海绵型道路沥青路面排水基层结构力学分析

锁 利 军

(洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

海绵型道路沥青路面排水基层结构力学分析

锁 利 军

(洛阳理工学院 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

发展海绵型道路是提高城市防洪、排涝、减灾能力的一种有效措施。为了研究海绵型道路沥青路面排水混凝土基层的应力状态，建立了排水混凝土基层沥青路面三维有限元模型。采用横观各向同性弹性本构关系模型模拟沥青路面结构层间接触状态。利用数值方法对排水混凝土基层沥青路面进行了力学分析。研究了沥青面层厚度、排水混凝土基层厚度、地基模量对基层应力的影响。结果表明：基层荷载应力随基层厚度的增大而减小，随着面层厚度的增大而减小，随着基层与地基模量比的增大而增大；基层温度应力随着基层厚度的增大而增大，随着面层厚度的增大而减小，随着基层与地基模量比的增大而增大。

海绵型道路；沥青路面；排水混凝土基层；层间接触模型；力学分析

近些年来，气候反常变化、夏季极端降水的出现，常导致严重的城市内涝。内涝灾害的频现严重地影响了城市居民的出行安全。为了更好地适应环境变化和应对自然灾害，海绵城市的概念被提出，即城市能像海绵一样，具有良好的“弹性”，下雨时可吸、蓄水，需要时将蓄水释放并加以利用。在海绵城市发展过程中，海绵型道路建设是重要的一环，它的建成既可以提高城市防洪、排涝、减灾的能力，又可以增强城市蓄水再用的功能。城市海绵型道路由5层“海绵体”组成，包括沥青表层、渗水土工布、排水混凝土基层、级配碎石垫层和一层防渗土工布。其中，沥青表层是大空隙开级配排水式沥青磨耗层，其设计空隙率大，具有较强的结构排水能力，能迅速地把路表雨水排走。渗水土工布用于过滤水中杂质，其下的基层可选用排水混凝土基层，以达到快速排水的目的。排水混凝土基层是一种空隙率较大的贫混凝土，它具有强度高、排水能力强、抗冲刷性能好的特点。排水混凝土基层的有效空隙率一般达26%以上，此时对应的渗透系数为3.5 cm/s，其具有良好的排水性能，结合其他排水设施，可以形成内部排水系统快速地将沥青面层渗入的水及时排走。此外，排水混凝土基层良好的抗冲刷性能保证其排水而不松散。

海绵型道路沥青路面是一种特殊的路面结构，其结构设计方法有别于常用的沥青路面结构。因此，有必要对沥青路面排水混凝土基层进行力学分析，为建立这种路面的结构设计方法提供依据。

1 力学模型

1.1 模型构成

在力学计算时采用弹性半空间地基假设,排水混凝土基层为符合弹性力学基本假设的有限厚度弹性层，在基层荷载应力计算时底基层和沥青面层视为弹性体。根据结构的材料和受力特性，力学模型包括4个部分，即沥青面层、排水混凝土基层、级配碎石垫层和路基。计算时，可将路面的底基层、垫层和路基的当量值换算为地基的弹性模量。沿道路行车方向路面结构力学模型如图1所示。边界条件为：路基底面固定，各层的水平方向有约束。

在二维模型基础上，建立路面结构三维模型。荷载作用的位置为排水混凝土基层的纵边中部，行车荷载采用标准轴载BZZ—100，轮胎压力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。数值计算及误差分析表明：排水混凝土基层宽度在5 m～6 m范围内变化对基层的最大应力影响微小；随着排水混凝土基层长度增大，基层内应力的增加幅度逐渐减小，基层长度大于6 m时，基层内应力基本保持不变。据此取排水混凝土基层的平面计算尺寸为5.5 m×6 m。沥青面层平面尺寸与基层相同,地基扩大尺寸(长×宽×深)为5.5 m×6 m×6 m。

取温度梯度为1 ℃/cm，计算排水混凝土基层的温度应力。数值计算及误差分析表明：以上力学模型的可以满足计算精度的要求。荷载作用区域网格划分如图2所示，为满足计算精度要求，对荷载作用区域的路面结构进行网格细化,采用适当的网格梯度。

图1 沥青路面结构力学模型

图2 沥青路面结构网格划分

1.2 层间接触状态模拟

路面施工时，排水混凝土基层通过碾压成型，其上的沥青层也为碾压成型，两者结合较为紧密，层间处于连续接触状态。排水混凝土基层下通常铺筑半刚性材料下基层或底基层，在使用过程中，层间逐渐趋于光滑接触状态。计算时排水混凝土基层与地基的层间接触视为绝对光滑状态。

采用横观各向同性弹性本构关系模型作为正交各向异性接触模型。其本构关系模型如式(1)。

(1)

将式(1)中的张量弹性常数表示为工程弹性常数Ei、μij、Gij，可得到用工程常数表示的刚度矩阵,即：

(2)

式中：E1为各向同性面xy面内的弹性模量；E3为z方向的弹性模量；μ12为各向同性面xy面内的泊松比；μ13为表征因z方向受力引起x方向(或y方向)变形的泊松比；G13为xz平面(或yz平面)内的剪切模量。

对于面层与基层之间连续接触状态，只需将正交各向异性接触模型的刚度矩阵的参数取成与基层刚度矩阵相一致的值，就可以实现完全连续。对于基层与地基之间的光滑接触状态，选取正交各向异性接触单元的参数如表1所示。

表1 正交各向异性单元的参数取值

1.3 计算参数

荷载应力与温度应力计算的参数分别见表2和见表3。

表2 荷载应力计算参数

表3 温度应力计算参数

2 影响因素分析

排水混凝土基层沥青路面中，影响基层荷载应力和温度应力的因素主要有面层厚度ha、基层厚度hc、排水混凝土基层与地基模量比Ec/Es。从图3和图4知，排水混凝土基层的荷载应力和温度应力随ha的增大而减小，原因是加铺沥青面层厚度增大后，路面的强度得到了提高，同时基层的温度梯度大大降低，因而最终荷载应力和温度应力也随着沥青面层厚度的增大而有所降低。从图3与图5可知，当ha和Ec/Es一定时，基层荷载应力随hc的增大而减小。当Ec/Es和ha一定时，排水混凝土基层的温度应力随基层厚度的增大而增大，如图4所示。从图6可以看出，当ha=16 cm、Ec/Es=150时，排水混凝土基层温度应力随hc的增大而增大。当ha为10 cm，hc=16 cm、20 cm、24 cm、28 cm时，基层荷载应力随Ec/Es的增大而增大，如图7所示。当ha=16 cm，hc分别为16 cm、20 cm、24 cm、28 cm时，随着Ec/Es分别取值80、100、125、150、200，排水混凝土基层温度应力的变化趋势如图8所示。此时，基层温度应力随Ec/Es的增大而增大。

图3 面层厚度对荷载应力的影响 图4 面层厚度对温度应力的影响

图5 基层厚度对荷载应力的影响 图6 基层厚度对温度应力的影响

图7 基层与地基模量比对荷载应力的影响 图8 基层与地基模量比对温度应力的影响

3 结 语

(1) 排水混凝土基层沥青路面是海绵型道路的重要组成部分，它的建成可以有效地提高城市防洪、排涝、减灾的能力。本文建立排水混凝土基层沥青路面力学模型。采用横观各向同性弹性本构关系模型模拟沥青路面结构层的层间接触状态。

(2) 利用数值方法对排水混凝土基层沥青路面进行了力学分析。研究了沥青面层厚度、排水混凝土基层厚度及模量、地基模量对基层应力的影响。应力分析表明，基层荷载应力随基层厚度的增大而减小，随着面层厚度的增大而减小，随着基层与地基模量比的增大而增大；基层温度应力随着基层厚度的增大而增大，随着面层厚度的增大而减小，随着基层与地基模量比的增大而增大。因此，适当地增加面层厚度ha、增加基层厚度hc或提高土基的强度，可以有效降低排水混凝土基层的荷载应力。但基层厚度hc增大会导致排水混凝土基层温度应力的增大，因此在温度变化较大的城市区域，在设计基层厚度时，要特别考虑其对基层温度应力的影响。适当地增加面层厚度ha或提高地基的强度，可以降低排水混凝土基层的温度应力。

(3) 城市道路中沥青路面易受水平制动力的作用，这常导致沥青面层产生推移、车辙、拥包等病害，排水混凝土基层沥青路面设计时要考虑这种因素的不利影响。此外，排水结构层的空隙率大，易发生堵塞而导致排水不畅，因此要做好路面的清洁和疏导工作。

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Mechanical Analysis of Drainage Base of Asphalt Pavement in Sponge Road

SUO Lijun

(Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023 China)

In the construction of sponge city,developing sponge road is an effective measure to improve the ability of flood control,drainage and disaster reduction. In order to analyze stress of drainage concrete base,three-dimension finite element model of asphalt pavement,which includes drainage concrete base,is established. Horizontal isotropic elasticity constitutive model,which is regarded as orthotropic interface model,is used to simulate numerically the interface between horizons of pavement. Numerical method is employed to do mechanical analysis of drainage concrete base of asphalt pavement. The influence of correlated factors,such as surface course′s thickness,and base′s thickness and modulus,and foundation′s modulus,are analyzed. Meanwhile,calculation results with the same factors are compared,and the results show that load stress of drainage concrete base decrease with increase of base′s thickness,while thermal stress of drainage concrete increase with increase of base thickness. Load stress and thermal stress decrease when the surface thickness increases. Load stress and thermal stress increase when ratio of base′s modulus and foundation modulus increases.

sponge road;asphalt pavement;drainage concrete base;orthotropic interface model;mechanical analysis

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.009

U416

A

1674-5403(2017)03-0033-05

2017-05-17

锁利军(1975—)，男，山西太原人，博士后，副教授，主要从事路面结构与材料方面的研究.