鄧志軍

(郴州市財(cái)政事務(wù)中心，湖南 郴州 423000)

半剛性基層瀝青砼路面是中國高等級(jí)公路的典型路面結(jié)構(gòu)形式。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量及軸重增大，對(duì)路面結(jié)構(gòu)和施工水平提出了更高要求。目前，瀝青砼路面普遍存在的技術(shù)和質(zhì)量難題主要是耐久性及早期破壞較嚴(yán)重，其病害多表現(xiàn)為裂縫。而半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)中基層及面層的彈性模量對(duì)結(jié)構(gòu)影響較顯著。該文通過ANSYS建立半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)有限元模型，分析在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下不同面層及基層彈性模量參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)受力及變形的影響效應(yīng)，為瀝青砼路面設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)及加載方式

目前，多使用層狀彈性理論體系模擬瀝青路面結(jié)構(gòu)，該體系廣泛應(yīng)用于圓形荷載作用下層狀彈性體內(nèi)應(yīng)力與位移研究。采用4層路面結(jié)構(gòu)體系(各結(jié)構(gòu)層的材料性能及厚度見表1)，以半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，對(duì)路面結(jié)構(gòu)面層及基層模量的敏感性進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 計(jì)算路面結(jié)構(gòu)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，取雙圓垂直均布荷載，當(dāng)量圓直徑為10.65 cm，圓心間距為31.95 cm。在路表相應(yīng)位置施加荷載，垂直荷載取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，荷載集度為0.707 MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d=21.3 cm，兩輪中心距為1.5d。

2 瀝青砼路面有限元模型建立

采用有限元軟件ANSYS建立半剛性基層瀝青砼路面有限元模型，局部尺寸為4.5 m×5 m，采用四節(jié)點(diǎn)等參數(shù)單元(見圖1)。

圖1 結(jié)構(gòu)有限元模型

為使模擬結(jié)果貼近實(shí)際工程，對(duì)邊界條件作如下假設(shè)：模型中x方向?yàn)闄M向位移，y方向?yàn)樨Q向位移；底部約束y方向位移，上表面自由。對(duì)材料特性及結(jié)構(gòu)特性作如下假定：1) 各層材料均符合連續(xù)、完全彈性、均質(zhì)、各向同性等規(guī)定，且位移與變形滿足小變形假定的要求；2) 底層的水平和豎直方向均為無窮大，其他層厚度均有限，水平方向假定為無窮大；3) 各層水平方向無限遠(yuǎn)處及豎直方向無限深處的應(yīng)力、形變與位移均為零；4) 層間接觸情況為位移完全連續(xù)或?qū)娱g僅豎向應(yīng)力和位移連續(xù)而無摩阻力；5) 不計(jì)自重。

基于前述假設(shè)及荷載選取，采用有限元軟件分析路面結(jié)構(gòu)在不同面層和基層模量下的應(yīng)力及位移變化情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

利用表1中路面各層結(jié)構(gòu)參數(shù)和ANSYS計(jì)算模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，得到路面結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力(見圖2、圖3)，研究半剛性基層瀝青砼路面面層及基層模量參數(shù)變化時(shí)應(yīng)力及位移的變化情況。

圖2 路面結(jié)構(gòu)豎向位移(單位：m)

圖3 路面結(jié)構(gòu)y方向應(yīng)力(單位：MPa)

3.1 不同面層模量下路面結(jié)構(gòu)受力性能

分別考慮面層模量為1 400、2 800、4 200 MPa 3種情況，采用ANSYS有限元模型對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見表2和圖4～6。

由表2、圖4～6可知：隨著面層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的豎向位移和最大應(yīng)力逐漸減小，最大剪應(yīng)力逐漸增大；模量增至一定程度后，隨著模量的繼續(xù)增大，其對(duì)結(jié)構(gòu)變形、最大應(yīng)力及最大剪應(yīng)力的影響減小。

表2 面層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)受力性能的影響

圖4 面層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)豎向變形的影響

圖5 面層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響

圖6 面層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的影響

3.2 不同基層模量參數(shù)下路面結(jié)構(gòu)受力性能

分別考慮基層模量為700、1 500、2 500、3 500 MPa 4種情況，計(jì)算半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形，結(jié)果見表3和圖7～9。

表3 基層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)受力性能的影響

圖7 基層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)豎向變形的影響

圖8 基層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力的影響

圖9 基層模量對(duì)半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力的影響

由表3、圖7～9可知：隨著基層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的豎向位移和最大剪應(yīng)力逐漸減小；模量增至一定程度后，隨著模量繼續(xù)增大，其對(duì)結(jié)構(gòu)變形及最大剪應(yīng)力的影響減?。浑S著基層模量的增大，最大應(yīng)力先增大后減小。

4 結(jié)論

(1) 隨著面層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的豎向位移、最大應(yīng)力減小，最大剪應(yīng)力增大；隨著基層模量的增大，半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的豎向位移及最大剪應(yīng)力減小，最大應(yīng)力先增大后減小。

(2) 隨著基層模量的增加，半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的豎向變形減小，一定程度上可通過減小面層厚度進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)變形控制；隨著基層模型的增大，結(jié)構(gòu)的抗剪性能提高，在面層模量不變的情況下，增加半剛性基層瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的基層模量能大幅度降低基層受拉開裂風(fēng)險(xiǎn)。