郝航程，周正峰

（1.深圳寶安國際機場，廣東 深圳 518103；2.西南交通大學(xué)，四川 成都 637900）

0 前言

目前，減緩瀝青混凝土加鋪層反射裂縫的措施主要有增加加鋪層厚度，以及加鋪層層底設(shè)置土工合成材料夾層。對荷載型反射裂縫國內(nèi)外做過不少分析，但是大多數(shù)結(jié)論都是針對汽車荷載。本文采用有限元法，詳細(xì)分析在飛機荷載作用下，這兩種措施對瀝青混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)受力的影響，明確加鋪層的應(yīng)力狀況及其對反射裂縫形成的影響。

1 有限元模型

應(yīng)用大型通用有限元軟件ABAQUS，建立瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)有限元模型。有限元模型由瀝青加鋪層、夾層（可選）、帶有接縫的舊水泥混凝土道面板、基層和地基組成，其中，舊水泥混凝土道面接縫寬度為1 cm，考慮無傳荷能力的不利情況。有限元模型中，各結(jié)構(gòu)層材料假定為均質(zhì)、各向同性的線彈性體，層間接觸假定完全粘結(jié)，采取二次減縮積分實體單元C3D20R模擬瀝青加鋪層、舊水泥混凝土板和基層，采取二次減縮積分薄膜單元M3D8R模擬土工合成材料夾層，地基不建實體模型[2]，直接采用ABAQUS接觸功能模塊中的Elastic Foundation進(jìn)行模擬[3]，地基反應(yīng)模量k=60 MN/m3。同時，為反映半空間地基的特性，基層和地基采用擴大尺寸，見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)計算模型

道面結(jié)構(gòu)幾何與材料參數(shù)見表1。

表1 道面結(jié)構(gòu)幾何尺寸及材料計算參數(shù)

作用的飛機荷載采用Boeing767-200的一個主起落架上，荷載參數(shù)見表2。

其中，輪印分布形狀按面積等效轉(zhuǎn)換為矩形，假定矩形接觸面長為0.8712 L，寬為0.6 L，則：

瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生是由行車荷載和溫度變化引起的。由斷裂理論可知，加鋪層中產(chǎn)生的反射裂縫主要是由瀝青層底正應(yīng)力引起的張開型裂縫和由剪應(yīng)力引起的剪切型裂縫[4]。當(dāng)飛機機輪荷載對稱作用于接縫上方時（簡稱中荷載），接縫處加鋪層整個截面均處于受壓狀態(tài)，由結(jié)構(gòu)、荷載的正對稱性可知，瀝青加鋪層底面在接縫處剪應(yīng)力為0?？梢哉J(rèn)為正對稱荷載不是引起反射裂縫的主要原因。因此，本文主要研究在偏荷載作用下的受力狀況。荷載作用位置見圖2。

圖2 荷載作用位置（對應(yīng)于舊水泥混凝土板）

表2 Boeing767-200荷載參數(shù)

2 瀝青加鋪層厚度的影響

增加加鋪層厚度可以提高道面的承載能力，但是，在滿足承載能力的情況下，靠增加加鋪層厚度來抵抗反射裂縫是有局限性的，并且是不經(jīng)濟的[5～7]。加鋪層厚度的變化會影響到荷載作用下加鋪層內(nèi)的應(yīng)力，從而也就與加鋪層防反能力相關(guān)。因此，對瀝青罩面合理經(jīng)濟厚度的研究不僅具有重要的現(xiàn)實意義，更具有顯著的經(jīng)濟效益。下面詳細(xì)分析加鋪層厚度對層內(nèi)荷載應(yīng)力及其反射裂縫的產(chǎn)生、部位等的影響。加鋪層厚度分別取5 cm，10 cm，15 cm，20 cm，25 cm，30 cm。瀝青加鋪層內(nèi)應(yīng)力和表面最大彎沉的計算結(jié)果見表3。

由表3可知：

（1）在偏荷載作用下，接縫（裂縫）區(qū)瀝青層底的水平向最大應(yīng)力σx和σy都為負(fù)數(shù)，即表明瀝青加鋪層底均受壓應(yīng)力作用。由此可知，最大剪應(yīng)力τxz和τyz以及最大主應(yīng)力σ1是引起接縫（裂縫）區(qū)瀝青加鋪層反射裂縫的主要原因。

（2）當(dāng)加鋪層厚度從5 cm變化到30 cm，接縫（或裂縫）區(qū)瀝青層底的剪應(yīng)力先增大后減小（見圖3），加鋪層厚度為10 cm時的層底剪應(yīng)力最大；當(dāng)加鋪層厚度大于15 cm后，層底應(yīng)力隨著厚度的繼續(xù)增加而減小，但減小趨勢變緩，加鋪層厚度的影響變小。因此，選擇薄層加鋪（小于8 cm），加鋪層底剪應(yīng)力較??；當(dāng)加鋪厚度超過10 cm后，適當(dāng)?shù)卦黾蛹愉亴雍穸葘p小加鋪層底剪應(yīng)力是有效的，達(dá)到一定厚度（約20 cm）后，再通過繼續(xù)增加加鋪層厚度來防治反射裂縫的效果非常微小。

圖3 加鋪層底剪應(yīng)力和主應(yīng)力隨厚度的變化

3 土工合成材料夾層的影響

本模型的土工合成材料厚度設(shè)定為0.5 cm，其彈性模量變化較大，一般來說，土工布的模量較小，土工格柵的模量較大。本文采用的土工合成材料模量從4 000 MPa到80 000 MPa，可模擬低模量的土工布及高模量的玻纖格柵。為了分析設(shè)置土工合成材料對不同厚度加鋪層應(yīng)力的影響，瀝青加鋪層取10 cm和20 cm兩種厚度，模擬薄層加鋪和厚層加鋪兩種情況。兩種加鋪層厚度的層底應(yīng)力和表面彎沉隨土工合成材料模量變化的計算結(jié)果分別見表4、表5。

表3 加鋪層底應(yīng)力和表面彎沉隨厚度的變化

表4 加鋪層應(yīng)力和表面彎沉隨土工合成材料模量的變化（加鋪層厚度為10 cm）

表5 加鋪層應(yīng)力和表面彎沉隨土工合成材料模量的變化（加鋪層厚度為20 cm）

由表4和表5可知：

與表3對比可知，對于10 cm厚的瀝青加鋪層，設(shè)置土工合成材料能減小部分層底剪應(yīng)力，但效果并不顯著，當(dāng)土工合成材料的模量在4 000 MPa～8 000 MPa的范圍內(nèi)變化時，剪應(yīng)力僅減少10.6%～13.4%。而對于20 cm厚的瀝青加鋪層，設(shè)置土工合成材料對層底的剪應(yīng)力幾乎沒有影響。

4 結(jié)論

（1）剪應(yīng)力和最大主應(yīng)力是引起接縫（裂縫）區(qū)瀝青加鋪層產(chǎn)生荷載型反射裂縫的主要因素。

（2）可以通過調(diào)整加鋪層厚度來減緩荷載型反射裂縫，除非結(jié)構(gòu)補強需要，加鋪層厚度不宜超過20 cm，且避免采用10 cm左右的厚度。

（3）設(shè)置土工合成材料能減小部分層底剪應(yīng)力，但效果并不顯著。

[1]黃衛(wèi),錢振東.高等瀝青路面設(shè)計理論與方法[M].北京:科學(xué)出版社,2001.

[2]ABAQUS.Analysis User's Manual Volume II:Analysis Version 6.4[Z].Pawtucket,2003.

[3]ABAQUS.Analysis User's Manual Volume III:Materials Version 6.4[Z].Pawtucket,2003.

[4]符冠華,陸慶,楊軍,等.夾層防治反射裂縫效果的應(yīng)力分析[J].東南大學(xué)學(xué)報,1999,29:106-113.

[5]The Asphalt Institute.Asphalt overlays for highway and street rehabilitation[Z].Manual Series,No.17(MS-17),1983.

[6]De Bolt.A.H,Searpas.A.Design of(reinforced)asphalt overlays[J].Proceedings,1997,2:1161-1180.

[7]孫濤,史保華,黃必斌.機場水泥道面改性瀝青蓋被層厚度設(shè)計[J].石油瀝青,2005,5:28-32.