热拌薄层罩面力学响应分析

武可爽

(浙江省交通工程建设集团 第三交通工程有限公司,杭州 310003)

1 概 述

热拌薄层罩面是在原有路面上摊铺一层厚度在1.5～3 cm之间的热拌沥青混合料,来防止品质正在下滑的路面继续恶化,改善路面平整度,恢复路表面的抗滑阻力,校正路面轮廓,对原路面也有一定的补强作用。

热拌薄层罩面厚度薄,混合料粒径小,高温抗形变的能力自然相对小一些,同时因为本身层厚的限制,其车辙深度不可能很大,故高温稳定性问题主要体现在层内或层间剪应力过大导致的罩面层推移、拥包上面。本文就从薄层罩面在荷载作用下的剪应力响应入手,来分析其高温稳定性。

2 原路面结构选取及车辆荷载的简化

热拌薄层罩面主要应用于干线公路,因此以干线公路路面结构作为分析模型,见图1。

车辆荷载简化为矩形均布荷载,轮胎接地压强取0.7 MPa。考虑到水平力对罩面层剪应力的影响很大,本次分析将对考虑水平力作用与不考虑水平力作用进行比较。水平力系数δ取0.5,即标准轴载作用下水平力为0.35MPa。

图1 原路面结构图

3 有限元计算模型

利用ABAQUS有限元软件进行力学分析,计算模型沿路宽度方向和行车方向均取2.5 m,深度方向土基厚度取1m;单元类型采用C3D8R(三维8节点线性减缩积分单元);边界条件假设为底面上没有y方向位移,左右两面没有 x方向位移,前后两侧没有z方向位移 (经过验算,其他方向约束不影响计算结果);层间界面假设为各层完全连续,图2为计算模型示意图。

图2 计算模型示意图

4 热拌薄层罩面应力分析

本次热拌薄层罩面应力分析主要针对其高温稳定性,故主要分析其在荷载作用下的剪应力响应规律,而路面的剪切破坏主要有两种形式:一种是路面各层层间由于水平剪应力过大导致层间粘结失效而出现层间推移等病害;另一种是在车辆竖向力和水平力综合作用下,路面层产生的剪应力超过了其抗剪强度而出现搓板、拥包等病害。针对这两种破坏形式,本次有限元计算选取水平最大剪应力沿路面纵向的分量τyzmax以及路面各层沿深度方向的最大剪应力来分析。

4.1 不同罩面厚度下的应力分析

罩面厚度分别取1.5 cm、2.0 cm、2.5 cm和3.0 cm,各厚度下竖向最大压应力、水平纵向最大剪应力τyzmax及轮迹中心点处沿深度方向的最大剪应力峰值分别见图3和图4。

由图3可以看出,在水平力作用下,竖向最大压应力σymax在罩面层厚度2～3 cm范围内变化幅度较小,但厚度＜2 cm时σymax会明显增加,说明有水平力作用,且罩面层厚小于2 cm时会产生较大的竖向压应力,可能导致路面出现压密性车辙;由图4可以看出:无水平力作用时最大剪应力τyzmax随厚度增加而增大,有水平力作用时当层厚在1.5～2.5 cm范围内时τyzmax几乎不变,但罩面层厚度＞2.5 cm后,τyzmax明显增大,说明罩面层厚2.5 cm很可能是一个转折点,大于该厚度的罩面剪应力响应会有明显的改善;由图5可以看出,有水平力作用时轮迹中心点处最大剪应力峰值随罩面厚度增加变化不大,但无水平力作用时轮迹中心点处最大剪应力峰值随罩面厚度增加而增加,说明水平力在一定程度上增加了部分剪应力效应,由图可明显看出,有水平力作用时产生的最大剪应力峰值为无水平力时的2.5倍左右。同时其值均小于对应厚度的τyzmax,说明纵向最大剪应力τyzmax是罩面层材料抗剪强度的控制性指标。

图3 竖向最大压应力随罩面厚度的变化

图4 τyzmax随罩面厚度的变化

图5 轮迹中心点处最大剪应力峰值随罩面厚度的变化

综合以上分析结果,当罩面层厚度为2.5 cm时,剪应力响应是有所改善的,但考虑到养护工程的经济性,同时,从2 cm加厚到2.5 cm,罩面层的最大剪应力变化不大,而从2 cm减小到1.5 cm,罩面层竖向压应力增幅较大,容易出现压密性车辙及层底开裂等病害,故就抗剪性能而言,热拌罩面层厚2 cm是经济而且合适的。

4.2 超载作用下的应力分析

干线公路,超载现象屡见不鲜。车辆超载将使得罩面层所承受的累计标准轴次大大增加,从而大大缩短罩面层使用寿命。本节将考虑在100%超载和200%超载的情况下,来对超载下的路面剪应力响应进行分析。

根据重庆交科院环道试验的研究成果,当车辆超载时,可以认为轮胎充气压力不变,而接地压力随之增加,而且轮胎接地宽度B受荷载变化的影响很小,主要是接地长度改变。同时,根据交通运输部公路科学研究院 《重载交通沥青路面轴载换算研究总报告》中的研究结果,轮胎接地压力可以参照如下经验公式进行计算:

式中:p为轮胎接地压力,MPa;pt为轮胎充气压力,MPa;P为轴载,kN。

因此,将标准轴载下的数据代入公式 (1)(p=0.7 MPa,P=100 kN),可得到轮胎充气压力pt=0.4662069 MPa。由上文可知,车辆超载时,pt保持不变。故当超载100%时,单轴轴载即为200 kN,代入公式 (1),可得此时的轮胎接地压力为1.12 MPa,则水平力为0.56 MPa。忽略接地宽度B的变化而仅考虑接地长度的改变,则接地长度L增加为24 cm;同理,可得超载200%时,轮胎接地压力为1.54MPa,水平力为0.77MPa,接地长度为26.2 cm。

计算模型的矩形面积及作用荷载据以上计算结果进行调整,考虑到纵向最大剪应力τyzmax为控制性指标,故选取各罩面厚度有水平力作用时在100%和200%超载下的纵向最大剪应力τyzmax,与标准轴载下进行比较,见图6。

图6 不同罩面厚度超载作用下的τyzmax增幅比较

由图6中可以看出,超载作用时各罩面厚度下的τyzmax均有很大的增加,但不同厚度的τyzmax随超载作用的增加幅度基本相同,厚的罩面层并没有削弱其在超载作用下的剪应力响应。这再次说明,从路面养护的角度,2 cm厚的薄层是经济而且合适的。

5 结 语

采用ABAQUS有限元软件,针对热拌薄层罩面在荷载作用下的应力响应做了力学分析,鉴于重点关注的是薄层罩面的高温稳定性能,主要考察其剪应力的响应规律,通过分析,主要得到以下结论:

(1)τyzmax是罩面层材料抗剪强度的控制性指标,罩面厚度从1.5 cm增加到2.5 cm,τyzmax的变化很小,直到达到3.0 cm时,罩面层最大剪应力响应才有所改善,但考虑到养护工程的经济性,同时,从2 cm减小到1.5 cm,罩面层竖向压应力出现大的增加,容易出现压密性车辙及层底开裂等病害,故就抗剪性能而言,热拌罩面层厚2 cm是经济而且合适的。

(2)厚的罩面层并不能削弱其在超载作用下的剪应力响应,这再次说明,2 cm厚的薄层是经济而且合适的。

[1]胡小弟,孙立军,胡德亮.非均布水平及竖向力下沥青路面力学响应分析[J].华中科技大学学报:城市科学版,2004,21(1):20-24.

[2]胡小弟,孙立军.沥青路面结构在非均布荷载作用下的三维有限元分析[J].长安大学学报:自然科学版,2003,23(3):15-20.

[3]刘红坡,邱延峻.基于层间状态的沥青路面结构响应分析[J].路基工程,2008,(1):34-35.

[4]许新权,郑南翔.沥青路面在不同荷载作用下的剪应力特性分析[J].苏州科技学院学报:工程技术版,2008,21(1):10-12.

[5]武建民,苏凯,宋田兴.沥青混凝土路面层间推移破坏的研究分析[J].公路,2004,(8):105-107.

[6]单景松,黄晓明,廖公云.移动荷载下路面结构应力响应分析[J].公路交通科技,2007,24(1):10-13.

[7]李辉.沥青路面车辙形成规律与温度场关系研究[D].南京:东南大学交通学院,2007.

[8]高雪池.滨州黄河公路大桥桥面铺装研究[D].南京:东南大学交通学院,2006.