旧水泥混凝土路面沥青加铺层应力影响因素分析.pdf

公路交通技 术2 0 1 4年 8月 第4期T e c h n o l o g y o f Hi g h w a y a n d T r a n s p o r t A u g 2 0 1 4 N o 4 旧水泥混凝土路面沥青加铺层应力影响因素分析 李鹏程 ， 何文正 ( 1 招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆4 0 0 0 6 7 ； 2 重庆工商职业学院， 重庆4 0 0 0 6 7 ) 摘要 ： 为了分析旧水泥路面沥青加铺层的应力分布情况， 采用三维有限元力学计算方法， 分析加铺层模量、 旧水泥 混凝土板的有关参数以及基础条件对加铺层应力的影响。由计算可知， 在一定程度内， 加铺层模量的增大有助于减 弱荷栽造成的损害； 适当增大接缝宽度， 提 高基层和土基的模量及有效处治板底脱空， 可以减小沥青加铺层 内的应 力， 延缓或 防止反射 裂缝发展。 关键词： 旧水泥路面； 沥青加铺层 ； 力学计算； 影响因素 文章编号： 1 0 0 9 6 4 7 7 2 0 1 4 ) 0 4 0 0 1 9 0 5 中图分类号： U 4 1 6 2 1 7 文献标识码 ： A An a l y s is f o r S t r e s s I n f lu e n c e s o f As p h a l t Ov e r l a y O n O J d Ce me n t Co n c r e t e P a v e me n t LI Pe n g c h e n g ，HE W e n z h e n g Abs t r a c t：I n o r d e r t o a n a l y z e s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f a s p ha l t o v e r l a y o n o l d c e me nt c o nc r e t e p a v e me n t ，t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e mo d u l u s o f o v e r l a y ，r e l e v a n t p a r a me t e r s o f o l d c e me n t c o n c r e t e s l a b s a n d i n fl u e n c e s o f f o u n da t i o n c o n d i t i o n s o n s t r e s s o f o v e r l a y by me a n s o f 3 D f i ni t e e l e me n t me c h a n i c a l c a l c u l a t i o n me t h o d B a s e d o n c alc u l a t i o n，i n c r e a s e o f t h e mo d u l u s o f o v e r l a y i s h e l p f u l f o r r e d u c i n g d a ma g e s c a u s e d b y l o a d s t o a c e rt a i n e x t e n t ；a p p r o p r i a t e e n l a r g e m e n t o f j o i n t w i d t h ，i n c r e a s e o f t h e m o d u l u s o f b a s e c o u r s e a n d s u b g r a d e a n d e f f e c t i v e t r e a t me n t o f v o i d s be n e a t h c o n c r e t e s l a b s c a n r e d uc e t h e s t r e s s i n a s p ha l t o v e r l a y a n d p o s t p o n e o r p r e v e n t d e v e l o pme n t o f r e fle c t i v e c r a c ks Ke y wor ds：o l d c e me nt pa v e me n t ；a s p h a l t o v e r l a y；me c h a n i c a l c a l c u l a t i o n；i n flu e nc e f a c t o r s 水泥路面加铺沥青层具有工期短、 造价低、 对交 通影响小及服务性能好等优点 ， 但 由于混凝 土板与 沥青层的模量 比值较 大， 在混凝 土层积 累的应力更 容易反射到沥青加铺层， 产生反射裂缝， 当反射裂缝 扩展到一定规模与程度 时， 将影响路 面的使用性能 与寿命 。延缓 反射裂缝 的发展 ， 关键在 于分析 沥青加铺层的应力分布 ， 而沥青加铺层 的应力分布 不仅受到外部因素如行车荷载、 环境等的影响， 而且 还受到沥青加铺层复合结构 自身各组成部分的特性 影响。 旧水泥路面沥青加铺层复合结构是 由加铺层厚 度 、 夹层 、 旧水泥混凝土板 、 基础等组成。周 富杰、 孙 立军等 曾就加铺层厚度和层间接触条件对加铺层 的应力影响进行了力学分析。本文采用三维有 限元 模型， 并结合其他研究者的研究成果 ， 分析加铺层模 基金项目： 广东省交通科技项目( 2 0 1 2 0 2 0 1 4 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 3 1 3 作者简介 ： 李鹏程( 1 9 8 4 一 )， 男 ， 湖北省孝感市人 ， 硕士 ， 工程师 量、 旧水泥混凝 土板参数 以及基础条件 等对加铺层 应力的影响， 以便为复合式路面的结构设计 、 防反射 方式选择及加铺层设计等提供参考。 1 计算模型及参数 本文采用 8节点三维等参单元分析带接缝 的旧 水泥混凝土路面沥青加铺层内的应力分布状况 。所 分析的典型路面结构由沥青混合料加铺层、 模拟层 间接触条件的界面层 、 旧水泥混凝土板层 、 模拟 旧路 面板与基础接触条件的界面层、 基础等 5 层组成， 如 图 1所 示 ， 并假 定 旧水泥 混凝 土板 接缝 宽 度为 1 c m， 接缝间不传递荷载。 为了反映弹性半空 间地基 的特性 ， 在进行分析 时采用地基 扩大基 础 ， 尺 寸 ( 、 l ， 、 Z) 取 为 1 0 m 1 6 0 1 mx 9 0 m； 边界条件设地基的底面为 固定面 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 公路交通技术 2 0 1 4盎 单位 ： c m 图 1 旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构模型示意 混凝 土板 1 车轴位置 混凝土板2 图 2 临界荷位 表 1 结构层材料基本参数 与底面相垂直的四周边界为 自由面。单元 网格划分 设为加载部分单元网格较密 ， 远离加载点逐渐变稀 ， 扩大基础部分最稀疏 。 应力分析 时采 用 B Z Z一1 0 0标 准车 ， 轴重 1 0 0 k N， 轮压 0 7 MP a ， 双轮中心距 3 2 c m， 轮距 1 8 2 c m。 为了便于有 限元分析， 轮胎与路面的接触面积理想 化地设 为 1 8 9 c m 1 8 9 c m的正方形 ， 接触面积设 为 3 5 7 2 1 c m。有关研究提 出当行车荷载一侧作用 于加铺层边缘， 另一侧作用于加铺层内部且紧靠接 缝边缘时， 在加铺层 内引起的应力最大 ， 对加铺层 的 危害最大， 为临界荷位 J ， 如图2 所示。本文采用 在临界荷位处加载， 各结构层材料基本参数设置见 表 1 。 2 路面结构层对沥青加铺层应力影响分析 2 1 加铺层模量对加铺层应力的影响 沥青混合料是一种粘 、 弹、 塑性材料 ， 其性能 随 温度的改变而改变， 在由高温向低温过渡的过程中， 其劲度在逐渐增加 。虽然劲度的增大提高了沥青混 合料自身的抵抗力， 但同时在产生相同应变的情况 下， 在加铺层 中引起的应力也在不断增加 ， 而加铺层 的损伤程度取决于沥青混合料 自 身抵抗力和荷载引 起的外力增加的速率 。 本文选择不 同的沥青加铺层模量 ， 采用三维力 学模型来分析加铺层模量对加铺层应力的影响。根 据文献 3 结论， 在力学计算中， 均假定层间接触处 于完全连续和完全光滑之间的中间状态 ， 即取 G x z = C y z =1 0 0 MP a 。式中， G x z 、 C y z 分别为加铺层与混凝 土层的界面沿 方向和 Y方向的层间剪切模量。 沥青加铺层模 量对加铺层应力影 响如 图 3所 示。分析图 3中不同模量下的各应力值 ， 可 以看出， 随着加铺层模量的不 断增大 ， 各个方 向的应力都在 增大， 尤其是在模量由小变大的初期。由图 3可以 看到， 在模量增长的初期 ， 加铺层 中的应力变化很明 显 ， 、 o r ： 均 由压应力变 为拉应力 ， 且增 长较为迅 速； 到后期 ， 、 o r ： 变化的幅度在逐渐变小， 但 Or 增 加的速率却逐渐增大。这种情况在实际工程中是不 存在的， 因为当模量增大到一定程度 时， Or 会超过 加铺层与旧水泥混凝土板之间所能承受 的拉应力 ， 致使 2层之问脱开 。可见 ， 在模量达到加铺层与混 凝土板脱空的界限前 ， 随着模量增大 ， 虽然产生相 同 应变引起的应力也在增加 ， 但加铺层 自身的强度也 善 啮 耀 量 善 噬 摆 星 加铺层模量 MP a ( a ) 法向应力与加铺层模量的关系 + 日一 一 *T vz +口 ， + 一 _ 0 3 +T + e 加铺层模量 M P a ( b )主应力 与加铺层模量的关系 一 加铺层 方向的法向应力； - J n 铺层 Y 方向的法向应力； 仃 ： 一 加铺层 方向的法向应力； f -a n 铺层 Y 方向的剪应力； o - l 一第 1 主 应力 ； 2 一第 2主应力 ； 3 一第 3主应力 ； m a x 一最 大剪应力 ； 一 等效应力 。 图3 沥青加铺层模量对加铺层应力影响 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第4期 李鹏程， 等： 旧水泥混凝土路面沥青加铺层应力影响因素分析 2 1 在增加 。笔者认为， 单就行车荷载而言 ， 在加铺层 内 所造成的损伤是在逐渐减小。 2 2 旧水泥混凝 土面板有关参数对沥青加铺层应 力的影响 与旧水泥混凝 土板有关 的参数包括 ： 旧水 泥混 凝土板的模量、 厚度、 长度、 接缝宽度等_ 8 。本文就 这些参数的变化对加铺层应力 的影响进行了计算分 析， 计算 时所采用的基本路面结构及参数 同前 ， 计算 结果如 图4 7所示 。 分析图 4和图 5可知 ， 随着水泥混凝 土板模 量 增大， 加铺层中的应力逐渐变小 ， 但变化幅度较小； l 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 水 泥混凝 土板厚度Am ( b )主应力与混凝土板厚度的关系 图5 旧水泥混凝土板厚度对加铺层应力的影响 2 5 芝 2 1 5 1 耀0 5 0 + 一 日_ 一 *f 4 4 5 5 5 5 6 水泥混凝 土板 长度 m ( a )法 向应力与混凝土板长度的关 系 ( b )主应力 与混凝土板接缝宽度 的关系 图7 旧水泥混凝土板接缝宽度对加铺层应力影响 与水泥混凝土板 的模量相似 ， 随着水泥板厚度增加 ， 加铺层应力也逐渐减小 ， 但并不显著 ， 可以看到当水 泥板厚度由 1 8 e m增大到 2 8 e m时 ， 各应力仅 降低 了约 1 4 ， 表明刚性材料 的水泥混凝土模量和厚度 的增加对加铺层应力的削弱作用较小。从图 6可以 看出 ， 当混凝土板长从 4 0 m增加到 6 0 m时 ， 加铺 层的应力虽然有所减小 ， 但可以忽略 。 分析图7曲线可知， 接缝宽度较小时， 沥青加铺 层的应力较大 ， 且随着接缝宽度的逐渐增加 ， 加铺层 中的应力逐 渐减小 ， 当接缝 宽度 增大到 1 c m 以上 时 ， 应力减小变得不 明显。其 中： 7 - 。以及 r 一 的 减小幅度最大， 当接缝宽度由0 2 c m增大到0 4 c m 时 ， 由 2 7 9 1 MP a减 小 到 1 9 0 3 MP a ， 减 小 了 3 1 8 ， 由 5 1 1 8 MP a减小到 4 0 5 7 M P a ， 减小 了 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4血 2 0 7 ； 由 2 8 3 7 MP a减 J 、 到 1 9 9 6 MP a ， 减 J 、 了 2 9 6 。 由上述分析可知， 旧水泥混凝土板的模量、 板 长 、 板厚对沥青加铺层 中应力的影响较小 ， 但混凝土 板接缝宽度对沥青加铺层 中应力 的影响不能忽略 ， 尤其 当接缝宽度较窄时。因此 ， 在对旧水泥路面板 进行基于反射裂缝的评价 时， 水泥混凝土板上的接 ( 裂) 缝宽度应予以充分考虑 ， 有关水泥混凝土板 的 其他因素可作一般考虑。 2 3 基础( 基层+ 土基 ) 对加铺层应力的影响 基础是水泥混凝 土路面板的基本支撑体 ， 虽然 行车荷载通过水泥混凝土板传至基层 ， 土基的压力 要比柔性路面下基础所承受 的压力小得多 ， 但是基 层、 土基的稳定性直接关系到水泥混凝土路面的使 用性能， 这一点已为广大道路工作者所认同。本文 就基础对旧水泥混凝土路面加铺沥青层复合路面结 构的影响也进行 了计算分析 ， 采用的基本路面结构 和参数 同前 ， 计算结果如图 8所示 。 由图 8可以看出， 随着基础模量的增加 ， 加铺层 中的应力分量不断降 低。在基础 由弱变强 的过程 中， 基础初期的增强对改善加铺层 中的应力状况的 效果十分显著， 可以看到模量 由 1 0 M P a 增大为 4 0 M P a 时， o r 由2 2 4 9 M P a 减小为 1 3 6 3 M P a ， 降低了 3 9 4 ， 其他各应力分量也都有较大幅度的降低 ； 在 基础模量增大的后期 ， 相应的应力减小并不显著 ， 基 础模量由 1 5 0 M P a增大到 2 0 0 MP a时 ， 相应的各应 力减小幅度仅在 1 0 左右。 由上述分析可知 ， 当基层的模量很弱时 ， 适当提 3 5 f O x = ： = 基础模 MP a ( a )法 向应力与基础模量 的关系 黧 目 ： 去 基础模量 MP a ( b )主应力与基础模量的关系 图8 基础模量X ；I I J U 铺层应力的影响 高基础的模量对改善复合路面结构的整体结构强 度、 降低行车荷载的损坏有较大作用。这种现象也 暗示 了在进行加铺罩面前 ， 对基础进行合理处治， 对 于改善应力、 有效防治反射裂缝效果十分显著。 2 4 基础脱空对加铺层应力的影响 对旧水泥混凝土板下的脱空处理是处治旧水泥 混凝土路面板措施 中的一项重要内容 ， 大量工程实 践也证明其是一种有效措施。本文对不同脱空状态 下加铺层 中的应力进行 了计算分析， 所采用 的基本 路面结构及参数 同前 ， 且在讨论基础脱空范围的影 响时 ， 作了如下假定。 1 )基础在沿板的宽度方 向上均存在脱空， 而不 是局部脱空。 2 )基础脱空深度为 5 c m， 基础脱空范 围的变化 通过不断地释放单元 ， 并将单元模量、 泊松比置为较 小值来实现 。 本文仅讨论 以下 3类脱空。 1 )非加载板板底存在宽 5 c m 的脱空 ， 加载板 下的脱空分别为 5 、 1 0 、 1 8 9、 3 2 、 4 9 、 7 9 o m等多种宽 度。 2 )非加载板板底存在宽 1 5 e m 的脱空 ， 加载板 下的脱空分别为 1 8 9 、 3 2 、 4 9 、 7 9 c m等多种宽度 。 3 )非加载板板底存在宽 3 5 c m的脱空， 加载板 下的脱空分别为3 2 、 4 9 、 7 9 c m等多种宽度。 不同脱空状态下加铺层中的应力计算结果如图 9所示 。图 9中， 脱空范 围的表示方式为 ： 非加载板 板底脱空宽度( c m) + 接缝宽度( c m) + 加载板板底脱 空宽度( c m) 。 分析图9可知， 基础 的脱空范 围对接缝边缘加 铺层 内的应力有较大影响； 随脱空范围的增大， 加铺 层内的应力增大较为明显。例如， 脱空宽度由0 c m 变为 5 c m+ l c m+ 1 8 9 c m时 ， 应力 o r 由 0 8 1 1 MP a 增大为 1 0 3 6 MP a ， 增大了 2 7 7 ； 由 1 0 8 8 MP a 增大为 1 3 2 6 M P a ， 增大了 2 1 9 ； ： 由2 2 1 1 MP a 增大为 2 9 0 4 M P a ， 增大了 2 3 9 ； 由 1 0 8 5 MP a 增大为 1 2 9 7 MP a ， 增大了 1 9 5 。当脱空范 围增 大到 5 c m+ l c m+ 7 9 c m时， o - 增大了 6 6 2 ， 增 大了5 2 3 ， 增大了 7 4 4 ， T yz 增大了 4 7 8 ， 增幅明显加大。 虽然随着非加载板板底脱空范围的增大加铺层 中的应力相应有所减小 ， 但 减小 幅度不明显 。之所 以出现略微减小 的现象 ， 主要是 因为非加载板板底 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第4期 李鹏程 ， 等： 旧水泥混凝土路 面沥青加铺层应力影响因素分析 2 3 4 5 4 0 4 5 O 5 脱空范围 e ra ( a )法 向应力与脱空范围 的关系 + _日_ + 一 +7 + 1 +o。 + +f m ax + 3结 论 本文采用三维有 限元力学计算 ， 分析 了加铺层 模量、 旧水泥混凝土板的有关参数以及基础条件等 各种因素对加铺层应力的影响， 并得出以下结论。 1 )随着加铺层模量的增大， 加铺层中各方 向的 应力都在增大 ， 尤其是在模量由小变大的初期 ， 应力 增大较为明显 ， 但 同时加铺层 自身 的强度也在迅速 提高。单就行车荷载而言 ， 随着模量增大 ， 荷载在加 铺层 内所造成的损伤在逐渐减小 。 2 )旧水泥混凝土板 的模量 、 板 长、 板厚 对沥青 加铺层 内的应力影响较小 ， 但接缝对沥青加铺层 内 的应力影响不可忽略 ， 尤其当接缝宽度较窄时 ， 加铺 层 的应力会急剧增大。 3 )当基层 的模量很弱时 ， 适当提高基础的模量 能改善复合路面结构 的整体结构强度和加铺层的应 力分布， 对防治反射裂缝有较大益处。 4 )如果基础脱空范围增大 ， 则加铺层 内的应力 也随之增大， 且更容易产生裂缝。在加铺沥青层前 ， 处治旧水泥混凝土板底的脱空对防治反射裂缝十分 有效。 参 考 文 献 1 祝海燕 ， 王选仓 旧水泥路面薄层沥青罩面结构层间 剪应力分析 J 辽宁省交通高等专科学校学报 ， 2 0 0 6 ( 4 ) ： 1 2 2 刘淑艳 ， 王清州， 魏连雨 旧沥青路面裂缝对白色罩面 层受力的影响分析 J 路基工程， 2 0 1 1 ( 1 ) ： 1 0 2 1 0 4 3 周富杰 ， 孙立军 沥青罩面层荷载应力的三维有限元 分析 J 中国公路学报 ， 1 9 9 9 ( 4 ) ： 2 2 2 4 4 杨刚， 薛忠军， 张肖宁 旧水泥混凝土板加铺沥青罩 面结构的应力分析 J 黑龙江交通科技 ， 2 0 1 2 ( 7 ) ： 7 2-73 5 朱雷刚 旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计 J 现代 交通技术 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 2 5 2 8 6 谈至明， 姚祖康， 田波 水泥混凝土路面的荷载应力 分析 J 公路， 2 0 0 2 ( 8 ) ： 1 7 2 0 7 李超华， 钱国平， 吴东强 旧水泥混凝土上沥青罩面层 温度应力分析 J 公路交通技术 ， 2 0 0 4 ( 5 ) ： 4 1 4 4 8 魏连雨， 张海荣， 刘召伟 旧沥青路面上加铺水泥混凝 土层的力学分析 J 河北工业大学学报 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 94-99 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m