基于有限元方法的“白加黑”路面荷載應力研究

趙軍輝,陳文強,朱益軍,劉志潔

(1.紹興市上虞區公路與運輸管理中心 紹興市 312000;2.浙江數智交院科技股份有限公司 杭州市 310006)

0 引言

我國農村公路多以水泥混凝土路面為主,隨著鄉村振興戰略的提出,對農村公路路面的技術狀況要求越來越高,原來的水泥混凝土路面已無法滿足交通運輸服務需求,需要進行路面改造。在舊混凝土路面上加鋪瀝青層是最為常用的改造方案之一,然而反射裂縫的防治是此方案的關鍵問題所在[1-2]。

目前,公路路面“白加黑”反射裂縫的防治措施主要有:(1)增加瀝青加鋪層厚度;(2)增設土工合成材料夾層;(3)增設應力吸收層。反射裂縫受瀝青加鋪層模量和厚度的影響,增加瀝青加鋪層厚度和彈性模量可減小瀝青層底應力,削弱應力集中作用[3]。土工合成材料具有良好的“橋聯”作用,可限制裂縫下部張開,延緩裂縫向上擴展,且聚酯玻纖布比玻纖格柵抗裂縫效果更好[4]。應力吸收層可通過消散應力集中來延緩反射裂縫,將應力吸收層厚度和模量控制在合理范圍內可實現抗裂縫效果最大化[5-6]。上述三種方法的有效性均已得到證實[1-6],但哪種防治措施的抗反射裂縫效果最好,目前還無確切定論,關于聚酯玻纖布與應力吸收層組合的抗裂縫措施效果研究還鮮有報道。文章在前人研究的基礎上進一步探索,研究了瀝青加鋪層的合理厚度以及舊水泥混凝土路面厚度對反射裂縫的影響,同時對幾種常用的處治措施效果進行了對比分析,旨在為實際工程應用提供參考。

1 有限元建模

1.1 計算模型及材料參數

為研究瀝青加鋪層底荷載應力狀態,建立路面有限元力學模型?；诼访娼Y構分析中常用的多層彈性連續體系理論,對模型作出以下假設:(1)各結構層均勻、連續,且為各向同性的彈性體;(2)各結構層間豎向、水平位移均連續;(3)模型底部各向和模型側面水平方向不發生位移;(4)接縫寬0.8cm,貫穿整個混凝土路面層且不傳遞荷載。

建立的二維有限元模型長10m,土基厚度取5m,水穩基層厚20cm,舊混凝土路面厚20～28cm,聚酯玻纖布厚1.3mm,應力吸收層厚1cm,瀝青面層厚5～20cm。行車荷載采用標準軸載BZZ-100,輪胎標準靜內壓力0.7MPa,作用范圍取0.213m。路面結構層材料參數見表1。荷載作用位置如圖1所示,取對瀝青面層最為不利的偏荷載[7],圖1中瀝青面層底部A點和B點為應力分析點。

圖1 路面結構示意圖

表1 路面結構層材料參數

1.2 建模方案

采用控制單一參數變量的方式研究瀝青加鋪層荷載應力,有限元計算模型分為三類,共9個,如表2所示。第一類為模型1、2、3、4,舊混凝土路面厚度為24cm,在舊混凝土路面上直接加鋪瀝青路面,瀝青路面厚度設置為5cm、10cm、15cm、20cm;第二類為模型2、5、6、7,舊混凝土路面厚度為24cm,瀝青路面厚度為10cm,處治措施分別為:直接加鋪瀝青路面、在舊混凝土路面和瀝青加鋪層間設置1.3mm厚的聚酯玻纖布、在舊混凝土路面和瀝青加鋪層間設置1cm厚的應力吸收層、在舊混凝土路面和瀝青加鋪層間依次設置1.3mm厚的聚酯玻纖布和1cm厚的應力吸收層;第三類為模型7、8、9,瀝青路面厚度為10cm,處治措施為1.3mm厚聚酯玻纖布+1cm厚應力吸收層,舊混凝土路面厚度為24cm、20cm、28cm。

表2 實驗方案

2 瀝青加鋪層荷載應力分析

根據Von Mises屈服準則、最大剪應力準則和最大拉應力準則,文章將最不利點的Mises應力σe、最大主應力σ1和最大剪應力τmax作為研究對象。有研究表明,舊混凝土路面接縫處最上方瀝青加鋪層最容易產生反射裂縫,反射裂縫由瀝青層底向上發展[8]。因此選擇瀝青面層底接縫上方A點為最不利點,聚酯玻纖布底B點為設置聚酯玻纖布和應力吸收層情況下的對比點。

2.1 瀝青加鋪層厚度對應力的影響

瀝青加鋪層厚度會影響反射裂縫的擴張路徑及速度[9],圖2為模型1、2、3、4提取A點處應力值得到的瀝青加鋪層底應力隨加鋪層厚度的變化曲線,由圖2可知,瀝青加鋪層底應力與瀝青面層厚度呈負相關。瀝青面層厚度由5cm增加到10cm時,接縫處瀝青層底應力σe、σ1和τmax下降幅度分別達到45.7%、43.8%和31.0%,由10cm增加到15cm時,σe、σ1和τmax下降幅度僅為22.5%、30.8%和6.7%,且隨著瀝青面層厚度的繼續增加,其對σe、σ1和τmax的減小作用越來越小。圖2可以看出曲線在厚度為10cm處出現拐點,表明瀝青面層厚度超過10cm時,瀝青面層厚度的增加對層底不利受力狀態的削弱作用明顯減弱,加之工程造價的持續增高,此種抗反射裂縫的實際應用價值將大打折扣。因此,通過一味地增大瀝青加鋪層厚度來防止反射裂縫是不經濟且不合理的,只需將瀝青加鋪層厚度控制在某一適當范圍內即可,如文中的計算模型瀝青面層厚度為10cm是最為經濟有效的。

圖2 瀝青加鋪層厚度對應力的影響

2.2 不同抗裂縫措施效果分析

為了分析不同抗裂縫處治措施的防反射效果,提取模型2、5、6、7瀝青層底A點處應力值繪于圖3,表3為瀝青加鋪層底應力下降幅度。在瀝青加鋪層和舊混凝土板之間增設聚酯玻纖布或應力吸收層均可有效減小瀝青加鋪層底應力,聚酯玻纖布等加筋材料具有隔離阻斷、傳遞荷載等作用,可有效減小瀝青層底剪應力,限制裂縫向上擴展,應力吸收層通過吸收部分面層傳遞的豎向應力有效減小了Mises等效應力σe和最大主應力σ1,而其層間作用對削弱瀝青層底剪應力τmax的貢獻作用也是顯著的?？偟膩碚f,只設置應力吸收層比只設置聚酯玻纖布抗裂縫效果更好。對于同時設置聚酯玻纖布和應力吸收層的處治措施,充分發揮了兩者的抗裂縫優勢,瀝青層底的最大主應力σ1和剪應力τmax均大幅減小,其抗裂縫效果比僅設置聚酯玻纖布和應力吸收層都顯著增強。綜合上述分析,聚酯玻纖布和應力吸收層均可緩解瀝青面層底部A點的應力集中,從而抑制反射裂縫的發展,其中應力吸收層比聚酯玻纖布的抗裂縫效果更佳,而兩者組合可最大限度的延緩瀝青面層開裂,在經濟條件允許的情況下,無疑采用聚酯玻纖布+應力吸收層的處治措施是最優的。

圖3 不同抗裂縫措施對應力的影響

表3 瀝青加鋪層底應力下降幅度

2.3 舊混凝土路面厚度對應力的影響

《公路水泥混凝土路面設計規范》[10](JTG D40—2011)指出水泥混凝土面層厚度的取值與交通荷載等級和公路等級均有關,根據規范[10]建議的面層厚度選取20cm、24cm、28cm來研究舊混凝土路面厚度對瀝青加鋪層反射裂縫的影響,其中20cm代表三、四級公路,24cm代表一、二級公路,28cm代表高速公路和交通荷載等級為特重的一級公路。

有限元模型7、8、9計算的瀝青加鋪層底A點處的應力值和聚酯玻纖布底裂縫上方B點的應力值見圖4。隨著舊混凝土路面厚度的增加,A點處Mises應力緩慢增加,最大主應力緩慢減小,最大剪應力基本不變;B點處應力值均隨混凝土路面厚度的增加而緩慢增加,且B點處應力值遠大于A點處應力值,其中最大主應力表現尤為明顯。這表明聚酯玻纖布和應力吸收層具有應力吸收作用,削弱了瀝青面層底的應力集中,使得混凝土路面厚度對最大剪應力的影響微乎其微,最大主應力隨混凝土路面厚度增加呈減小趨勢?？偟膩碚f,對于設置聚酯玻纖布和應力吸收層的路面“白加黑”工程,舊混凝土路面厚度對瀝青加鋪層反射裂縫的影響較小,設計時可不把混凝土路面厚度作為主要考慮對象。

圖4 舊混凝土路面厚度對應力的影響

3 試驗路鋪筑

覆卮山景區盤山公路約2.69km,設計時速15km/h,路基寬度為6.75m,路面寬度為6m,原路面結構采用20cm厚水泥混凝土面層+20cm厚水泥穩定碎石基層,橫斷面為兩塊板布置,單塊水泥混凝土面板寬3m,長4.5m。水泥混凝土路面局部路段有裂縫、碎邊、坑槽等病害,路面破損程度為良好至中等。公路“白改黑”設計方案為:病害處理后的舊水泥混凝土路面+1.3mm聚酯玻纖布(縱橫向接縫1m寬范圍內)+1cm同步碎石應力吸收層+6cmAC-20C普通瀝青混凝土+4cmSBS改性AC-13C瀝青混凝土,聚酯玻纖布和應力吸收層鋪筑如圖5所示。試驗路施工完成后,平整度儀測定的標準偏差σ為2.1mm,國際平整度指數IRI為3.8m/km。道路運營半年后,路面檢測RQI指標為96,行使質量指數得到大幅提升,PCI指標為100,路面未發生病害情況。

圖5 聚酯玻纖布和應力吸收層鋪筑現場

4 結論

(1)增加瀝青加鋪層厚度可削弱瀝青面層底不利應力狀態,瀝青面層底應力隨加鋪層厚度的變化曲線在10cm處出現拐點,通過一味地增大瀝青加鋪層厚度來防止反射裂縫是不經濟且不合理的?？紤]經濟效果,瀝青加鋪層厚度存在一最優值,10cm為宜。

(2)設置聚酯玻纖布和應力吸收層均是有效的抗裂縫措施,抗裂縫效果:直接加鋪瀝青層<聚酯玻纖布<應力吸收層<聚酯玻纖布+應力吸收層。

(3)對于設置聚酯玻纖布和應力吸收層的路面“白加黑”工程,接縫上方聚酯玻纖布底應力遠遠大于瀝青面層底應力,聚酯玻纖布和應力吸收層通過應力吸收和隔離阻斷作用可延緩反射裂縫的發展;舊混凝土路面厚度對瀝青加鋪層反射裂縫的影響較小,設計時可不重點考慮。