耿 皓,王 臣,崔海弘

(哈爾濱商業(yè)大學(xué),哈爾濱 150028)

瀝青混凝土路面具有行車平穩(wěn)、舒適、噪聲低維修養(yǎng)護(hù)方便、可以再生利用等優(yōu)點(diǎn),在各類公路和城市道路中得以廣泛應(yīng)用.隨著交通量的不斷增加和軸載的逐漸加重,路面結(jié)構(gòu)的損壞也日益加劇,許多瀝青路面在通車不久就產(chǎn)生不同程度的損壞[1].另外,當(dāng)溫度變化時(shí)在路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生溫度應(yīng)力,當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)路面結(jié)構(gòu)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)或溫度應(yīng)力反復(fù)作用時(shí),也會(huì)導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層的破壞.隨著路齡的增長(zhǎng)路面逐漸產(chǎn)生各種破壞,最終需要作某些處理.當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力不能滿足行車荷載的要求或表面損壞嚴(yán)重,采用一般養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施在經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí),對(duì)瀝青路面進(jìn)行加鋪改建可恢復(fù)其結(jié)構(gòu)承載力.為此,本文依托 2008年哈大(哈爾濱—大慶)高速公路加鋪改造工程項(xiàng)目,采用有限元理論,對(duì)瀝青混凝土加鋪層在荷載、溫度應(yīng)力作用下的受力情況進(jìn)行了力學(xué)分析和比較,以掌握瀝青路面交通荷載、環(huán)境因素(溫度變化)、材料參數(shù)以及設(shè)置防反射裂縫措施后對(duì)舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,為確定經(jīng)濟(jì)、合理的路面結(jié)構(gòu)加鋪方案提供理論依據(jù).

1 有限元模型的建立

為深入分析瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)中的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力,采用三維有限元法對(duì)設(shè)置及未設(shè)置防反射裂縫層的加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析.各實(shí)體模型如圖1所示.模型 1為直接加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu);模型 2為設(shè)置防反射裂縫措施(如 STRATA應(yīng)力吸收層)后加鋪結(jié)構(gòu);模型 3為舊混凝土面板破碎后新建瀝青路面[2].視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系,由于層間鋪灑粘層油,因此假定各層完全連續(xù)接觸,將破碎混凝土面板視為新建瀝青面層的半剛性基層.各層材料參數(shù)如表1所示.交通荷載為標(biāo)準(zhǔn)軸載 BZZ-100,輪胎內(nèi)壓 0.7 MPa,單個(gè)輪壓作用范圍 18.9 cm×18.9 cm,雙輪間距 32 cm,兩側(cè)輪隙間距為 182 cm[3].

圖1 三維實(shí)體模型

表1 各層材料參數(shù)

2 車輛荷載作用下瀝青加鋪層力學(xué)分析

2.1 瀝青混凝土厚度對(duì)加鋪層受力的影響

瀝青混凝土加鋪層的厚度與反射裂縫的擴(kuò)展速度有很大的關(guān)系,加鋪層越厚,其防止或延緩反射裂縫的效果就越好,裂縫擴(kuò)展到路表面的時(shí)間也就越長(zhǎng),但加鋪層也不可能無(wú)限度地增厚,一是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)上不可行,二是加鋪層過(guò)厚易產(chǎn)生車轍,影響路面的使用性能[4].隨著加鋪層厚度的增加,加鋪層層底的正應(yīng)力隨加鋪層厚度的增加而減小,剪應(yīng)力隨加鋪層厚度的增加先增加后減小,在 7 cm附近剪應(yīng)力達(dá)到最大值,從加鋪層受力狀況來(lái)看,在行車荷載作用下,加鋪層處于三向受壓狀態(tài),可能產(chǎn)生壓密變形.表2是加鋪層層底應(yīng)力隨厚度的變化參數(shù)值.2.1

表2 加鋪層層底應(yīng)力隨厚度變化

2.2 裂縫的發(fā)育情況對(duì)加鋪層受力的影響

瀝青路面的裂縫形式是多種多樣的,裂縫的發(fā)育程度也各不相同.裂縫的貫穿程度、裂縫的寬度等都可能對(duì)加鋪層的受力產(chǎn)生一定程度的影響[5].具體參數(shù)如表3所示.

表3 裂縫的貫穿程度對(duì)加鋪層受力的影響

由圖2層底應(yīng)力隨裂縫寬度變化可以看出,隨著裂縫貫穿程度的不斷加重,加鋪層層底的剪應(yīng)力值明顯增大,當(dāng)裂縫貫穿面層、基層和底基層時(shí),剪應(yīng)力的值比無(wú)裂縫時(shí)的值提高 1.5倍以上,這對(duì)加鋪層的受力極其不利,在這種情況下加鋪層可能因?yàn)榧羟卸芸飚a(chǎn)生破壞.在 1 cm的范圍內(nèi),裂縫的寬度對(duì)加鋪層層底應(yīng)力影響不大,從圖2可以看出當(dāng)裂縫由 0.1 cm增加到 1 cm時(shí),加鋪層內(nèi)應(yīng)力有小范圍的減小.但是當(dāng)裂縫從無(wú)到有變化時(shí)(對(duì)應(yīng)于圖2中裂縫寬度由0～0.1 cm)加鋪層層底應(yīng)力有一個(gè)突變,這也是加鋪層在裂縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中的體現(xiàn).由此可以看出,原路面帶裂縫的情況下加鋪層的應(yīng)力明顯不利于原路面無(wú)裂縫的情況,而裂縫寬度較小時(shí)可能對(duì)加鋪層的受力更為不利[6].

2.3 超載作用下加鋪層內(nèi)的受力情況

輪載經(jīng)由輪胎傳給路面,輪胎與路面接觸面上的平均豎向壓力受輪胎的內(nèi)壓力、輪胎的類型、輪載的大小等因素的影響:本文取軸重分別為 100、120、160、200、220、260、300 kN進(jìn)行分析 .見(jiàn)表4

圖2 層底應(yīng)力隨裂縫寬度變化

表4 加鋪層應(yīng)力隨軸重變化

由表4可以看出,隨著軸重的增加,加鋪層內(nèi)的壓應(yīng)力、剪應(yīng)力都相應(yīng)增加.而通過(guò)圖3、4的比較發(fā)現(xiàn),當(dāng)原路面有裂縫時(shí),這種變化趨勢(shì)更為顯著.當(dāng)超載量太大時(shí),超載車輛將顯著加快加鋪層壓密變形的產(chǎn)生,在瀝青加鋪層產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性車轍另外,過(guò)大的剪應(yīng)力也會(huì)使加鋪層產(chǎn)生失穩(wěn)性車轍和推移等破壞形式[7].

圖3 帶裂縫層底應(yīng)力隨軸重的變化

圖4 無(wú)裂縫層底應(yīng)力隨軸重的變化

3 溫度荷載應(yīng)力分析

3.1 溫度荷載的選取

路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,一般研究忽略了路面結(jié)構(gòu)各層最大溫度的后滯效應(yīng),而采用簡(jiǎn)化的指數(shù)函數(shù)來(lái)模擬路面結(jié)構(gòu)溫度隨深度的變化,這顯然與實(shí)際狀況有些不符[7].因此,本文對(duì)溫度荷載直接選取溫度梯度來(lái)分析溫度翹曲應(yīng)力,采用降溫幅度來(lái)分析溫度收縮應(yīng)力.該方法不僅物理意義清楚明了,而且所選荷載與產(chǎn)生應(yīng)力呈正比例關(guān)系(表5),從而避開(kāi)了結(jié)構(gòu)層參數(shù)與路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)的交互影響.根據(jù)哈大高速公路所處自然區(qū)劃分,加鋪 10 cm瀝青層后,25 cm舊水泥混凝土面板最大溫度梯度取 20℃/m,降溫幅度ΔT=-2℃.另外,在舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層中,瀝青混凝土實(shí)際屬于黏彈性材料,溫度場(chǎng)的變化一般僅影響其勁度模量,而對(duì)于舊水泥混凝土面板等脆性材料,則容易在溫度變化下產(chǎn)生溫度翹曲和收縮,繼而在瀝青層底部產(chǎn)生較大的拉伸和剪切應(yīng)力[8].因此,本文僅考慮舊水泥混凝土面板溫度翹曲和降溫收縮.

表5 各計(jì)算參數(shù)與溫度梯度的變化

3.2 溫度翹曲應(yīng)力分析

(6為對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行處治、修復(fù)或施加防反射裂縫措施前后,在舊混凝土面板產(chǎn)生溫度翹曲時(shí),各計(jì)算參數(shù)的比較結(jié)果.

從表6可以看出,處治防反射裂縫后瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況有了明顯的改善.其中加設(shè)STRATA應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層最大剪切應(yīng)力有了較大的降低,但是對(duì)瀝青層最大拉應(yīng)力和舊水泥混凝土底部最大拉應(yīng)力影響不大,而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對(duì)溫度翹曲所產(chǎn)生的應(yīng)力影響均較為明顯.

表6 處治防反射裂縫后瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)各計(jì)算參數(shù)(溫度翹曲)

3.3 溫度收縮應(yīng)力分析

表7為對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行處治、修復(fù)或施加防反射裂縫措施前后,在舊混凝土面板產(chǎn)生溫度收縮時(shí),各計(jì)算參數(shù)的比較結(jié)果.

表7 處治防反射裂縫后瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)各計(jì)算參數(shù)(溫度收縮)

從表7可以看出,處治防反射裂縫后瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況有了明顯的改善.其中加設(shè)STRATA應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層最大拉應(yīng)力影響較明顯,但是對(duì)瀝青層剪切應(yīng)力和舊混凝土板底部最大拉應(yīng)力影響不大.而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對(duì)溫度收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力影響均較大.

4 結(jié) 語(yǔ)

1)舊瀝青混凝土路面上鋪筑瀝青混凝土加鋪層,當(dāng)原路面帶有裂縫時(shí)行車荷載作用下會(huì)在加鋪層內(nèi)產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中,并且裂縫發(fā)展越嚴(yán)重對(duì)加鋪層內(nèi)的受力情況越不利.因此在鋪筑瀝青混凝土加鋪層時(shí)首先要處理好原路面的裂縫,以減小對(duì)加鋪層的不利影響.

2)加鋪層本身的性質(zhì)對(duì)加鋪層內(nèi)的受力有一定的影響,適當(dāng)增加厚度,可以減小其內(nèi)部應(yīng)力.

3)對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行處治修復(fù)和施加防反射裂縫措施后加鋪瀝青層,相對(duì)于直接加鋪瀝青層,結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀況有了明顯的改善.其中,加設(shè)STRATA應(yīng)力吸收層大幅降低了瀝青層底部的最大拉應(yīng)力和瀝青層最大剪應(yīng)力,而改善接縫傳荷與破碎舊混凝土面板對(duì)溫度翹曲和溫度收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力影響均較為明顯.

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