高的抗剪要求，罩面层厚在1.5～2.5cm范围内的增加并不能本质上改善其剪应力响应，2cm的层厚是经济而且合适的。

关键词：热拌薄层罩面；水平力；剪应力；超载

1 概述

热拌薄层罩面是在原有路面上摊铺一层厚度约在1.5-3cm之间的热拌沥青混合料，来防止品质正在下滑的路面继续恶化，改善路面平整度，恢复路表面的抗滑阻力，校正路面轮廓，对原路面也有一定的补强作用。目前，这种预防性养护技术在广东省干线公路上应用较少，本文将从其在荷载下力学响应的角度对其高温稳定性进行分析。

热拌薄层罩面厚度薄，混合料粒径小，高温抗形变的能力自然相对要小一些，同时因为本身层厚的限制，其车辙深度不可能很大，故高温稳定性问题主要体现在层内或层间剪应力过大导致的罩面层推移、拥包上面。本文就将从薄层罩面在荷载作用下的剪应力响应入手，来分析其高温稳定性。

2 原路面结构选取及车辆荷载的简化

基于本文热拌薄层罩面主要应用于广东省的干线公路，与高速公路的路面结构和材料选用有所区别，故选取广东省典型的干线公路路面结构作为分析模型。

车辆荷载简化为矩形均布荷载，轮胎接地压强取0.7 Mpa。考虑到水平力对罩面层剪应力的影响很大，本次分析将对考虑水平力作用与不考虑水平力作用进行比较，水平力系数δ取0.5，即标准轴载作用下水平力为0.35MPa。

图2-1 100kN标准双轮矩形均布荷载图式

3 有限元计算模型

本文利用ABAQUS有限元软件进行力学分析，计算模型沿路宽度方向和行车方向均取2.5m，深度方向土基厚度取1米（此时的计算结果已具有很好的收敛性）；单元类型采用C3D8R（三维8节点线性减缩积分单元）；边界条件假设为底面上没有y 方向位移，左右两面没有x 方向位移，前后两侧没有z 方向位移（经过验算，其他方向约束不影响计算结果）；层间界面假设为各层完全连续。

4 热拌薄层罩面应力分析

本次热拌薄层罩面应力分析主要针对其高温稳定性，故主要分析其在荷载作用下的剪应力响应规律，而路面的剪切破坏主要有两种形式：一种是路面各层层间由于水平剪应力过大导致层间粘结失效而出现层间推移等病害，另一种是在车辆竖向力和水平力综合作用下，路面层产生的剪应力超过了其抗剪强度而出现搓板、拥包等病害。针对这两种破坏形式，本次有限元计算选取水平最大剪应力沿路面纵向的分量τyzmax以及路面各层沿深度方向的最大剪应力来分析。

4.1 不同罩面厚度下的应力分析

罩面厚度分别取1.5cm、2.0cm、2.5cm和3.0cm，各厚度下竖向最大压应力、水平纵向最大剪应力τyzmax及轮迹中心点处沿深度方向的最大剪应力峰值分别见图4-1～4-3。

图4-1 竖向最大压应力随罩面厚度的变化

图4-2 τyzmax随罩面厚度的变化

图4-3 轮迹中心点处最大剪应力峰值随罩面厚度的变化

由图中可以看出，在水平力作用下，竖向最大压应力σymax在罩面层厚度2～3cm范围内变化幅度很小，但在1.5cm时有明显的增加，呈现一个突变点，说明有水平力作用时，罩面层厚1.5cm很可能导致路面出现压密性车辙；τyzmax无水平力作用时随厚度增加而增大，有水平力作用时在层厚1.5～2.5cm范围内几乎没有变化，但到3.0cm时有明显的减幅，见图4-2，说明罩面层厚3.0cm很可能是一个转折点，大于该厚度的罩面剪应力响应会有明显的改善；无论有无水平力作用，轮迹中心点处的最大剪应力峰值均随着厚度增加而逐渐变大，不过变化幅度较小，同时其值均小于对应厚度的τyzmax，说明纵向最大剪应力τyzmax是罩面层材料抗剪强度的控制性指标。

综合以上分析结果，3.0cm时，罩面层的剪应力响应是有所改善的，但考虑到养护工程的经济性，同时，从2cm加厚到2.5cm，罩面层的最大剪应力响应没有得到改善，而从2cm减小到1.5cm，罩面层竖向压应力出现大的增幅，容易出现压密性车辙及层底开裂等病害，故就抗剪性能而言，热拌罩面层厚2cm是经济而且合适的。

4.2 超载作用下的应力分析

干线公路，超载现象十分严重，车辆超载将使得罩面层所承受的累计标准轴次大大增加，从而明显缩短罩面层使用寿命。本节将考虑100%超载和200%超载，来对超载下的路面剪应力响应进行分析。

根据重庆交科院环道试验的研究成果，当车辆超载时，可以认为轮胎充气压力不变，而接地压力随之增加，而且轮胎接地宽度B受荷载变化的影响很小，主要是接地长度的改变。同时，根据交通部公路科研所《重载交通沥青路面轴载换算研究总报告》中的研究结果，轮胎接地压力可以参照如下经验公式进行计算：

（4.1）

式中：p——轮胎接地压力，MPa；

pt——輪胎充气压力，MPa；

P——轴载，kN。

因此，将标准轴载下的数据代入公式（4.1）（p=0.7 MPa，P=100 kN），可得到轮胎充气压力pt=0.4662069 MPa。由上文可知，车辆超载时，pt保持不变，故当超载100%时，单轴轴载即为200kN，代入公式（4.1），可得此时的轮胎接地压力为1.12 MPa，则水平力为0.56 MPa，忽略接地宽度B的变化而仅考虑接地长度的改变，则接地长度L增加为24cm；同理，可得超载200%时，轮胎接地压力为1.54 MPa，水平力为0.77 MPa，接地长度为26.2cm。

计算模型的矩形面积及作用荷载据以上计算结果进行调整，考虑到纵向最大剪应力τyzmax为控制性指标，故选取各罩面厚度有水平力作用时在100%和200%超载下的纵向最大剪应力τyzmax，与标准轴载下进行比较，见图4-4。

图4-4 不同罩面厚度超载作用下的τyzmax增幅比较

由图中可以看出，超载作用时各罩面厚度下的τyzmax均有很大的增幅，但各厚度的τyzmax随超载作用的增加幅度基本相同，厚的罩面层并没有削弱其在超载作用下的剪应力响应，这再次说明，从路面养护的角度，2cm厚的薄层是经济而且合适的。

4.3 纵向最大剪应力τyzmax位置分析

我国道路设计采用作用在多层弹性层状体系上的双圆垂直均布荷载来进行，抗剪强度验算时，需要考虑车辆启动、制动所带来的水平力，并以路表面行车前进方向车轮中心后0.9r（r为单轮当量圆的半径）处为验算点，但对于矩形均布荷载，却没有明确的验算点可循。前文已经指出罩面材料抗剪强度的控制性指标是水平纵向最大剪应力τyzmax，但其具体位置还需进一步的分析。

通过提取各罩面厚度标准轴载并有水平力作用时τyzmax所在点的坐标，其深度方向的位置为：罩面厚度在1.5-2.5cm时，τyzmax均出现在罩面下0.5m处；罩面厚度在3cm时，τyzmax出现在罩面表面。

已有沥青路面应力分析在考虑水平力时也都得出τyzmax出现在路面表面的结论，其路面上面层厚度一般取为4cm，同时联系到3.0cm时τyzmax有明显的减幅，因而可以认为，面层厚度在3.0cm以上时，路面的剪应力响应会有质的变化，3.0cm以下时面层会显示出整体刚度的不足而在表面区域附近位置出现应力集中的现象，而这也反映了薄层罩面不宜作为路面结构层的特点。

τyzmax的平面位置，1.5～2.5cm层厚与3.0cm层厚也呈现出明显的差异，图4-5中的矩形即为矩形均布荷载作用范围，其中的C点即为τyzmax所在位置，箭头方向为水平力作用方向，图中可以看出，1.5～2.5cm层厚时，τyzmax均出现在矩形沿水平力方向后边角处，而3.0cm时，其位置向矩形中前方有较大的移动。

图4-5 不同罩面厚度下τyzmax的位置

由τyzmax所在位置的不同可以看出，3.0cm厚的罩面层与1.5～2.5cm厚的罩面层在剪应力响应方面有明显的区别，同时也说明路面剪应力验算点是随着面层厚度变化而变化的，道路设计中只验算某一个固定点的做法是不足取的。

5 结语

本文利用ABAQUS有限元软件，针对热拌薄层罩面在荷载作用下的应力响应做了力学分析，鉴于重点关注的是薄层罩面的高温稳定性能，文中主要考察其剪应力的响应规律，通过分析，主要得到以下结论：

1） τyzmax是罩面层材料抗剪强度的控制性指标，罩面厚度从1.5cm增加到2.5cm，τyzmax的变化很小，直到达到3.0cm时，罩面层最大剪应力响应才有所改善，但考虑到养护工程的经济性，同时，從2cm减小到1.5cm，罩面层竖向压应力出现大的增幅，容易出现压密性车辙及层底开裂等病害，故就抗剪性能而言，热拌罩面层厚2cm是经济而且合适的。

2）厚的罩面层并不能削弱其在超载作用下的剪应力响应，这再次说明，2cm厚的薄层是经济而且合适的。

3）1.5～2.5cm罩面厚度时的τyzmax所在位置与3.0cm时有明显的区别，说明厚度达到3.0cm时，罩面层的剪应力响应会有质的变化，也说明了路面剪应力验算点是随着面层厚度变化而变化的，道路设计中只验算某一个固定点的做法是不足取的。

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作者简介：

高祺 男 1983年8月生，硕士研究生学历，工程师，目前在深圳高速公路股份有限公司工作。