含碎石化层的沥青加铺路面结构分析

申　莉，刘国民（四川交通职业技术学院，四川 成都 611130）

含碎石化层的沥青加铺路面结构分析

申莉，刘国民
（四川交通职业技术学院，四川 成都 611130）

利用ABAQUS有限元软件建立了含碎石化层的沥青加铺路面结构模型，研究土基、旧路基层与碎石化层模量以及碎石化层和加铺层厚度对含碎石化层沥青加铺层路面结构的力学响应的影响，确定碎石化模量的控制范围。结果表明，荷载作用中心点及附近一定区域，沥青加铺层层底受拉；沥青加铺层层底拉应力对土基模量、旧路基层模量、碎石化层厚度不敏感，但当碎石化层模量较小（接近300MPa）或加铺层厚（大于20cm）时层底拉应力均较大，在重载作用下更大。因此碎石化道路必须验算沥青层层底拉应力指标。为使沥青层层底拉应力峰值不至于过大甚至超过容许拉应力，使得受拉区域控制在一定范围以内，同时为降低加铺层竖向剪应力及土基顶面压应变，并达到防治反射裂缝的效果，碎石化层的模量宜控制在500~1000MPa。

碎石化；沥青加铺层；路面结构；力学响应；应力；应变

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

水泥混凝土路面由于具有刚度大、强度大以及承载力高的特点，而成为山西省最为常用的路面结构形式。但是在长期重载甚至超载车辆的作用下，水泥路面已出现了大量不同形式的结构性破坏，路面服务水平急剧下降。目前，国内外通常通过修复或加铺的方式来解决此类问题。旧水泥混凝土路面修复、加铺的方式主要有以下两种：一种是在旧水泥混凝土路面上继续加铺水泥混凝土，即“白加白”；另一种是加铺沥青混凝土面层，或者将处理过的旧混凝土层作为基层，然后再铺筑沥青混凝土面层，俗称“白加黑”或“白改黑”。反射裂缝是“白改黑”路面工程中最常见，也是最难处理的病害之一，需要对碎石化层之上沥青混凝土加铺路面的力学响应进行分析，并得出各因素对其的影响[1-4]。

1　有限元计算模型的建立

1.1模型的基本假定及设置

路面结构模型如图1所示[5-7]。

图1　碎石化路面结构模型

材料属性：假设路面结构为弹性层状体系，路面各结构层的材料均为线弹性，用弹性模量E和泊松比μ来表征。

层间接触状态：假设各结构层完全连续，用Tie进行约束。

荷载条件：选用标准轴载100kN，忽略轮胎壁刚度的影响，接地压力取胎压为0.707MPa，按单轮荷载计算，简化为圆形，直径为30cm。

模型及单元类型：建立轴对称模型，采用线性CAX4R单元。

模型尺寸：8m（径向）×7m（深度方向），由于是轴对称模型，故实际尺寸为4m×7m，其中，考虑土基深度为6.1m。

边界条件：土基底面固定，轴线及周边施加水平方向约束。

计算范围：荷载中心线处沥青加铺层层底径向应力（图1中A点）、加铺层层顶弯沉（图1中B点）；荷载中心线处及荷载边缘处沿沥青加铺层厚度方向剪应力（图1中AB、CD、EF线）；土基顶面压应变（图1中G点）[8-10]。

1.2有限元几何模型及网格划分

有限元几何模型及网格划分如图2所示。

图2　轴对称有限元模型

1.3计算参数

借鉴国外已完成的碎石化工程的部分研究成果，再结合国内道路工程材料经验值，同时考虑不同的沥青加铺层、碎石化层类型以及半刚性基层的不同工况组合，具体的计算参数取值见表1。

表1　路面结构参数和材料参数

表1中，当沥青层厚度取20cm，碎石化层厚度为25cm、模量为700MPa，半刚性基层模量为1 200MPa，土基模量为30MPa，将此时的路面视为典型的碎石化路面结构。

2　碎石化路面结构力学响应

2.1土基模量的影响

将表1中沥青层厚度取20cm，碎石化层厚度取25cm、模量取700MPa，半刚性基层模量取1 200MPa，然后将土基模量依次取为30MPa、80MPa、150MPa，计算结果如下。

2.1.1沥青层应力

图3为不同土基模量条件下沥青层径向应力。由图3可见，当碎石化层模量为700MPa时，土基模量在30~150MPa内变动，在荷载作用区域内均将出现拉应力，荷载中心线所对应的层底（图1中A点）拉应力最大，可达0.1MPa左右；土基刚度对沥青加铺层层底应力、沥青加铺层深度范围内的径向应力的影响很小；在0.7倍深度的位置开始出现层底拉应力。

图3　不同土基模量条件下的径向应力

图4为不同土基模量条件下荷载作用区域沥青层深度方向剪应力。由图4可见，土基刚度对沥青加铺层深度范围内的剪应力影响均很小；轮迹外侧边缘处沿深度方向的剪应力明显大于荷载中心线处的剪应力，剪应力沿深度方向先增大后减小，最大剪应力出现在加铺层深度方向的中间位置。

图4　不同土基模量条件下沿深度方向的剪应力

2.1.2土基顶面压应变及路表弯沉

图5、图6分别为不同土基模量条件下土基顶面的压应变与加铺层路表弯沉。从图5、图6中可见，土基刚度对土基顶面压应变及加铺层路表弯沉都会产生较大的影响，但如果土基模量超过80MPa，那么这种影响就开始逐渐减小；土基模量越大，则土基顶面压应变和路表弯沉越小；土基顶面压应变的变化趋势与加铺层路表弯沉的变化趋势一致，这说明采用土基顶面压应变控制路面弯沉具有一定的合理性。

图5　不同土基模量条件下土基顶面压应变

2.2旧路基层模量的影响

将表1中沥青层厚度取20cm，碎石化层厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，然后将旧路基层的模量依次取为300MPa、1 200MPa、2 000MPa，计算结果如下。

图6　不同土基模量条件下加铺层路表弯沉

2.2.1沥青层应力

图7为不同旧路基层模量条件下径向应力。从图7中可见，当碎石化层模量为700MPa时，旧路基层模量在300~2000MPa内变动，在荷载作用区域内都将出现拉应力，荷载中心线处拉应力可达0.1MPa左右；旧路基层模量越小，加铺层层底拉应力越大，但当模量大于1 000MPa时，旧路基层模量对加铺层层底应力影响不明显。

图7　不同旧路基层模量条件下径向应力

图8为不同旧路基层模量条件下荷载作用中心线及边缘处沿深度方向的剪应力。从图8中可见，在旧路基层模量较小时，旧路基层模量对加铺层竖向剪应力有一定影响，模量较大时影响不明显。

图8　不同旧路基层模量条件下沿深度方向的剪应力

2.2.2土基顶面压应变及路表弯沉

图9、图10分别为不同旧路基层模量条件下土基顶面压应变与加铺层路表弯沉。从图9、图10中可以看出，旧路基层模量对土基顶面压应变及加铺层路表弯沉都会产生较大的影响，但当旧路基层模量超过1 000MPa时，这种影响开始逐渐减小；旧路基层模量越大，则土基顶面压应变及加铺层路表弯沉越小。

图9　不同旧路基层模量条件下土基顶面压应变

2.3碎石化层模量的影响

将表1中沥青层厚度取20cm，碎石化层厚度取25cm，土基模量取30MPa，旧路基层的模量取1200MPa， 碎 石 化 层 模 量 分 别 取 300MPa、700MPa、1 500MPa，计算结果如下。

图10　不同旧路基层模量条件下加铺层路表弯沉

2.3.1沥青层应力

图11为不同碎石化层模量条件下沥青层层底径向应力。从图11中可见，当碎石化层模量较大（1 500MPa左右）时，整个加铺层层底都处于受压状态，这个刚度值处在半刚性基层模量范围内，因此对于半刚性基层的加铺路面结构，一般无需验算加铺层层底应力。而当碎石化层模量较小（一般小于1 000MPa）时，加铺层层底开始出现拉应力，模量越小，拉应力大小及区域也越大，当模量达到300MPa（典型级配碎石模量值）时，加铺层层底拉应力急剧增大，这就意味着，对于级配碎石加铺路面和具有较低碎石化层模量的碎石化加铺路面，都需要进行层底拉应力的验算。

图11　不同碎石化层模量条件下径向应力

图12为不同碎石化层模量条件下荷载作用区域沥青层深度方向剪应力。从图12中可见，碎石化层模量对沥青加铺层深度范围内的剪应力影响很大，模量越小，则剪应力越大，当模量降低到300MPa（典型级配碎石模量值），最大竖向剪应力达0.23MPa，说明模量较小的碎石化层模量不但使得沥青层层底拉应力增大了，还增大了竖向剪应力。

图12　不同碎石化层模量下沿深度方向的剪应力

2.3.2土基顶面压应变及路表弯沉

图13、图14分别为不同碎石化层模量条件下土基顶面压应变与加铺层路表弯沉。由图13、图14可见，碎石化层模量对土基顶面压应变及加铺层路表弯沉均有一定的影响（尤其是碎石化层模量较小时），但当碎石化层模量大于500MPa以后，这种影响开始减小；碎石化层基层模量越大，则土基顶面压应变及加铺层路表弯沉越小。

图13　不同碎石化层模量条件下土基顶面压应变

图14　不同碎石化层模量条件下加铺层路表弯沉

2.4碎石化层厚度的影响

将表1中沥青层厚度取为20cm，碎石化层模量取700MPa，土基模量取30MPa，旧路基层的模量取1 200MPa，然后碎石化层厚度依次取20cm、25cm、30cm，计算结果如下。

2.4.1沥青层应力

图15为不同碎石化层厚度条件下沥青层层底径向应力。从图15中可见，碎石化层厚度对加铺层应力的影响非常小。

图15　不同碎石化层厚度条件下径向应力

图16为不同碎石化层厚度条件下荷载作用区域沥青层深度方向剪应力。从图16中可见，碎石化层厚度对加铺层剪应力的影响也非常小。

2.4.2土基顶面压应变及路表弯沉

图17、图18分别为不同碎石化层厚度条件下土基顶面压应变与加铺层路表弯沉。从图17、图18中可见，碎石化层厚度对土基顶面压应变有一定的影响，但对加铺层路表弯沉的影响不大。

图16　不同碎石化层厚度条件下沿深度方向的剪应力

图17　不同碎石化层厚度条件下土基顶面压应变

图18　不同碎石化层厚度条件下加铺层路表弯沉

2.5加铺层厚度的影响

将表1中碎石化层厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，旧路基层的模量取1 200MPa，然后变化沥青加铺层厚度，依次取10cm、20cm、30cm，计算结果如下。

2.5.1沥青层应力

图19为不同加铺层厚度条件下沥青层层底径向应力。从图19中可见，加铺层厚度大小对加铺层应力影响很大。当加铺层厚度小于10cm时，加铺层层底各处均受压；当厚度超过10cm时，外部荷载作用下层底局部区域开始受拉。而国外研究表明，碎石化加铺路面的厚度通常在20cm以上，所以，碎石化层层底都会产生拉应力。

图19　不同加铺层厚度条件下径向应力

图20为不同加铺层厚度条件下荷载作用区域沥青层深度方向剪应力。从图20中可见，加铺层厚度大小对加铺层剪应力有一定的影响。对薄加铺层，荷载边缘处沿深度方向的最大剪应力比厚加铺层要大；而荷载中心线处沿深度方向的剪应力的规律恰好相反。

图20　不同加铺层厚度条件下沿深度方向的剪应力

2.5.2土基顶面压应变及路表弯沉

图21、图22分别为不同加铺层厚度条件下土基顶面压应变与加铺层路表弯沉。从图21、图22中可以看出，加铺层厚度的变化会对土基顶面压应变和加铺层路表弯沉产生一定的影响，加铺层厚度越小，则上述两项指标越大，但当加铺层厚度达到20cm以后影响不明显，这说明碎石化加铺路面加铺层厚度（一般大于20cm）对弯沉及土基顶面压应变的影响不大。

图21　不同加铺层厚度条件下土基顶面压应变

图22　不同加铺层厚度条件下加铺层路表弯沉

3　结论

通过对碎石化层材料属性的分析，利用ABAQUS有限元软件建立了含碎石化层的沥青加铺路面结构模型进行计算研究，得出如下结论。

（1）含碎石化层的沥青加铺路面，在车轮荷载作用中心点及周围一定区域范围内，沥青加铺层层底受拉；当碎石化层模量较低（接近300MPa）或加铺层过厚（超过20cm）时，层底拉应力较大（最大可达0.26MPa），在重载作用下，层底拉应力更大；层底拉应力对土基模量、旧路基层模量、碎石化层厚度不敏感。若为高速公路或一级公路的加铺路面，交通当量轴载次数大于107，加铺层材料劈裂强度偏低时，会使得加铺层层底容许压应力偏小（0.13~0.20MPa），如表2所示。鉴于此，对于碎石化道路有必要验算沥青层层底拉应力指标。

表2　沥青加铺层容许拉应力

（2）为使沥青层层拉应力峰值不至于过大甚至超过容许拉应力，使得受拉区域控制在一定范围以内，同时为降低加铺层竖向剪应力及土基顶面压应变，碎石化层的模量不宜太小，建议控制在500MPa以上。

（3）碎石化层模量在1 000MPa以下时，提高其模量对降低计算弯沉贡献大，碎石化层模量在1 000MPa以上时，提高其模量对降低弯沉贡献不大。另外，考虑到碎石化层模量越大，破碎越不彻底，加铺路面产生反射裂缝的可能性也越大，碎石化层模量建议控制在1 000MPa以下。

（4）旧路基层模量越大，对碎石化层上加铺的沥青层层底应力的影响越小，但可降低土基顶面压应变，并且对降低路表弯沉贡献较大；随着土基模量的增大，土基顶面压应变、路表弯沉均会降低。因此，在碎石化施工时应尽量减少施工对旧路基层和土基的影响，勿大幅降低其模量。

[1]郭迎平.基于旧水泥路面沥青加铺结构的应力吸收层路用性能[J].山西交通科技，2010（6）：4-6.

[2]Behringer R P.The Dynamics of Flowing Sand[J].Nonlinear Science Today,1993,3(3):2-15.

[3]Jaeger H M,Nagel S R,Behringer R P.Granular Solids,Liq⁃uids,and Gases[J].Reviews of Modern Physics,1996,68(4): 1259-1273.

[4]Miguel Da Silva,Jean Rajchenbach.Stress Transmission Through a Model System of Cohesionless Elastic Grains[J]. Letters to Nature,2000,406(17):708-710.

[5]姚祖康.公路设计手册—路面[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]Seed R B,Duncan,J M.FE Analyses:Compaction-Induced Stresses&Deformations[J].Journal of Geotechnical Engi⁃neering,1985,112(1):23-43.

[7] 中交公路规划设计院.JTG D40—2002公路水泥混凝土路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2003.

[8] 王金昌，陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[9]汤文，孙立军，陈继松.应力吸收层防治沥青加铺层反射裂缝的力学分析[J].公路工程，2008（4）：1-4，41.

[10] 黄晓明，张玉宏，李昶，等.水泥混凝土路面碎石化层应力强度因子有限元分析[J].公路交通科技，2006，23 （2）：52-55.

Asphalt Overlay Pavement Structure with Rubblized Layer

SHEN Li,LIU Guo-min
(Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu 611130,China)

A asphalt-overlay pavement structure model was established by using ABAQUS FEM soft⁃ware to study the effect of the modulus of soil foundation,old subgrade and rubblized layer,as well as the depth of rubblized layer and asphalt overlay on the mechanical response of asphalt-overlay pave⁃ment structure with rubblized layer,in addition to determine the control range of the modulus of rub⁃blized layer.The conclusions showed that:in a certain range around the loading center,the stress was tensile at the bottom of asphalt layer;the tensile stress at the bottom of asphalt layer was insensitive to the modulus of soil foundation,the modulus of old base and the depth of rubblized layer;when the modu⁃lus of rubblized layer was smaller than 300MPa,or the depth of asphalt overlay was greater than 20cm, the tensile stress at the bottom of asphalt layer was greater,especially under the action of heavy load. Therefore it′s necessary to check and calculate the tensile stress index of asphalt overlay.In order to en⁃sure the peak value of the tensile stress at the bottom of asphalt layer not exceed the allowable tensile stress so that the tensile area can be limited to a certain range,meanwhile to reduce the vertical shear stress of asphalt and the compressed strain at the top of soil foundation for achieving the effect of prevent⁃ing reflective cracking,the modulus of rubblized layer should be controlled at 500~1000MPa.

rubblization;asphalt overlay;mechanical response;stress;strain

U416.01

A

2095-9931（2015）01-0114-08

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.019

2014-11-17