沥青路面塑性基础铺层的应力影响有限元分析

(新疆路桥北疆工程建设有限公司，新疆 昌吉 831100 )

塑性基础铺层密切关联和影响着沥青路面构造的应力状态，揭示其中的关联规律，对提高沥青路面铺筑质量具有工程应用意义，本文分析了沥青相对刚性基础铺层路面一般构造，借助ANSYS有限元数值分析系统，分析沥青路面塑性基础铺层工程，助力建设优质适用的塑性基础铺层沥青路面。路面材料参数如表1所示。

研究选用均布双矩形载荷模拟汽车载荷状态，其具体规格18cm×19.6cm，载荷取为0.7MPa，载荷中心间距为31.4cm。

表1 路面材料参数

一、有限元数值模型的建立

采用ANSYS系统建立有限元数值分析模型，其长×宽×深规格取为6×6×8（m），载荷面网格长×宽取为3×3.33（cm），底面施加Y向约束，前后面分别施加X向和Z向约束。路面各层假定以平面无限大的弹塑性结构层。有限元路面构造网络模型具体如图2所示。

图2 有限元路面构造网络图

图3 分析路径

二、沥青路面塑性基础铺层应力影响数值分析

（一）塑性基础铺层对面层结构的应力状态影响

塑性材料模量的室内实验取值可以在700MPa～1100MPa间选择，这里先选择1000MPa实施模拟分析。分别分析3条路径上路面弯沉、垂向剪力和底层拉应力状。3条路径分别是矩形载荷边角，矩形载荷边缘中心及矩形载荷中心，分析路径具体如图3所示。

两种基层路面载荷中心部位的路面弯沉值揭示，比较刚性基础铺层路面，塑性基础铺层路面的各构造层弯沉值存在4%～5%的加增量。

与刚性基础铺层沥青路面相比较，塑性基础铺层路面在中铺层及上铺层的垂向剪力相对有所加增，与刚性基础铺层沥青路面相比较，塑性基础铺层路面在下铺层中的垂向剪力呈明显降低，降低幅度约11%，有利于改进完善下铺层的受力状态。

（二）塑性基础铺层模量差异对路面结构应力状态的影响

基于1100MPa、1000MPa、900MPa、800MPa和700MPa模量分别计算塑性基础铺层的垂向剪力、底层拉应力和路面弯沉。随着模量的加增，塑性基础铺层路面的弯沉呈逐渐降低，但至始至终大于沥青相对刚性基础铺层路面的路面弯沉值。对于塑性基础铺层路面的底层拉应力来说，模量差异的影响并不明显。底层拉应力随着层位加深，对应呈现梯次减小态势；随模量的加增，底层拉应力自中铺层起略有对应加增，并且沥青相对刚性基础铺层路面的底层拉应力大于塑性基础铺层路面的底层拉应力，影响多集中于塑性基础铺层、下铺层及上铺层。

在上铺层及中铺层中，塑性基础铺层沥青路面的剪力始终高于沥青相对刚性基础铺层路面对应部位的剪力；而塑性基础铺层路面的剪力，在下铺层和以下层次中，均低于沥青相对刚性基础铺层路面对应部位的剪力，这意味塑性基础铺层可将剪力良好的分配给不同结构层，使沥青路面的应力状态相对更为合理。

（三）塑性基础铺层厚度值差异对路面构造受力状态的影响

在路面构造中，考虑相对刚性材料的优点，保留适当厚度值的相对刚性材料构造层，加铺塑性基础铺层，令其既有的相对刚性部位下移，不再集中一体承重，以辅助层的功能参与路面构造的受力。这种构造可充分发挥相对刚性基础铺层及塑性基础铺层的优点，使路面应力状态进一步优化。考虑相对刚性铺筑层的加入可极大地改进完善路面构造的受力状态，所以沥青面层厚度值可适当的降低。故于研究中，只设置两层沥青面层，相对刚性层取以一定厚度值，对塑性基础铺层给予厚度值特定变更，观察塑性基础铺层厚度值差异对构造层应力状态的影响。分别取值塑性基础铺层厚度值是20cm、15cm、10cm及6cm，厚度值差异对路面弯沉的影响。路面弯沉随塑性基础铺层的厚度值加增，对应呈线性梯次减小，其路面弯沉值相对于只设置了相对刚性基础铺层路面小许多。故于相对刚性铺筑层上设置塑性基础铺层可明显降低路面弯沉。

底层拉应力随塑性基础铺层的厚度值加增，呈现梯次减小的态势，但差异不大；同只设相对刚性基础铺层或者只设塑性基础铺层的沥青路面相较，其上铺层的底层拉应力，低于只设置塑性基础铺层路面，高于只设置相对刚性基础铺层路面，在塑性基础铺层及中铺层，底层拉应力均低于只设置相对刚性基础铺层路面相应层的底层拉应力。

厚度值差异条件下，在中铺层和上铺层中，剪力差异不大。剪力最小的情况发生于只设置相对刚性基础铺层，剪力最大的情况发生于只设置塑性基础铺层；随塑性基础铺层厚度值差异，剪力在相对刚性及塑性基础铺层内呈现差异较大。构造层中的剪力随塑性基础铺层的厚度值加增对应呈现梯次减小的态势；在塑性基础铺层内部，当塑性基础铺层取以较薄厚度值时，其垂向剪力相对较大。

三、结语

等厚度值条件下，塑性基础铺层出现的路面弯沉大于相对刚性基础铺层的路面弯沉，增加幅度约4%；设置塑性基础铺层对改进完善路面构造层中的剪力拥有明显效果。在中铺层及上铺层中，与刚性基础铺层相比较，塑性基础铺层路面出现的剪力大，而于下铺层及基层中的情况恰好正相反。

相对刚性铺筑层再设塑性基础铺层时，塑性基础铺层厚度值差异对塑性基础铺层及相对刚性铺筑层中的剪力相关性明显，对上铺层及中铺层中的剪力有不明显影响。加增塑性基础铺层厚度值可明显下降相对刚性及塑性基础铺层的剪力。如果塑性基础铺层相对较薄条件下，其影响效果即变得不明显，实际运用中不宜选用较薄的塑性基础铺层。