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        基于半柔性組合路面的有限元分析

        2021-10-28 05:33:18于宏明楊清塵
        山西交通科技 2021年4期
        關(guān)鍵詞:馬歇爾基體柔性

        于宏明,楊清塵

        (1.重慶交通大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,重慶 400074;2.重慶交通大學(xué),重慶 400074)

        0 引言

        半柔性路面的路用性能相較于普通瀝青路面與混凝土水泥路面的優(yōu)點(diǎn)突出,隨著交通行業(yè)的發(fā)展,半柔性路面越來越多地應(yīng)用在實(shí)際工程中,并且取得了相當(dāng)可觀的成果[1]。大部分研究都在材料方面對(duì)于半柔性路面性能進(jìn)行優(yōu)化,很少從實(shí)際出發(fā)來研究半柔性路面在實(shí)際應(yīng)用中的性能。該研究依托于實(shí)際工程,從實(shí)際出發(fā)將SFAC-13與SFAC-20級(jí)配分別應(yīng)用在上面層與中面層并利用有限元分析軟件abaqus,對(duì)彈性層狀體系模型在動(dòng)態(tài)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬分析和校驗(yàn)[2],并將傳統(tǒng)SMA路面進(jìn)行數(shù)值模擬分析,對(duì)比分析不同路面的受力與變形的特點(diǎn)。

        1 半柔性混合料設(shè)計(jì)

        1.1 基體瀝青混合料設(shè)計(jì)

        基體瀝青混合料的設(shè)計(jì)是半柔性混合料設(shè)計(jì)的重要步驟。SFAC-13使用SBS I-C改性瀝青,SFAC-20使用70號(hào)A級(jí)基質(zhì)瀝青,粗集料為玄武巖,細(xì)集料為石灰?guī)r,填料采用礦粉,經(jīng)過原材料的指標(biāo)測定試驗(yàn)均滿足規(guī)范要求。目標(biāo)級(jí)配如圖1、圖2。經(jīng)試驗(yàn)SFAC-13最佳油石比為3.7%,SFAC-20最佳油石比為3.4%。通過試驗(yàn)得到目標(biāo)配合比的性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。

        表1 基體瀝青混合料試驗(yàn)結(jié)果

        圖1 SFAC-13基體瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)圖

        圖2 SFAC-20基體瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)圖

        1.2 水泥基膠漿的設(shè)計(jì)

        參考相關(guān)文獻(xiàn)[3],水泥采用華潤水泥(湛江)有限公司的P.C32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥,粉煤灰采用廣東省化州市粵能化工實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰,礦粉采用廣東省電白縣霞洞蘭蘭石米廠生產(chǎn)的礦粉,微硅灰采用四川某公司生產(chǎn)的微硅灰,減水劑采用減水率為27%的聚羧酸系高效減水劑。通過正交試驗(yàn)最終確定膠漿的配合比以水泥為基礎(chǔ):水泥100%,粉煤灰10%,微硅粉12%,礦粉15%,減水劑1.05%。水為所有膠凝材料總量的50%,水泥基膠漿的性能試驗(yàn)結(jié)果見表2,滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G:D51-01—2019的要求。

        表2 水泥基膠漿的性能試驗(yàn)結(jié)果

        2 半柔性路面路用性能試驗(yàn)

        2.1 馬歇爾及浸水馬歇爾試驗(yàn)

        參考相關(guān)文獻(xiàn)[4-5],采用最佳油石比成型馬歇爾試件,進(jìn)行灌漿。SFAC-13與SFAC-20級(jí)配馬歇爾及浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。試驗(yàn)結(jié)果滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G:D51-01—2019的要求。

        表3 馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果

        表4 浸水馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果

        基體瀝青混合料未灌漿之前,由于空隙率過大,所以馬歇爾穩(wěn)定度較小、流值偏大。水泥基膠漿的灌入,顯著地提高了馬歇爾穩(wěn)定度,使流值減小。

        2.2 凍融劈裂試驗(yàn)

        依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011的試驗(yàn)方法,采用最佳油石比成型馬歇爾試件,進(jìn)行瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn),SFAC-13與SFAC-20級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G:D51-01—2019的要求。

        表5 凍融劈裂試驗(yàn)指標(biāo)測定結(jié)果

        灌漿后的基體瀝青混合料擁有極佳的水穩(wěn)性能。

        2.3 小梁彎曲試驗(yàn)

        依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中的試驗(yàn)方法,采用最佳油石比成型小梁彎曲試件(尺寸5×5×30 cm,試驗(yàn)溫度-10℃,加載速度10 mm/min),用彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變來檢驗(yàn)低溫抗裂性能。SFAC-13與SFAC-20級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果見表6,滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G:D51-01—2019的要求。

        表6 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

        2.4 高溫穩(wěn)定性檢驗(yàn)

        依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20—2011中T0703—2011的試驗(yàn)方法,采用最佳油石比成型車轍試件,檢驗(yàn)混合料的高溫穩(wěn)定性。SFAC-13與SFAC-20級(jí)配車轍試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。由表中的數(shù)據(jù)可知滿足《道路灌注式半柔性路面技術(shù)規(guī)程》T/CECS G:D51-01—2019的要求。

        表7 車轍試驗(yàn)結(jié)果

        灌漿后的基體瀝青混合料有著極好的高溫穩(wěn)定性,水泥基膠漿的灌入使瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性大大提高。

        3 有限元分析

        利用有限元分析軟件abaqus,對(duì)彈性層狀體系模型在動(dòng)態(tài)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行模擬分析。半柔性路面上面層為SFAC-13,中面層為SFAC-20。SMA路面上面層為SMA-13,中面層為SMA-20,參考當(dāng)?shù)嘏f路設(shè)計(jì)情況與相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]得到路面結(jié)構(gòu)組合形式如表8。

        表8 路面結(jié)構(gòu)材料和參數(shù)

        3.1 模型的基本形式

        研究模擬在0.7 MPa均布荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形情況。路面結(jié)構(gòu)是帶狀構(gòu)造物,其縱向(行車方向)和深度方向可視為無限大,而橫向尺寸相對(duì)較小,但建模過程中無法將模型的尺寸取為無限大,因此需合理確定計(jì)算模型的尺寸,使其在保證計(jì)算精度的同時(shí)又不增加過多的計(jì)算量。建立道路模型為15 m×5 m的正方形,土基深度4.24 m,依據(jù)對(duì)稱原理建立1/2尺寸模型,即7.5 m×3 m的模型。如圖3所示。

        圖3 半柔性路面結(jié)構(gòu)有限元模型

        3.2 輸出參數(shù)的選擇

        模型的輸出參數(shù)必須能夠反映路面結(jié)構(gòu)整體性能的變化,從半柔性路面抗車轍的角度出發(fā),首先考慮的是能夠表征瀝青混合料的高溫性能。瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力以及豎向位移對(duì)于高溫車轍有著重要的影響,故選擇沿路體深度的最不利截面的應(yīng)力變化與沿路面橫向的位移變化為輸出結(jié)果。

        3.3 計(jì)算結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

        0.7 MPa均布荷載條件下應(yīng)力沿最不利豎向截面的計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5。

        圖4 0.7 MPa均布荷載條件下水平方向應(yīng)力

        圖5 0.7 MPa均布荷載條件下豎直方向應(yīng)力

        0.7 MPa均布荷載條件下豎向位移沿路面橫向的計(jì)算結(jié)果見圖6。

        圖6 0.7 MPa均布荷載條件下豎向位移

        通過對(duì)結(jié)果分析得出,兩種路面不論水平應(yīng)力還是豎直應(yīng)力均主要集中在面層。經(jīng)過對(duì)比分析,半柔性路面與SMA路面的應(yīng)力沿豎向最不利截面的分布上擁有相同的分布規(guī)律,但是半柔性路面的最大應(yīng)力都略小于SMA路面。半柔性路面的豎向位移要明顯地小于SMA路面,擁有更好的抗車轍能力。

        4 結(jié)語

        a)半柔性路面擁有極佳的路用性能,其性能都能很好地滿足規(guī)范的要求。

        b)兩種路面的應(yīng)力主要集中在面層,而半柔性路面擁有更好的力學(xué)性能,所以在整修的路段半柔性路面是較好的選擇。

        c)在組合路面中,半柔性路面可以很好地發(fā)揮出自身的優(yōu)勢,通過模擬可以看出,在動(dòng)荷載作用下,半柔性路面相較于SMA路面變形更小,結(jié)合試驗(yàn)可以看出半柔性路面擁有更好的抗車轍能力。

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