郝金東，張萬輝，楊素超

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 重慶 400074)

目前，國內(nèi)早期建成的水泥混凝土路面已出現(xiàn)了不同程度的破壞，逐漸不能滿足交通運輸服務(wù)的需求.因此，需要對水泥混凝土路面進行大修改造.最常見的改建方法是在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混合料罩面層，其突出的優(yōu)點在于其下層有高強度的水泥混凝土路面板作為基層，可以承受較大的汽車荷載，上層的瀝青加鋪層又能顯著地改善路面使用性能，降低噪聲和揚塵，提高行車的舒適性和安全性[1]，而且造價低廉、工期短、對交通和環(huán)境的影響較小.但是，舊水泥混凝土路面上存在著接縫和裂縫，在荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的重復(fù)作用下，瀝青加鋪層在對應(yīng)于舊路面板接縫、裂縫的位置上極易出現(xiàn)新的裂縫，這種裂縫常稱之為反射裂縫.由于反射裂縫的存在，不僅破壞了路面的整體強度，而且一旦地表水沿著反射裂縫向下滲透,容易導(dǎo)致面層逐漸失粘脫落，路基強度降低，大大縮短了瀝青罩面層的使用壽命.因此，反射裂縫問題是舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層所面臨的一大難題.當車輛接近并駛過裂縫時，在裂縫附近產(chǎn)生了拉—剪切—拉的作用，當拉應(yīng)力或剪應(yīng)力超過瀝青混合料的強度極限時便產(chǎn)生張開型和剪切型裂縫并擴展，這種由交通荷載引起的裂縫我們稱之為荷載型反射裂縫.本文針對引起荷載型裂縫荷載應(yīng)力的幾個影響因素進行研究.

1 建立有限元模型

研究對象由瀝青加鋪層、帶有裂縫或接縫的水泥混凝土路面和基礎(chǔ)組成，建立空間三維模型.為了便于理論分析，采用如下假設(shè)[2]：各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體；各層層間豎向、水平位移均連續(xù)；基礎(chǔ)底面各向位移為0，基礎(chǔ)側(cè)面水平方向位移為0；不計路面結(jié)構(gòu)的自重影響；地基為彈性半空間地基；接縫寬度假設(shè)為0.5 cm且接縫處無傳荷能力.為了反映半無限大空間基礎(chǔ)的特性，基礎(chǔ)采用擴大尺寸來模擬，瀝青加鋪層、水泥混凝土路面和基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點實體單元SOLID45[3]進行應(yīng)力分析,路面結(jié)構(gòu)各層材料的厚度、彈性模量、泊松比如表1所示.

表1 路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of pavement’s structure

2 計算參數(shù)

擬定計算參數(shù)：水泥混凝土路面板長L=5 m，寬度B=3.5 m，厚度h=24 cm.取基礎(chǔ)不同尺寸計算誤差分析，綜合考慮實際，基礎(chǔ)尺寸擬定為 12 m×5.5 m×8 m,行車荷載采用標準軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7 MPa，單個輪壓作用范圍18.9 cm×18.9 cm，接觸面積為357.21 cm2，雙輪間距為32 cm，兩側(cè)輪隙間距為182 cm.經(jīng)過不同荷位計算分析比較，車輪荷載作用在接縫一側(cè)中部的偏荷載對加鋪層最為不利，也就是非對稱荷載作用[2]，布載方式如圖1所示.路面結(jié)構(gòu)的三維有限元模型如圖2所示.

圖1 最不利荷載位置示意圖Fig.1 Traffic loads at most disadvantaged positons

圖2 路面結(jié)構(gòu)有限元模型Fig.2 Finite element model of pavement’s structure

3 瀝青加鋪層的厚度對層底荷載應(yīng)力的影響

增加瀝青加鋪層的厚度，一方面可以降低加鋪層層底的拉應(yīng)力，另一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度，降低裂縫處的彎沉量和彎沉差，減小加鋪層的剪切應(yīng)力，而且裂縫擴展到路表的時間也就越長，防止或延緩反射裂縫的效果越好[4].但加鋪層的厚度也不能無限度地增加，一是經(jīng)濟上是不可行的，二是加鋪層過厚也易產(chǎn)生車轍，影響路面的使用性能.由于在非對稱荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)主要發(fā)生剪切型反射裂縫，所以只對瀝青加鋪層層底產(chǎn)生的最大剪應(yīng)力τmax和有效應(yīng)力σe與瀝青加鋪層厚度的關(guān)系進行分析,分析結(jié)果如圖3所示.

圖3 瀝青加鋪層厚度的變化對接縫處荷載應(yīng)力的影響比較Fig.3 Joint’s stress comparing with the thickness changing of asphalt overlays

由圖3可知，在最不利荷載位置的非對稱荷載作用下，水泥混凝土接縫處或裂縫處的瀝青加鋪層層底最大剪應(yīng)力、等效應(yīng)力隨著加鋪層厚度的增加而減小，在6 cm到10 cm左右時應(yīng)力下降的幅度較大，再隨著加鋪層的增加應(yīng)力下降的幅度緩慢.由此可見，在交通荷載作用下，增加瀝青加鋪層的度，有利于降低加鋪層層底的剪應(yīng)力集中，對延緩剪切型反射裂縫發(fā)生和發(fā)展的速度是很有效的.

4 軸載重量對加鋪層層底荷載應(yīng)力的影響

目前，許多公路超載、重載現(xiàn)象十分嚴重，使路面結(jié)構(gòu)遭到了加速破壞，所以有必要對瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的應(yīng)力狀態(tài)進行分析.

圖4 軸載重量變化對接縫處荷載應(yīng)力的影響比較Fig.4 Joint’s stress comparing with the loads changing

從圖4中可以看出，隨著車輛軸載的增加，水泥混凝土接縫處或裂縫處的瀝青加鋪層層底最大剪應(yīng)力、等效應(yīng)力都逐漸增加，與軸載基本成線性增加，說明軸載壓強對路面的影響顯著，所以要嚴格限制超載車輛的運營.

5 結(jié) 論

通過對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層在交通荷載作用下的三維有限元分析，可得到以下結(jié)論：

(1)在交通荷載作用下，隨著瀝青加鋪層厚度的增加，瀝青層底的應(yīng)力減小.所以，增加瀝青加鋪層的厚度，降低裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，可以抑制反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展.加鋪層厚度在6～10 cm時，應(yīng)力下降幅度最為顯著，再隨著加鋪層的增加應(yīng)力下降的幅度緩慢，所以建議瀝青加鋪層的厚度在大約10 cm為宜.

(2)在施加靜載的條件下，隨著車輛軸載的增加，瀝青層底的應(yīng)力逐漸增大，與軸載基本呈線性關(guān)系，軸載壓強對路面結(jié)構(gòu)的影響顯著.因此，嚴格限制超載超限車輛運營具有十分重大的意義.在設(shè)計水泥混凝土路面瀝青加鋪層時，應(yīng)對重載的不利影響充分考慮.

參考文獻：

[1] 陳 林,劉福軍.舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫處治方案的探討[J].交通標準化，2007，(10):1-2.

[2] 鄭建龍,周志剛,張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計理論與方法[M].北京：人民交通出版社,2003.41-55.

[3] 張 研.瀝青混凝土路面病害與加鋪層的力學(xué)分析[D].西安：長安大學(xué)，2005.7-10.

[4] 周 孔.水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的機理分析和防治措施[J].華東公路，2009，(2):1-3.