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舊水泥路面瀝青加鋪層間防裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)研究

2015-01-22 07:07袁玉卿劉鳳利王選倉
關(guān)鍵詞:道路工程

袁玉卿,劉鳳利,王選倉

(1.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 開封 475004;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

舊水泥路面瀝青加鋪層間防裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo)研究

袁玉卿1,劉鳳利1,王選倉2

(1.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院,河南 開封 475004;2.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064)

摘要:為了研究舊水泥路面瀝青加鋪層間防裂抗拉強(qiáng)度指標(biāo),基于APP油氈層間防裂建立模型,進(jìn)行了力學(xué)分析、理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬,推導(dǎo)出了層間抗拉強(qiáng)度的實用計算式,推薦了強(qiáng)度指標(biāo)值.結(jié)果表明:在小變形的前提下,撓度值與縫寬度、延伸率成正比;防裂夾層所受到的拉力,與縫寬度、路面壓力成正比,與延伸率成反比;防裂夾層的拉伸模量在1 000 MPa時經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果最好,最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別為0.59 MPa,1.02 MPa,0.51 MPa.考慮油氈的通用試驗方法及抗拉強(qiáng)度的表示方法,油氈的抗拉強(qiáng)度應(yīng)不小于300 N/50 mm.

關(guān)鍵詞:道路工程;層間抗裂;加鋪層;舊水泥路面;抗拉強(qiáng)度;APP油氈

0引言

舊水泥路面加鋪瀝青層,設(shè)置層間防裂層能控制和延緩反射裂縫向上傳遞.苗英豪等[1]分析了土工織物內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變;李善強(qiáng)[2]、王選倉[3]等研究表明APP油氈抗裂性能良好;朱寧[4]、凌天清[5]等研究了土工材料及應(yīng)力吸收層防裂;袁明等[6]分析了層間剪應(yīng)力及敏感性;李俠[7]研究了溫度應(yīng)力和耦合應(yīng)力;王小俠[8]、李祖仲等[9]研究了應(yīng)力吸收層低溫抗裂性能;袁玉卿等[10]研究了最不利點(diǎn)位受力時層間用APP油氈防裂;周燕[11]、尚同羊[12]等分別探討了應(yīng)力吸收層抗剪性能及設(shè)計方法.以上研究篩選出了APP油氈、玻纖格柵、瀝青混凝土應(yīng)力吸收層等瀝青加鋪層間防裂材料,但是,尚沒有特別明確的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)限值要求,防裂材料的選擇和設(shè)計尚存在一定的盲目性,因此,基于舊水泥板穩(wěn)定和小變形的前提下,探索層間防裂抗拉強(qiáng)度計算方法和指標(biāo),以期為理論研究和工程應(yīng)用提供參考.

1理論分析

1.1受力分析

假設(shè)層間防裂材料為APP改性瀝青油氈,在水平面內(nèi)各向同性.均勻微小壓力p作用下,屬平面應(yīng)變問題,APP油氈受張緊的薄膜效應(yīng)作用,薄膜上各點(diǎn)產(chǎn)生微小撓度z;設(shè)縫寬為ξ;防裂層呈圓弧形曲線,在x=ξ/2處有最大撓度f.詳見圖1、2.

設(shè)APP油氈單位寬度內(nèi)受到拉力T,分析邊長dx和dy微單元受力.

(1)

整理得

(2)

解微分方程(2)得

(3)

代入邊界條件

(4)

則有

(5)

式(5)代入邊界條件

(6)

(7)

式中:T為APP油氈所受拉力,N/m;p為作用于APP油氈上的壓力,Pa;ξ為接(裂)縫寬度,m;f為APP油氈在荷載作用下產(chǎn)生的撓度,m.

1.2變形分析

如圖3所示,橫縫寬按規(guī)范規(guī)定為3~8 mm,所以f不可能大于ξ/2.事實上,當(dāng)f>ξ/2時,路面結(jié)構(gòu)本身已嚴(yán)重破壞,防裂層已失去功能.基于小變形,曲率圓的圓心不可能低于APP油氈未變形時的平面.因此,只考慮f≤ξ/2的情形.

由圖3可知曲率圓半徑r為

(8)

APP油氈延伸率ε為

(9)

將式(8)代入式(9)可得

(10)

(11)

(12)

式(12)兩邊對x求導(dǎo)數(shù),整理得

(13)

式(13)對應(yīng)的齊次方程為

(14)

式(14)可化為

(15)

對式(15)兩邊積分,得齊次方程(14)的通解

(16)

用常數(shù)變易法將式(16)中的c1變?yōu)閡,令

(17)

(18)

將式(18)代入非齊次方程(13)得

(19)

對式(19)積分,得

(20)

將式(20)代入式(17),得方程(11)的通解為

(21)

又知邊界條件

(22)

將邊界條件(22)代入式(21),可得c2=0,所以式(21)可化為

(23)

ψ=arctan 2x,

(24)

對式(24)進(jìn)行麥克勞林展開,則有

(25)

將式(25)代入式(23),略去高次項化簡可得

(26)

(27)

2數(shù)值模擬

2.1模型建立

視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系,由上至下:瀝青加鋪層、防裂夾層、舊水泥混凝土路面和基礎(chǔ).采用ANSYS有限元軟件,建立3維空間模型.APP油氈采用3維薄膜單元,其它層采用8節(jié)點(diǎn)實體單元.為反映半無限大空間特性,基礎(chǔ)深9 m、寬6.5 m、長12 m.

2.2計算參數(shù)

根據(jù)實際工程,水泥板長×寬×厚=5 m×4.5 m×0.28 m,其它參數(shù)見表1.

注:①基礎(chǔ)的彈性模量為原路面基層、底基層、墊層和路基的當(dāng)量值.

采用BZZ-100,輪胎內(nèi)壓0.7 MPa,雙輪間距31.95 cm,荷載圓半徑為10.65 cm.在最不利位置,即接縫單側(cè)中部,施加20 cm×40 cm的均布荷載.

2.3耦合應(yīng)力

路面結(jié)構(gòu)參考溫度為0 ℃,瀝青加鋪層表面降溫幅度為15 ℃,研究APP油氈夾層,在荷載與溫度聯(lián)合作用的耦合應(yīng)力如圖4.

由圖4知,當(dāng)防裂層拉伸模量從0 MPa(無夾層) 增大到1 000 MPa時,耦合作用下最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力急劇減小.當(dāng)防裂層拉伸模量從1 000 MPa 增大到5 000 MPa時,應(yīng)力曲線逐漸趨于平緩,說明此種工況對耦合應(yīng)力消減作用趨于穩(wěn)定.因此,防裂層的拉伸模量在1 000 MPa時經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果最好.此時,最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別為0.59 MPa,1.02 MPa,0.51 MPa.

3層間抗拉強(qiáng)度指標(biāo)分析

3.1基于理論推導(dǎo)的抗拉強(qiáng)度指標(biāo)

將公式(27)代入式(7)可得防裂層在縫上的張拉應(yīng)力計算式

(28)

防裂層延伸率ε一般為30%≤ε≤60%.取ξ=0.01 m,根據(jù)式(28)計算抗拉強(qiáng)度如圖5.

由圖5可知,防裂層的抗拉強(qiáng)度一般應(yīng)在500~4 500 N/m之間,綜合考慮各種因素,油氈的抗拉強(qiáng)度≮4 000 N/m.與通用表示方法一致,油氈的抗拉強(qiáng)度≥200 N/(50 mm).

3.2基于數(shù)值模擬的強(qiáng)度指標(biāo)

根據(jù)數(shù)值模擬的耦合應(yīng)力,計算APP油氈的抗拉強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度如圖6.

由圖6知,當(dāng)APP油氈層的拉伸模量從0 MPa(無夾層) 增大到1 000 MPa時,抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度急劇減小.此后,強(qiáng)度曲線逐漸趨于平緩.因此,選用APP油氈拉伸模量在1 000 MPa時經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果最好.此時,抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度分別為1 776.9 N/m,1 525.2 N/m.綜合考慮各種因素,油氈抗拉強(qiáng)度≮2 000 N/m.與通用表達(dá)方法一致,抗拉強(qiáng)度≥100 N/(50 mm).

綜合考慮理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬,安全系數(shù)[13]取1.5,因此,層間防裂材料的抗拉強(qiáng)度≮200×1.5=300 N/(50 mm).

4結(jié)論

本研究是在諸多假定條件下進(jìn)行的,計算結(jié)果具有一定的局限性和誤差,為了保證防裂效果,舊路面基層必須穩(wěn)定、板下無脫空.

(1)根據(jù)薄膜效應(yīng)原理建立力學(xué)模型,進(jìn)行受力分析,推導(dǎo)了APP油氈所受的拉力.

(2)根據(jù)曲率圓、縫寬度和撓度之間的幾何關(guān)系以及延伸率的定義,經(jīng)過變形分析,得到了撓度的實用表達(dá)式.

(3)根據(jù)力學(xué)及變形分析,推導(dǎo)出了實用的抗拉強(qiáng)度計算式.

(4)建立有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬,計算了車輛及溫度荷載共同作用下的耦合應(yīng)力.

(5)基于理論推導(dǎo)及數(shù)值模擬,防裂層的抗拉強(qiáng)度應(yīng)≥300 N/(50 mm).

參考文獻(xiàn):

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[10]袁玉卿,高丹盈,王選倉.APP油氈用于舊水泥路面瀝青加鋪層間防裂[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2012,34(4):48-51.

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[12]尚同羊,張苛,高濤濤,等.橡膠瀝青應(yīng)力吸收層設(shè)計方法探討[J].鄭州大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2013, 34(2):40-44.

[13]蔣應(yīng)軍,戴經(jīng)梁.土工織物在道路工程防裂中的應(yīng)用.長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007, 27(4): 18-22.

Research on Tensile Strength Index of Anti-cracking Interlayer between Old Cement Pavement and Asphalt Overlay

YUAN Yu-qing1, LIU Feng-li1, WANG Xuan-cang2

(1.School of Civil Engineering and Architecture, Henan University, Kaifeng 475004,China; 2.School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:To explore tensile strength index of anti-cracking interlayer between old cement pavement and asphalt overlay, based on the special model of APP modified bituminous linoleum reinforced the structure, mechanical analysis, theoretical derivation and numerical simulation were put forward. Then, practical calculation formula of tensile strength of anti-cracking layer was also deduced. Finally, strength index was recommended. In the premise of small deformation, deflection value is proportional to crack width and elongation. Pulling force of anti-cracking sandwich is proportional to crack width and pavement pressure, and inverse to elongation. The anti-cracking interlayer with 1000 MPa modulus can obtain the best economic technology effect, when the maximum principal stress, equivalent stress and maximum shear stress are 0.59, 1.02 and 0.51 MPa, respectively. In consideration of the general test methods and expression, the tensile strength of APP linoleum should be not less than 300 N/50 mm.

Key words:road engineering; anti-cracking interlayer; overlay; old cement pavement; tensile strength; APP modified bituminous linoleum

中圖分類號:U416.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.02.007

文章編號:1671-6833(2015)02-0028-05

作者簡介:袁玉卿(1972-),男,河南洛陽人,河南大學(xué)副教授,博士,博士后,主要從事道路工程研究,E-mail: yroad@126.com.

基金項目:河南省自然科學(xué)研究計劃資助項目(2011A580001);河南省交通運(yùn)輸廳科技項目(2010PII10);交通部西部交通建設(shè)科技項目(200531881213)

收稿日期:2014-11-27;

修訂日期:2015-01-09

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