大厚度基层力学性能分析研究

黄 欢， 高 攀， 张泽川

(合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009)

大厚度水泥稳定碎石基层采用水泥稳定类材料，通过分层铺筑或一次铺筑碾压成型，厚度通常在30～36 cm之间[1]。

当水泥稳定碎石基层的厚度超过30 cm时，铺筑机械对其成型影响较大，实际工程一般分层铺筑[2]。分层铺筑的施工技术与基层整体受力的设计理念相违背，受力状况由整体变为两薄层受力，层间黏结部位产生了严重的应力集中现象，降低了路面的使用性能和使用寿命[3,4]。随着超宽幅摊铺机和大吨位振动压路机在实际施工中的使用，大厚度施工技术成为可能[5]。与基层分层施工工艺相比，大厚度水泥稳定碎石基层整体施工工艺的路用性能明显提高。依据沥青路面设计方法，本文以路表弯沉、基层底面拉应力、面层底面和基层底面的最大主应力、面层底面最大剪应力等为指标，对分层施工工艺和大厚度工艺进行力学响应分析，为沥青路面结构层厚度设计提供参考[6]。

1 力学分析模型及设计参数

1.1 力学模型

采用弹性层状体系理论对沥青路面进行设计。依据《规范》[7]，以无机结合料稳定类作为基层类型，以水泥稳定碎石层底拉应力及沥青混合料层永久变形量作为设计指标。

利用ABAQUS分别建立适合的路面结构三维模型,如图1所示，定义标准轴载BZZ-100为车辆荷载，轮胎接地压力为0.7 MPa。在建模计算时进行简化，单轮接触面为矩形，尺寸为0.8712L×0.6L，L=260 mm，接触面积为0.228 m×0.157 m。

图1 有限元模型

本文在计算模型中设置一个接触面，位于上基层和下基层之间，用于模拟分层摊铺时上下基层之间的接触。通过定义接触面，创建接触属性并将接触属性赋予接触对来模拟层间接触。层间接触面的相互作用分为沿接触面法向和切向两种相互作用。模型中以库仑摩擦模型模拟接触面间的切向相互作用，以摩擦因素μ模拟摩擦行为。

1.2 设计参数

考虑整层全厚度施工、分层施工两种工艺，本章对两种工况的大厚度水泥稳定碎石基层沥青路面进行分析模拟。

工况一为36cm大厚度基层，采用上基层、下基层分层施工。上、下基层的厚度组合分三种：上基层18cm+下基层18 cm，上基层20 cm+下基层16 cm，上基层16cm+下基层20 cm。考虑层间接触，μ取0.5。

工况二为大厚度基层大厚度施工工艺，并分别采用了36 cm、34 cm、30 cm、26cm四个厚度进行对比。荷载考虑正常荷载与重载情况。

沥青路面结构及参数见表1。

表1 沥青路面结构及参数

利用有限元软件ABAQUS建立三维模型，对两种工况的基层沥青路面性能进行分析模拟。对分层施工工艺和大厚度工艺进行力学响应分析，以路表弯沉值大小、基层底面拉应力、面层底面和基层底面的最大主应力、面层底面最大剪应力为评价指标。

2 标准轴载作用下沥青路面结构的力学响应

2.1 工况一(分层施工)

分析在标准轴载作用下工况一的模型力学响应。计算结果见表2。

表2 标准轴载作用下分层式沥青路面结构的力学响应

当基层采用分层施工时，上、下基层厚度组合不同时，路表弯沉、基层底面拉应力等指标不同。采用16 cm+20 cm的组合方式，路表弯沉值最小，基层底面拉应力相差不大。18 cm+18 cm结构在标准轴载下的云图如图2所示。

图2 18 cm+18 cm结构在标准轴载下的云图

2.2 工况二(全厚度整层施工)

原水泥稳定碎石基层施工时因摊铺机械、压路机的性能限制，整层摊铺时不能满足施工要求，实际施工中的分层施工工艺无法满足要求。随着大吨位振动压路机和超宽幅摊铺机在施工过程中的使用，大厚度施工技术成为可能。利用有限元软件ABAQUS建立计算模型，模拟分析在标准轴载作用下大厚度沥青路面结构的力学性能(均采用CTB)。计算结果见表3。

表3 标准轴载作用下大厚度沥青路面结构的力学响应

由表3可知，当面层及底基层结构相同时，基层厚度增大，路表弯沉减小，基层底面拉应力也减小，有利于路面结构的受力。

大厚度路面结构(36 cm)在标准轴载下的云图如图3所示。

图3 大厚度路面结构(36cm)在标准轴载下的云图

2.3 两种路面结构的力学响应对比分析

详见表4。

表4 标准轴载作用下分层式与大厚度沥青路面结构的力学响应

由表4可知，在相同的路面结构中，在标准轴载作用下，采用大厚度基层施工工艺的路面结构的力学性能明显优于采用分层施工的路面。采用同样的基层厚度，整层施工时，路表弯沉减小14.3%，基层底面拉应力减小7.9%。整层施工时，基层厚度为30cm与分层施工36cm在基层底面拉应力指标是相同的，即整层施工可减小基层的设计厚度。

3 重载作用下沥青路面结构的力学响应分析

在有限元数值模拟过程中，以标准轴载BZZ-100的1.5倍作为路面车辆荷载超载工况，轮胎接地压力为1.05 MPa，分别建立有限元模型，分析两种工况下沥青路面结构的力学响应。

3.1 工况一(分层施工)

采用分层摊铺施工工艺时，建立有限元计算模型，分析重载作用下沥青路面结构的力学性能，计算结果见表5。

表5 重载作用下分层式沥青路面结构的力学响应

由表5可知，重载交通作用下，路面结构的基层底面拉应力增大明显，增大42%，路表弯沉值增大65%。

3.2 工况二(全厚度整层施工)

采用大厚度施工工艺时，建立有限元模型，分析重载作用下沥青路面结构的力学性能(均采用CTB)。计算结果见表6。

表6 重载作用下大厚度沥青路面结构的力学响应

由表6可知，在面层及基层结构相同时，基层厚度的降低将使沥青路面结构在受到荷载时，可以采用增加基层厚度有效减少路表弯沉，从而降低面层的应力。

3.3 两种路面结构的力学响应对比分析

见表7。

表7 重载作用下分层式与大厚度沥青路面结构的力学响应

由表7可知，在相同的路面结构中，在重载作用下，采用大厚度施工工艺的路面结构的路面的力学性能方面也优于采用分层摊铺碾压的路面。大厚度施工的路表弯沉减小11.4%，基层底面拉应力减小13.0%。

4 结 论

(1)本文主要分析沥青路面结构水泥稳定碎石基层在使用有限元软件不同的摊铺工艺情况下，不同路面结构的力学响应。利用ABAQUS建模，分别分析了在标准轴载、重载作用下，路面基层结构采用分层摊铺和大厚度摊铺施工工艺的力学响应。

(2)在标准轴载作用下，采用大厚度基层施工工艺的路面结构的力学性能明显优于采用分层施工的路面。采用同样的基层厚度，整层施工时，路表弯沉减小14.3%，基层底面拉应力减小7.3%。

(3)在标准轴载作用下，整层施工时，基层厚度为30 cm与分层施工36 cm在基层底面拉应力指标是相同的，即整层施工可减小基层的设计厚度。

(4)在重载作用下，采用大厚度施工工艺的路面结构的路面的力学性能方面也优于采用分层摊铺碾压的路面。大厚度施工的路表弯沉减小11.4%，基层底面拉应力减小13.0%。