設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面車輛荷載應(yīng)力有限元分析

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院 公路工程系，陜西 西安 710018；2.長安大學 交通鋪面材料教育部工程研究中心，陜西 西安 710064)

摘要：針對剛性基層瀝青路面的反射裂縫問題，提出采用OLSM-25(Open-graded Large Stone Asphalt Mixes, OLSM)作為防裂層的方法，以國內(nèi)外OLSM參考級配為基礎(chǔ)，結(jié)合試驗段修筑情況，采用三維有限元方法，建立設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面有限元模型，對其車輛荷載應(yīng)力進行有限元數(shù)值分析，提出OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的實用計算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù).結(jié)果表明：在車輛荷載偏載作用下，軸載、貧混凝土基層厚度、瀝青面層厚度、OLSM-25防裂層模量及厚度對OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力具有顯著影響.

關(guān)鍵詞：道路工程；開級配大粒徑瀝青碎石；三維有限元；車輛荷載應(yīng)力；數(shù)值分析；防裂層

收稿日期:2015-06-18；

修訂日期：2015-07-14

基金項目:中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金項目(CHD 2010JC011)；陜西省教育廳專項科研計劃項目(14JK1067)

作者簡介:趙亞蘭(1979—)，女，陜西眉縣人，陜西交通職業(yè)技術(shù)學院副教授，碩士，主要從事公路路面結(jié)構(gòu)與材料研究,E-mail: 1204457943@qq.com.

文章編號:1671-6833(2015)05-0088-04

中圖分類號：U416.224

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.2015.05.019

Abstract:In view of the problem of the reflective cracking in the rigid base asphalt pavement, a method of using Open-graded Large Stone asphalt Mixes (OLSM) as the anti-cracking layer is proposed. On the basis of the reference gradation of OLSM in the domestic and international, combined with the test roads construction, by means of three-dimensional finite element method, the finite element model of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer has been established. Finite element numerical analysis on traffic load stress of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer have been done. And practical formula of traffic load stress for OLSM-25 anti-cracking layer has been proposed. All these provide a theoretical basis for structural design of asphalt pavement with OLSM-25 anti-cracking layer. The result show that: under the action of the asymmetric traffic load, axle load, thickness of lean concrete base, thickness of the asphalt surface layer, modulus and thickness of OLSM-25 anti-cracking layer have significant influence on the traffic load stress of OLSM-25 anti-cracking layer.

0引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)在交通荷載和環(huán)境因素作用下會產(chǎn)生荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力及耦合應(yīng)力。對于OLSM防裂層而言，當基層存在裂縫且三者應(yīng)力超過OLSM防裂層容許抗拉強度時，OLSM防裂層將產(chǎn)生裂縫，在三者應(yīng)力反復(fù)作用下裂縫自下而上將逐漸擴展至瀝青面層路表，最終導(dǎo)致整個瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞[1].筆者采用三維有限元法，結(jié)合試驗路建立設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)計算模型與參數(shù)，分析軸載以及各結(jié)構(gòu)層的厚度和模量等8個設(shè)計參數(shù)對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的影響規(guī)律，提出OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力計算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和計算依據(jù).

1有限元計算模型與參數(shù)

1.1有限元計算模型

圖1為試驗段OLSM-25防裂層瀝青路面計算模型，其中基礎(chǔ)指由路基、底基層等組成的路面綜合支承體系.針對該彈性層狀體系結(jié)構(gòu)，在符合瀝青路面基本假定基礎(chǔ)之上，還需做以下幾點假定[2-3]：①應(yīng)力分析時不考慮路面結(jié)構(gòu)重力場；②貧混凝土基層中部1 cm寬度的原始裂縫處無豎向荷載傳遞能力.基于已有研究對瀝青路面結(jié)構(gòu)計算模型的收斂性分析結(jié)論，基礎(chǔ)擴大尺寸擬定為10.50 m×9.00 m×16.00 m.

在分析交通荷載作用下荷載應(yīng)力時，采用標準軸載BZZ-100.根據(jù)已有研究對中荷載和偏荷載兩種荷載作用位置對比分析結(jié)論[4-6]，偏荷載作用為最不利荷載位置.試驗段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)的計算模型[4]見圖1.

1.2計算參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)研究成果[7-9]，OLSM-25級配組成見表1，表1為OLSM-25的推薦級配范圍。在試驗段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，采用推薦級配的上限作為防裂層級配.

分析瀝青路面結(jié)構(gòu)中OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力時，所采用的計算參數(shù)見表2，以試驗段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)作為計算基本結(jié)構(gòu)，逐一變化軸載、基礎(chǔ)模量、貧混凝土基層模量及厚度、防裂層模量及厚度、瀝青面層模量及厚度8個主要參數(shù)，8個參數(shù)的變化范圍見表3，分析8個參數(shù)對OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力σ1的影響規(guī)律，比較8個參數(shù)對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力指標的影響程度，從而確定出8個參數(shù)中對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響顯著的參數(shù)，在此基礎(chǔ)上提出OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力計算公式.

在BZZ-100偏載作用下，OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力出現(xiàn)在基層裂縫頂端A點位置[4, 10-11]，圖2為OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力點位置.根據(jù)材料強度的最大拉應(yīng)力理論[12-13]，在以下的荷載應(yīng)力分析中，主要考察OLSM-25防裂層底部A點的主應(yīng)力σ1.

圖1　試驗段OLSM-25防裂層瀝青

篩孔尺寸/mm通過各篩孔的質(zhì)量百分率/%31.526.5191613.29.5級配范圍10095-7571-5261-4352-3539-25篩孔尺寸/mm通過各篩孔的質(zhì)量百分率/%4.752.361.180.60.30.150.075級配范圍22-1217-810-46-24-12-11-0

表2　計算參數(shù)

圖2　OLSM-25防裂層底部的最大主應(yīng)力點位置

軸載P/kN基礎(chǔ)模量E0/MPa貧混凝土基層模量E1/MPa厚度h1/cmOLSM-25防裂層模量E2/MPa厚度h2/cm瀝青面層模量E3/MPa厚度h3/cm80～20025～80010000～3000016～28400～8008～14600～22009～14

2OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力分析

2.1荷載應(yīng)力參數(shù)影響規(guī)律分析

經(jīng)過有限元計算，OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力在軸載P等8個參數(shù)逐一變化時的計算結(jié)果見圖3.由圖3分析可知OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力受軸載P等8個參數(shù)的影響規(guī)律.

(1)軸載.在交通荷載偏載作用下，當軸載P由80 kN增至200 kN時(增幅150%)，最大主應(yīng)力σ1隨著軸載P的增大呈線性增加趨勢，最大主應(yīng)力σ1增幅144%，軸載P對OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力的影響作用顯著.

(2)基礎(chǔ)模量.在BZZ-100偏載作用下，最大主應(yīng)力σ1隨著基礎(chǔ)模量E0的增大而減小，最大主應(yīng)力降幅41%，OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力受基礎(chǔ)模量E0的影響較小.

(3)貧混凝土基層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨基層模量及厚度的增大而減小.當貧混凝土基層模量E1由10 000 MPa增至30 000 MPa時(增大2倍)，最大主應(yīng)力σ1降幅8%，貧混凝土基層模量E1對OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力影響很小；當貧混凝土基層厚度h1由16 cm增至28 cm時(增幅75%)，最大主應(yīng)力降幅18%，OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力受貧混凝土基層厚度h1影響顯著.

圖3　OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的參數(shù)影響規(guī)律

(4)OLSM-25防裂層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨其自身模量的增大而增大，隨其自身厚度的增大而減小.當OLSM-25防裂層模量E2由400 MPa增至800 MPa時(增大1倍)，最大主應(yīng)力σ1增幅16%，OLSM-25防裂層模量對最大主應(yīng)力影響較大；當OLSM-25防裂層厚度h2由8 cm增至14 cm時(增幅75%)，最大主應(yīng)力σ1降幅36%，OLSM-25防裂層厚度h2對最大主應(yīng)力影響顯著.

(5)瀝青面層模量及厚度.最大主應(yīng)力σ1隨瀝青面層模量的增大而增大，隨瀝青面層厚度的增大而減小.當瀝青面層模量E3由600 MPa增至2 200 MPa時(增大2.7倍)，最大主應(yīng)力σ1增幅3%，瀝青面層模量E3對OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力幾乎無影響；當瀝青面層厚度h3由9 cm增至14 cm時(增幅56%)，最大主應(yīng)力σ1降幅12%，瀝青面層厚度h3對OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力影響顯著.

以上分析表明，在軸載P等8個主要參數(shù)中，軸載、貧混凝土基層厚度、瀝青面層厚度、OLSM-25防裂層模量及厚度等5個參數(shù)對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響顯著.

2.2荷載應(yīng)力計算公式

為便于進行OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，在以上荷載應(yīng)力參數(shù)影響規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，建立OLSM-25防裂層底部最大主應(yīng)力的計算公式如下

σ pa= k 1 k 2 k 3 k 4 k 5 k 6 k 7 k 8 σ 1，

3結(jié)論

(1)采用三維有限元方法，以試驗段OLSM-25防裂層瀝青路面結(jié)構(gòu)為計算基本結(jié)構(gòu)，分析比較了軸載以及各結(jié)構(gòu)層的厚度和模量等8個設(shè)計參數(shù)對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的影響規(guī)律，結(jié)果表明：軸載、OLSM-25防裂層模量以及貧混凝土基層、瀝青面層、防裂層三層厚度對OLSM-25防裂層的荷載應(yīng)力影響顯著.

(2)在綜合分析軸載P等8個參數(shù)對OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了在交通荷載偏載作用下OLSM-25防裂層荷載應(yīng)力的計算公式，為設(shè)置OLSM-25防裂層的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)和計算依據(jù).

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Finite Element Analysis on Traffic Load Stress of Asphalt Pavement with

Open-graded Large Stone Asphalt Mixes (OLSM-25) Anti-cracking Layer

(1.Department of Highway Engineering, Shaanxi College of Communication Technology, Xi’an 710018, China; 2.Engineering Research Center of Transportation Materials of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Key words: road engineering; open-graded large stone asphalt mixes; three-dimensional finite element; traffic load stress; numerical analysis; anti-cracking layer