橡胶沥青应力吸收层（AR-SAMI）对沥青路面荷载应力响应的影响探析

周志

（深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518029）

0　引言

目前，在国内外交通道路建设中，主要采用在半刚性基层（水泥稳定基层）上铺筑沥青混凝土路面的方法。半刚性基层在水平方向或竖向超限位移时，沥青面层会在半刚性裂缝处出现反射裂缝，其中交通荷载是造成基层板缝位移的主要原因。为防止反射裂缝的发生，国内外进行了广泛的研究，目前就防止反射裂缝效果，综合工程造价及施工工艺，采用AR-SAMI是最为有效的方法。AR-SAMI以其优良的应力吸收效果、施工简单及速度快等特点在国外得到广泛的应用。然而国内对AR-SAMI施工技术的研究不是很全面，还没有形成适合我国国情的施工规范。本文利用有限元软件（ABAQUS）建立了沥青路面典型结构的有限元模型，对不同层厚度与不同模量的AR-SAMI在沥青路面结构的荷载下的应力响应进行计算分析，并根据计算分析结果，在实体道路工程中应用了AR-SAMI。

根据国外相关研究成果，AR-SAMI厚度为1～3 cm、模量为10～100 MPa较合适，为研究AR-SAMI防沥青路面反射裂缝的效果，本文选用三种 AR-SAMI厚度 （1 cm、2 cm、3 cm）、三种AR-SAMI模量（10 MPa、50 MPa、100 MPa），运用ABAQUS软件进行荷载应力分析。

1　有限元模型

1.1　模型尺寸选择及网格划分

本文采用大型通用软件ABAQUS对沥青路面模型进行有限元分析计算。考虑计算效率和计算精度的要求，采用二维平面应变模型，宽度取6 m（X方向），深度取3 m（Y方向）。

采用了非均匀的网格划分方法，提高计算效率，由两边向中间逐渐增密，由土基到路表逐渐增密。在荷载作用区域进行网格细化。采用三维8节点线性完全积分单元C3D8，提高计算精度和收敛速率。计算模型如图1所示。

1.2　荷载条件

车辆荷载采用规范《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2006）设定的标准荷载轮压p=0.7 MPa，相应当量圆直径为21.30 cm。采用单轴四轮荷载，荷载接触面形状采用正方形，接触面尺寸为18.9 cm×18.9 cm，双轮中心间距为32 cm，轴轮胎中心间距为182 cm。根据等效原则，荷载转换为线荷载大小为0.117 371 MPa。在防反射裂缝效果分析时，根据荷载经过裂缝上方最不利情况，采用两种荷载工况，分别为正荷载工况和偏荷载工况，如图2与图3所示。

图2　正载荷交通荷载

图3　偏载荷交通载荷

1.3　边界条件

其中X轴为道路纵向，Y轴为道路横向。道路纵向两断面X轴方向位移被约束，道路横向两断面Y轴方向位移被约束，底面上为固定约束。反射裂缝一般为横向裂缝，为模拟AR-SAMI在基层开裂的情况下防止反射裂缝扩展的效果，在水泥稳定碎石基层设置一条横向贯通基层裂缝，如图4所示。

图4　基层横向贯通裂缝

1.4　层间接触

层间接触状况对路面结构层间的应力传递影响比较大，在进行力学分析时通常考虑三种层间接触状况，即完全连续、不完全黏结和完全光滑。考虑到当前路面施工加强了层间结合处置，结合沥青路面设计假设，该模型中各层间采用完全连续模型。

1.5　路面结构计算参数

本文选用国内常用的路面结构层形式，在沥青下面层与水稳层间添加应力吸收层，路面结构层各层材料参数具体见表1。

表1　路面结构层各层材料参数

2　力学分析

本文采用面层弯拉应力与应力强度因子进行AR-SAMI在交通荷载下的力学分析。其中面层弯拉应力数值越大，面层越容易产生裂缝。剪切型应力强度因子数值表示位移，数值越大相对的位移也越大。张拉型应力强度数值为负数时，表明沥青面层出于受压状态；数值为正时，沥青里层处于受拉状态。正、负仅代表不同的受力或变形的方向。

2.1　应力层厚度力学分析

为研究不同AR-SAMI层厚对防治反射裂缝的效果，本文选用了0 cm、1 cm、2 cm、3 cm四种厚度加以分析，AR-SAMI模量统一定为50 MPa，其中0代表不添加AR-SAMI。

根据模型在正荷载工况条件下分析不同AR-SAMI层厚的面层底弯拉应力及强度因子，结果见表2。根据表2，在正荷载条件下，添加AR-SAMI可以有效减少面层底弯拉应力。

表2　不同AR-SAMI层厚在正荷载下的力学分析结果

通过表3与图5可以得出，添加AR-SAMI可以有效减少面层底弯拉应力及张拉型应力强度因子。同时随着AR-SAMI层厚的不断增加，沥青面层弯拉应力也随之增加。剪应力强度因子数值在不断变小，说明荷载产生的位置在减小；张拉应力强度因子在正荷载时统一为0，在偏荷载时沥青面层处于受拉状态，且数值变化不大。同时如图5所示，在偏荷载工况下，AR-SAMI层厚为1 cm最优。

表3　不同AR-SAMI层厚在偏载荷下的力学分析结果

图5　偏载荷下不同AR-SAMI厚度的力学比较

2.2　应力层模量力学分析

为研究不同AR-SAMI层模量对防治反射裂缝的效果，本文选用 0 MPa、10 MPa、50 MPa、100 MPa四种模量加以分析，AR-SAMI厚度统一定为1 cm，其中0代表不添加AR-SAMI。

根据模型分析不同AR-SAMI模量在正荷载工况条件下的面层底弯拉应力及强度因子，结果见表4。根据表4的计算结果，在正荷载条件下，添加AR-SAMI可以有效减少面层底弯拉应力。

表4　不同AR-SAMI层模量在正载荷下的力学分析结果

根据表5与图6的计算结果，在偏荷载作用下，添加AR-SAMI可以有效减少面层底弯拉应力及张拉型应力强度因子，但随着模量的增加，力学响应趋于平缓。同时如图6所示，在偏荷载工况下，AR-SAMI模量为50 MPa最优。

表5　不同AR-SAMI层模量在偏载荷下的力学分析结果

图6　偏载荷下不同AR-SAMI模量的力学比较

3　工程实例

为验证模型计算结果的可靠性，实例考察南京某大道AR-SAMI防治反射裂缝的效果。

该大道紧邻长江，道路全长14.76 km，道路结构层与模型结构相同。由于道路紧邻长江，工程区受潮汐影响，属感潮河段，每日两次高潮和低潮。道路场地被众多水塘、堤防和沟渠等切割，地貌形态破碎零乱，地势低洼处为沟、塘，地势明显凸起处为堤防和水塘埂，道路多处地段为高填方路基。考虑到大道特殊的地质条件，以及在长期交通荷载下水稳基层极易产生裂缝，大道路面施工过程中加铺一层1cm厚的AR-SAMI。道路建成近两年，路面完好无反射裂缝。同时与大道邻近的一条市政道路，路面结构与该大道结构层相同，但是没有设置AR-SAMI，通车后不久就出现了横向裂缝，具体如图7所示。

图7　相邻道路有无AR-SAMI的路况比较

4　结语

（1）AR-SAMI层厚，无论是正荷载还是偏荷载，沥青面层的力学响应均发生较大的变化，说明添加AR-SAMI能起到有效吸收应力的作用，防治反射裂缝。

（2）AR-SAMI模量，其力学响应数值变化与AR-SAMI层厚类似，随AR-SAMI模量的增加，力学分析值会出现一个拐点，在模量为50 MPa处。

（3）现场实例比较，AR-SAMI对防治沥青路面的反射裂缝起到较好的作用。本文建议AR-SAMI层施工时层厚1 cm，层模量为50 MPa。