应力吸收层对沥青加铺层结构影响的数值模拟

王 彪

(长沙理工大学 湖南长沙 410004)

0 引言

水泥混凝土路面是公路主要的路面结构形式之一，在我国20世纪90年代发展最快，特别是南方国省道干线公路，极大地推动了沿线经济及社会的发展[1]。经过多年的使用，水泥混凝土路面不同程度地出现了结构性破坏和功能性缺陷，严重影响了车辆的行车舒适性和行驶安全[2]。我国各地区都对旧水泥混凝土路面开始进行大量的修复整治，其主要的措施是加铺沥青混凝土面层，来改善原水泥混凝土路面的使用性能，提高路面行驶的舒适性，同时又能充分利用旧水泥混凝土路面的剩余强度[3-4]。但是，加铺沥青面层后，由于旧水泥混凝土结构中存在接缝、裂缝等缺陷，导致沥青加铺层结构在外部荷载的作用下极易产生反射裂缝[4]。

经国内外学者的长期研究，设置应力吸收层在延缓反射裂缝的过程中是一种行之有效的方法[5-6]。目前，主要使用的应力吸收层，有土工布、土工格栅、玻纤格栅、橡胶沥青层等[7-9]。作为推广使用的橡胶沥青，是将废旧轮胎加工成为一定大小的橡胶粉颗粒， 按一定比例掺入基质沥青中，并加入一些特定的改性剂，并在180°C以上的高温条件下充分拌合、溶胀，最终形成的改性沥青胶结材料，由于其高弹、高黏、经济环保的性能，被广泛应用于道路结构的应力吸收层和沥青层[10]。为了研究应力吸收层对延缓反射裂缝产生造成的影响，针对现今主要使用的应力吸收层，本文采用Ansys有限元方法，建立力学模型，分析旧水泥混凝土沥青加铺层底部的受力状态。

1 有限元模型建立及参数设置

1.1 有限元模型的建立

本文采用线弹性层状理论体系，对由旧水泥混凝土路面、沥青加铺层、基础、应力吸收层所组成的路基路面结构进行力学分析。各结构层采用8节点solid185三维有限单元建立三维空间模型，如图1，并对各结构层作出以下假定：

①各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；

②各层层间各向位移均连续；

③基础底面受完全约束，基础侧面受水平方向约束；

④路面结构自重忽略不计；

⑤接缝宽度假设为1cm，且接缝处无传递荷载能力。

图1 三维有限元模型

1.2 计算参数以及计算点位的确定

计算参数拟定：水泥混凝土路面板长L=5m，宽度B=4.5m，厚度Hc=22cm。在取基础不同尺寸进行误差分析计算，拟定基础扩大尺寸为12.01m×6.5m×9m(长×宽×高)。计算参数如表1所示。

表1 计算参数表

行车荷载标准采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用范围18.9cm×18.9cm，接触面积357.21cm2，双轮间距为32cm，两侧轮隙182cm。参考前人的研究成果并对不同荷位计算分析，车轮荷载作用位置选取在接缝一侧，即偏荷载(对加铺层最不利)，荷载作用位置和计算点位如图2～图3所示。图3中，A点为沥青加铺层层底计算点位，B点为应力吸收层层底计算点位，1、2点为弯沉及弯沉差计算点位。

图2 荷载作用位置

图3 计算点位

2 应力吸收层对沥青加铺层层底应力影响分析

2.1 应力吸收层厚度对沥青加铺层层底应力影响分析

为了研究不同厚度的应力吸收层在交通荷载下对沥青加铺层层底应力以及变形规律，分别采取应力吸收层厚度0cm、1cm、1.5cm、2cm、2.5cm、3cm、3.5cm、4cm、4.5cm、5cm几种情况进行有限元计算分析，计算结果如表2～表3以及图4～图5所示。

表2 应力吸收层厚度变化时沥青加铺层底点A应力变化表 MPa

图4 沥青加铺层底点A应力随应力吸收层厚度变化图

由表2和图4可以看出：随着应力吸收层厚度按1cm逐渐递增时，最大主应力σ1缓慢增长，而等效应力σe以及最大剪应力τmax在逐渐减少。当厚度从1cm增加到4cm时，最大主应力σ1由-0.099MPa增加到-0.007MPa，由4cm增加到5cm时，最大主应力σ1基本保持不变。等效应力σe以及最大剪应力τmax，由1cm的0.412MPa、0.439MPa减少到5cm的0.167MPa、0.172MPa，分别减少了59.5%、60.8%。在整个变化中，最大主应力σ1、等效应力σe以及最大剪应力τmax在绝对数值变化并不大(0.092MPa、0.245MPa、0.267MPa)，这说明了，单纯地增加应力吸收层厚度，对缓解沥青加铺层层底应力作用并不大。但通过对未设置应力吸收层厚度沥青加铺层底面应力与应力吸收层厚度为1cm时沥青加铺层底面应力进行对比，最大主应力σ1、等效应力σe以及最大剪应力τmax由-0.1412MPa、1.960MPa、1.060MPa减少到-0.099MPa、0.412MPa、0.218MPa可以看出，应力吸收层的设置的确极大缓解了沥青加铺层层底的应力，但同时考虑到应力吸收层的造价和施工问题，应力吸收层厚度建议采用1cm～2cm。

由表3和图5可以看出：沥青加铺层层底接缝两侧弯沉及弯沉差，基本不受应力吸收层厚度的影响。当应力吸收层厚度由1cm增加到5cm时，沥青加铺层层底接缝受压一侧的弯沉从-0.447mm增加到-0.407mm，增加了0.040mm；而沥青加铺层层底接缝未受压一侧的弯沉从-0.435mm增加到-0.394，增加了0.041mm；沥青加铺层层底接缝两侧弯沉差由-0.012mm变化到-0.013mm，变化极小。这说明了不同应力吸收层厚度并不会对沥青层刚度变化造成影响，即应力吸收层厚度变化，不会加剧车辙的产生。

表3 应力吸收层厚度变化时沥青加铺层底接缝两侧弯沉及弯沉差变化表

图5 沥青加铺层层底接缝两侧弯沉随应力吸收层厚度变化图

2.2 应力吸收层模量对沥青加铺层层底应力影响分析

为了研究不同模量的应力吸收层在交通荷载下对沥青加铺层层底应力以及变形规律，分别采取应力吸收层模量200MPa、300MPa、400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、800MPa、900MPa、1000MPa几种情况进行有限元计算分析，计算结果如表4～表5以及图6～图7所示。

表5 应力吸收层模量变化时应力吸收层底点B应力变化表 MPa

图6 加铺层底A应力随应力吸收层模量变化图

图7 应力吸收层底B应力随应力吸收层模量变化图

由表4～表5以及图6～图7可知，无论是沥青加铺层层底还是应力吸收层层底，其最大主应力σ1、等效应力σe以及最大剪应力τmax都随着应力吸收层模量的增大而增大。而当应力吸收层模量由200MPa增加到1000MPa时，沥青铺层层底最大主应力σ1由-0.105MPa增加到-0.033MPa，增加了0.072MPa，等效应力σe以及最大剪应力τmax由0.253MPa、0.133MPa增加到0.429MPa、0.237MPa，分别增加了41.02%和78.20%；应力吸收层层底最大主应力σ1由-0.123MPa增加到0.004MPa，增加了0.125MPa，等效应力σe以及最大剪应力τmax由0.363MPa、0.191MPa增加到0.676MPa、0.360MPa，分别增加了46.31%和88.48%。当应力吸收层模量为200MPa、400MPa、600MPa、800MPa、1000MPa时，对比应力吸收层底与沥青加铺层底，应力吸收层消解了43.61%、53.18%、56.50%、64.93%、31.87%的最大剪应力τmax，也消解了30.30%、34.22%、35.39%、36.04%、36.54%的等效应力σe。考虑到应力吸收层模量受温度影响，温度升高模量减少，温度降低模量增大，可以看出温度较低时，沥青加铺层层底应力越不利，更容易产生反射裂缝。

但由表6、图8可以看出，应力吸收层模量的变化对弯沉具有一定影响。当应力吸收层模量由200MPa增大到1000MPa时，未受压一侧的弯沉基本不受影响，受压一侧弯沉由-0.440mm增加到-0.430mm，增加了2.27%，弯沉差随之受到较大影响，由-0.019增加到-0.009，增加了52.63%。由此可见，当温度升高时，应力吸收层模量随之减少，在交通荷载下，弯沉差绝对值增大(即沥青加铺层结构整体刚度降低)，会加剧车辙的产生。在炎热夏季，将应力吸收层模量控制在一定的范围就显得尤为重要。

表6 应力吸收层模量变化时沥青加铺层底接缝两侧弯沉及弯沉差变化表

图8 沥青加铺层层底接缝两侧弯沉随应力吸收层模量变化图

3 结论

在交通荷载作用下，通过对不同应力吸收层厚度、不同应力吸收层模量的沥青加铺层层底应力及变形规律的有限元分析，得出以下结论：

①设置应力吸收层，能极大地缓解沥青加铺层层底的最大主应力σ1、等效应力σe以及最大剪应力τmax，延缓反射裂缝的生成。

②单纯的增加应力吸收层厚度对沥青加铺层层底的应力影响并不大，说明了通过增加应力吸收层厚度对延缓反射裂缝的产生并不明显，如果考虑经济效益与施工技术难度等问题，增加应力吸收层厚度的方法也不可取。结合前文数据分析，建议应力吸收层厚度取1cm～2cm。

③随着应力吸收层模量的增加，沥青加铺层层底还是应力吸收层层底，其最大主应力σ1、等效应力σe以及最大剪应力τmax都随着应力吸收层模量的增大而增大。考虑到季节的因素，在炎热的夏季，应力吸收层模量随温度升高而减少，沥青加铺层层底接缝处弯沉差增大，会加剧车辙的产生；在寒冷的冬季，应力吸收层模量随温度降低而增大，对沥青加铺层层底应力越不利，反射裂缝在此时更易产生。这说明应力吸收层模量不能过大也不能过小，而是控制应力吸收层模量在一定的范围。