申　莉，劉國民（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

含碎石化層的瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)分析

申莉，劉國民
（四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611130）

利用ABAQUS有限元軟件建立了含碎石化層的瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)模型，研究土基、舊路基層與碎石化層模量以及碎石化層和加鋪層厚度對含碎石化層瀝青加鋪層路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)的影響，確定碎石化模量的控制范圍。結(jié)果表明，荷載作用中心點及附近一定區(qū)域，瀝青加鋪層層底受拉；瀝青加鋪層層底拉應(yīng)力對土基模量、舊路基層模量、碎石化層厚度不敏感，但當(dāng)碎石化層模量較小（接近300MPa）或加鋪層厚（大于20cm）時層底拉應(yīng)力均較大，在重載作用下更大。因此碎石化道路必須驗算瀝青層層底拉應(yīng)力指標(biāo)。為使瀝青層層底拉應(yīng)力峰值不至于過大甚至超過容許拉應(yīng)力，使得受拉區(qū)域控制在一定范圍以內(nèi)，同時為降低加鋪層豎向剪應(yīng)力及土基頂面壓應(yīng)變，并達(dá)到防治反射裂縫的效果，碎石化層的模量宜控制在500~1000MPa。

碎石化；瀝青加鋪層；路面結(jié)構(gòu)；力學(xué)響應(yīng)；應(yīng)力；應(yīng)變

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

水泥混凝土路面由于具有剛度大、強(qiáng)度大以及承載力高的特點，而成為山西省最為常用的路面結(jié)構(gòu)形式。但是在長期重載甚至超載車輛的作用下，水泥路面已出現(xiàn)了大量不同形式的結(jié)構(gòu)性破壞，路面服務(wù)水平急劇下降。目前，國內(nèi)外通常通過修復(fù)或加鋪的方式來解決此類問題。舊水泥混凝土路面修復(fù)、加鋪的方式主要有以下兩種：一種是在舊水泥混凝土路面上繼續(xù)加鋪水泥混凝土，即“白加白”；另一種是加鋪瀝青混凝土面層，或者將處理過的舊混凝土層作為基層，然后再鋪筑瀝青混凝土面層，俗稱“白加黑”或“白改黑”。反射裂縫是“白改黑”路面工程中最常見，也是最難處理的病害之一，需要對碎石化層之上瀝青混凝土加鋪路面的力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，并得出各因素對其的影響[1-4]。

1　有限元計算模型的建立

1.1模型的基本假定及設(shè)置

路面結(jié)構(gòu)模型如圖1所示[5-7]。

圖1　碎石化路面結(jié)構(gòu)模型

材料屬性：假設(shè)路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系，路面各結(jié)構(gòu)層的材料均為線彈性，用彈性模量E和泊松比μ來表征。

層間接觸狀態(tài)：假設(shè)各結(jié)構(gòu)層完全連續(xù)，用Tie進(jìn)行約束。

荷載條件：選用標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，忽略輪胎壁剛度的影響，接地壓力取胎壓為0.707MPa，按單輪荷載計算，簡化為圓形，直徑為30cm。

模型及單元類型：建立軸對稱模型，采用線性CAX4R單元。

模型尺寸：8m（徑向）×7m（深度方向），由于是軸對稱模型，故實際尺寸為4m×7m，其中，考慮土基深度為6.1m。

邊界條件：土基底面固定，軸線及周邊施加水平方向約束。

計算范圍：荷載中心線處瀝青加鋪層層底徑向應(yīng)力（圖1中A點）、加鋪層層頂彎沉（圖1中B點）；荷載中心線處及荷載邊緣處沿瀝青加鋪層厚度方向剪應(yīng)力（圖1中AB、CD、EF線）；土基頂面壓應(yīng)變（圖1中G點）[8-10]。

1.2有限元幾何模型及網(wǎng)格劃分

有限元幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2　軸對稱有限元模型

1.3計算參數(shù)

借鑒國外已完成的碎石化工程的部分研究成果，再結(jié)合國內(nèi)道路工程材料經(jīng)驗值，同時考慮不同的瀝青加鋪層、碎石化層類型以及半剛性基層的不同工況組合，具體的計算參數(shù)取值見表1。

表1　路面結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料參數(shù)

表1中，當(dāng)瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度為25cm、模量為700MPa，半剛性基層模量為1 200MPa，土基模量為30MPa，將此時的路面視為典型的碎石化路面結(jié)構(gòu)。

2　碎石化路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

2.1土基模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，半剛性基層模量取1 200MPa，然后將土基模量依次取為30MPa、80MPa、150MPa，計算結(jié)果如下。

2.1.1瀝青層應(yīng)力

圖3為不同土基模量條件下瀝青層徑向應(yīng)力。由圖3可見，當(dāng)碎石化層模量為700MPa時，土基模量在30~150MPa內(nèi)變動，在荷載作用區(qū)域內(nèi)均將出現(xiàn)拉應(yīng)力，荷載中心線所對應(yīng)的層底（圖1中A點）拉應(yīng)力最大，可達(dá)0.1MPa左右；土基剛度對瀝青加鋪層層底應(yīng)力、瀝青加鋪層深度范圍內(nèi)的徑向應(yīng)力的影響很小；在0.7倍深度的位置開始出現(xiàn)層底拉應(yīng)力。

圖3　不同土基模量條件下的徑向應(yīng)力

圖4為不同土基模量條件下荷載作用區(qū)域瀝青層深度方向剪應(yīng)力。由圖4可見，土基剛度對瀝青加鋪層深度范圍內(nèi)的剪應(yīng)力影響均很小；輪跡外側(cè)邊緣處沿深度方向的剪應(yīng)力明顯大于荷載中心線處的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力沿深度方向先增大后減小，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在加鋪層深度方向的中間位置。

圖4　不同土基模量條件下沿深度方向的剪應(yīng)力

2.1.2土基頂面壓應(yīng)變及路表彎沉

圖5、圖6分別為不同土基模量條件下土基頂面的壓應(yīng)變與加鋪層路表彎沉。從圖5、圖6中可見，土基剛度對土基頂面壓應(yīng)變及加鋪層路表彎沉都會產(chǎn)生較大的影響，但如果土基模量超過80MPa，那么這種影響就開始逐漸減小；土基模量越大，則土基頂面壓應(yīng)變和路表彎沉越小；土基頂面壓應(yīng)變的變化趨勢與加鋪層路表彎沉的變化趨勢一致，這說明采用土基頂面壓應(yīng)變控制路面彎沉具有一定的合理性。

圖5　不同土基模量條件下土基頂面壓應(yīng)變

2.2舊路基層模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，然后將舊路基層的模量依次取為300MPa、1 200MPa、2 000MPa，計算結(jié)果如下。

圖6　不同土基模量條件下加鋪層路表彎沉

2.2.1瀝青層應(yīng)力

圖7為不同舊路基層模量條件下徑向應(yīng)力。從圖7中可見，當(dāng)碎石化層模量為700MPa時，舊路基層模量在300~2000MPa內(nèi)變動，在荷載作用區(qū)域內(nèi)都將出現(xiàn)拉應(yīng)力，荷載中心線處拉應(yīng)力可達(dá)0.1MPa左右；舊路基層模量越小，加鋪層層底拉應(yīng)力越大，但當(dāng)模量大于1 000MPa時，舊路基層模量對加鋪層層底應(yīng)力影響不明顯。

圖7　不同舊路基層模量條件下徑向應(yīng)力

圖8為不同舊路基層模量條件下荷載作用中心線及邊緣處沿深度方向的剪應(yīng)力。從圖8中可見，在舊路基層模量較小時，舊路基層模量對加鋪層豎向剪應(yīng)力有一定影響，模量較大時影響不明顯。

圖8　不同舊路基層模量條件下沿深度方向的剪應(yīng)力

2.2.2土基頂面壓應(yīng)變及路表彎沉

圖9、圖10分別為不同舊路基層模量條件下土基頂面壓應(yīng)變與加鋪層路表彎沉。從圖9、圖10中可以看出，舊路基層模量對土基頂面壓應(yīng)變及加鋪層路表彎沉都會產(chǎn)生較大的影響，但當(dāng)舊路基層模量超過1 000MPa時，這種影響開始逐漸減?。慌f路基層模量越大，則土基頂面壓應(yīng)變及加鋪層路表彎沉越小。

圖9　不同舊路基層模量條件下土基頂面壓應(yīng)變

2.3碎石化層模量的影響

將表1中瀝青層厚度取20cm，碎石化層厚度取25cm，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1200MPa， 碎 石 化 層 模 量 分 別 取 300MPa、700MPa、1 500MPa，計算結(jié)果如下。

圖10　不同舊路基層模量條件下加鋪層路表彎沉

2.3.1瀝青層應(yīng)力

圖11為不同碎石化層模量條件下瀝青層層底徑向應(yīng)力。從圖11中可見，當(dāng)碎石化層模量較大（1 500MPa左右）時，整個加鋪層層底都處于受壓狀態(tài)，這個剛度值處在半剛性基層模量范圍內(nèi)，因此對于半剛性基層的加鋪路面結(jié)構(gòu)，一般無需驗算加鋪層層底應(yīng)力。而當(dāng)碎石化層模量較?。ㄒ话阈∮? 000MPa）時，加鋪層層底開始出現(xiàn)拉應(yīng)力，模量越小，拉應(yīng)力大小及區(qū)域也越大，當(dāng)模量達(dá)到300MPa（典型級配碎石模量值）時，加鋪層層底拉應(yīng)力急劇增大，這就意味著，對于級配碎石加鋪路面和具有較低碎石化層模量的碎石化加鋪路面，都需要進(jìn)行層底拉應(yīng)力的驗算。

圖11　不同碎石化層模量條件下徑向應(yīng)力

圖12為不同碎石化層模量條件下荷載作用區(qū)域瀝青層深度方向剪應(yīng)力。從圖12中可見，碎石化層模量對瀝青加鋪層深度范圍內(nèi)的剪應(yīng)力影響很大，模量越小，則剪應(yīng)力越大，當(dāng)模量降低到300MPa（典型級配碎石模量值），最大豎向剪應(yīng)力達(dá)0.23MPa，說明模量較小的碎石化層模量不但使得瀝青層層底拉應(yīng)力增大了，還增大了豎向剪應(yīng)力。

圖12　不同碎石化層模量下沿深度方向的剪應(yīng)力

2.3.2土基頂面壓應(yīng)變及路表彎沉

圖13、圖14分別為不同碎石化層模量條件下土基頂面壓應(yīng)變與加鋪層路表彎沉。由圖13、圖14可見，碎石化層模量對土基頂面壓應(yīng)變及加鋪層路表彎沉均有一定的影響（尤其是碎石化層模量較小時），但當(dāng)碎石化層模量大于500MPa以后，這種影響開始減小；碎石化層基層模量越大，則土基頂面壓應(yīng)變及加鋪層路表彎沉越小。

圖13　不同碎石化層模量條件下土基頂面壓應(yīng)變

圖14　不同碎石化層模量條件下加鋪層路表彎沉

2.4碎石化層厚度的影響

將表1中瀝青層厚度取為20cm，碎石化層模量取700MPa，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1 200MPa，然后碎石化層厚度依次取20cm、25cm、30cm，計算結(jié)果如下。

2.4.1瀝青層應(yīng)力

圖15為不同碎石化層厚度條件下瀝青層層底徑向應(yīng)力。從圖15中可見，碎石化層厚度對加鋪層應(yīng)力的影響非常小。

圖15　不同碎石化層厚度條件下徑向應(yīng)力

圖16為不同碎石化層厚度條件下荷載作用區(qū)域瀝青層深度方向剪應(yīng)力。從圖16中可見，碎石化層厚度對加鋪層剪應(yīng)力的影響也非常小。

2.4.2土基頂面壓應(yīng)變及路表彎沉

圖17、圖18分別為不同碎石化層厚度條件下土基頂面壓應(yīng)變與加鋪層路表彎沉。從圖17、圖18中可見，碎石化層厚度對土基頂面壓應(yīng)變有一定的影響，但對加鋪層路表彎沉的影響不大。

圖16　不同碎石化層厚度條件下沿深度方向的剪應(yīng)力

圖17　不同碎石化層厚度條件下土基頂面壓應(yīng)變

圖18　不同碎石化層厚度條件下加鋪層路表彎沉

2.5加鋪層厚度的影響

將表1中碎石化層厚度取25cm、模量取700MPa，土基模量取30MPa，舊路基層的模量取1 200MPa，然后變化瀝青加鋪層厚度，依次取10cm、20cm、30cm，計算結(jié)果如下。

2.5.1瀝青層應(yīng)力

圖19為不同加鋪層厚度條件下瀝青層層底徑向應(yīng)力。從圖19中可見，加鋪層厚度大小對加鋪層應(yīng)力影響很大。當(dāng)加鋪層厚度小于10cm時，加鋪層層底各處均受壓；當(dāng)厚度超過10cm時，外部荷載作用下層底局部區(qū)域開始受拉。而國外研究表明，碎石化加鋪路面的厚度通常在20cm以上，所以，碎石化層層底都會產(chǎn)生拉應(yīng)力。

圖19　不同加鋪層厚度條件下徑向應(yīng)力

圖20為不同加鋪層厚度條件下荷載作用區(qū)域瀝青層深度方向剪應(yīng)力。從圖20中可見，加鋪層厚度大小對加鋪層剪應(yīng)力有一定的影響。對薄加鋪層，荷載邊緣處沿深度方向的最大剪應(yīng)力比厚加鋪層要大；而荷載中心線處沿深度方向的剪應(yīng)力的規(guī)律恰好相反。

圖20　不同加鋪層厚度條件下沿深度方向的剪應(yīng)力

2.5.2土基頂面壓應(yīng)變及路表彎沉

圖21、圖22分別為不同加鋪層厚度條件下土基頂面壓應(yīng)變與加鋪層路表彎沉。從圖21、圖22中可以看出，加鋪層厚度的變化會對土基頂面壓應(yīng)變和加鋪層路表彎沉產(chǎn)生一定的影響，加鋪層厚度越小，則上述兩項指標(biāo)越大，但當(dāng)加鋪層厚度達(dá)到20cm以后影響不明顯，這說明碎石化加鋪路面加鋪層厚度（一般大于20cm）對彎沉及土基頂面壓應(yīng)變的影響不大。

圖21　不同加鋪層厚度條件下土基頂面壓應(yīng)變

圖22　不同加鋪層厚度條件下加鋪層路表彎沉

3　結(jié)論

通過對碎石化層材料屬性的分析，利用ABAQUS有限元軟件建立了含碎石化層的瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算研究，得出如下結(jié)論。

（1）含碎石化層的瀝青加鋪路面，在車輪荷載作用中心點及周圍一定區(qū)域范圍內(nèi)，瀝青加鋪層層底受拉；當(dāng)碎石化層模量較低（接近300MPa）或加鋪層過厚（超過20cm）時，層底拉應(yīng)力較大（最大可達(dá)0.26MPa），在重載作用下，層底拉應(yīng)力更大；層底拉應(yīng)力對土基模量、舊路基層模量、碎石化層厚度不敏感。若為高速公路或一級公路的加鋪路面，交通當(dāng)量軸載次數(shù)大于107，加鋪層材料劈裂強(qiáng)度偏低時，會使得加鋪層層底容許壓應(yīng)力偏?。?.13~0.20MPa），如表2所示。鑒于此，對于碎石化道路有必要驗算瀝青層層底拉應(yīng)力指標(biāo)。

表2　瀝青加鋪層容許拉應(yīng)力

（2）為使瀝青層層拉應(yīng)力峰值不至于過大甚至超過容許拉應(yīng)力，使得受拉區(qū)域控制在一定范圍以內(nèi)，同時為降低加鋪層豎向剪應(yīng)力及土基頂面壓應(yīng)變，碎石化層的模量不宜太小，建議控制在500MPa以上。

（3）碎石化層模量在1 000MPa以下時，提高其模量對降低計算彎沉貢獻(xiàn)大，碎石化層模量在1 000MPa以上時，提高其模量對降低彎沉貢獻(xiàn)不大。另外，考慮到碎石化層模量越大，破碎越不徹底，加鋪路面產(chǎn)生反射裂縫的可能性也越大，碎石化層模量建議控制在1 000MPa以下。

（4）舊路基層模量越大，對碎石化層上加鋪的瀝青層層底應(yīng)力的影響越小，但可降低土基頂面壓應(yīng)變，并且對降低路表彎沉貢獻(xiàn)較大；隨著土基模量的增大，土基頂面壓應(yīng)變、路表彎沉均會降低。因此，在碎石化施工時應(yīng)盡量減少施工對舊路基層和土基的影響，勿大幅降低其模量。

[1]郭迎平.基于舊水泥路面瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力吸收層路用性能[J].山西交通科技，2010（6）：4-6.

[2]Behringer R P.The Dynamics of Flowing Sand[J].Nonlinear Science Today,1993,3(3):2-15.

[3]Jaeger H M,Nagel S R,Behringer R P.Granular Solids,Liq?uids,and Gases[J].Reviews of Modern Physics,1996,68(4): 1259-1273.

[4]Miguel Da Silva,Jean Rajchenbach.Stress Transmission Through a Model System of Cohesionless Elastic Grains[J]. Letters to Nature,2000,406(17):708-710.

[5]姚祖康.公路設(shè)計手冊—路面[M].北京：人民交通出版社，2006.

[6]Seed R B,Duncan,J M.FE Analyses:Compaction-Induced Stresses&Deformations[J].Journal of Geotechnical Engi?neering,1985,112(1):23-43.

[7] 中交公路規(guī)劃設(shè)計院.JTG D40—2002公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2003.

[8] 王金昌，陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應(yīng)用[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[9]湯文，孫立軍，陳繼松.應(yīng)力吸收層防治瀝青加鋪層反射裂縫的力學(xué)分析[J].公路工程，2008（4）：1-4，41.

[10] 黃曉明，張玉宏，李昶，等.水泥混凝土路面碎石化層應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析[J].公路交通科技，2006，23 （2）：52-55.

Asphalt Overlay Pavement Structure with Rubblized Layer

SHEN Li,LIU Guo-min
(Sichuan Vocational and Technical College of Communications,Chengdu 611130,China)

A asphalt-overlay pavement structure model was established by using ABAQUS FEM soft?ware to study the effect of the modulus of soil foundation,old subgrade and rubblized layer,as well as the depth of rubblized layer and asphalt overlay on the mechanical response of asphalt-overlay pave?ment structure with rubblized layer,in addition to determine the control range of the modulus of rub?blized layer.The conclusions showed that:in a certain range around the loading center,the stress was tensile at the bottom of asphalt layer;the tensile stress at the bottom of asphalt layer was insensitive to the modulus of soil foundation,the modulus of old base and the depth of rubblized layer;when the modu?lus of rubblized layer was smaller than 300MPa,or the depth of asphalt overlay was greater than 20cm, the tensile stress at the bottom of asphalt layer was greater,especially under the action of heavy load. Therefore it′s necessary to check and calculate the tensile stress index of asphalt overlay.In order to en?sure the peak value of the tensile stress at the bottom of asphalt layer not exceed the allowable tensile stress so that the tensile area can be limited to a certain range,meanwhile to reduce the vertical shear stress of asphalt and the compressed strain at the top of soil foundation for achieving the effect of prevent?ing reflective cracking,the modulus of rubblized layer should be controlled at 500~1000MPa.

rubblization;asphalt overlay;mechanical response;stress;strain

U416.01

A

2095-9931（2015）01-0114-08

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.019

2014-11-17