張淑霞

(山東省臨沂市交通運輸執(zhí)法支隊，山東 臨沂 276000)

隨著珊瑚砂在道路修建中的的使用，珊瑚砂混合料有了廣泛的應用[1]。此材料是一種新型的道路基層鋪設材料[2]。珊瑚砂混合料以低成本為亮點，是現(xiàn)階段乃至未來道路修建材料的研究熱點[3]。另外，由于珊瑚砂混合料本身的特性，它推動了珊瑚砂類似材料的發(fā)展和探究，并與用于分析道路數(shù)據(jù)和力學傳導信息的存儲和管理平臺相結(jié)合[4]。珊瑚砂材料是現(xiàn)代道路鋪設中的重要材料，以其低成本、普適性好、易推廣而被廣泛研究和應用，特別是在海島地區(qū)，珊瑚砂混合料為地區(qū)的道路建設起到了相當大作用[5]。研究將珊瑚砂混合料的混合比例與路面修筑基層的路用性能進行比較，以彌補珊瑚砂混合料混合比例與道路路用性能和拉應力關(guān)系的研究不足。該材料它具有廣闊的研究前景。

1 珊瑚砂混合料路面應力有限元分析

1.1 珊瑚砂水泥混合料配比設計

在混凝土生產(chǎn)技術(shù)中，粗粒的質(zhì)量不僅影響新鮮混凝土的特性，而且影響最終強度，抗?jié)B性，耐久性和其他性能[6]。粗粒級高密料必須具有較高的堆積密度和相對較低的孔隙率，這可以減少粘合劑的用量和用于濕潤密料表面的水量，并解決因分級不佳而引起的各種問題。在一定的體積劑量范圍內(nèi)，混凝土的強度隨粗密料數(shù)量的增加而增加[7]。表1顯示了各混合料的配比和響應性能，在方案1中，當粗細比例為65∶35時，通過率分別為100、89.90、78.90、60.67、54.54、32.09、1.01、15.90和1.01，其余級配方案的對應通過率如表1所示。當水泥和珊瑚砂基于以上理論分析和過去的經(jīng)驗，在設計珊瑚砂水泥混合料配比時考慮了珊瑚礁沙粒的低電阻率和粒子形狀的變化。同時，確保了顆粒形成高質(zhì)量的支架，并減少顆粒之間的空隙數(shù)量。最后，選取最大密度理論方法中的反向推導方法用于計算聚集體級配的粒度分布，通過控制大顆粒(直徑大于4.75 mm的顆粒)的通過速度，可反向計算混合料的密度，并計算珊瑚砂料的通過百分率。

表1 級配組成Tab.1 Grading composition

1.2 珊瑚砂混合料路面應力有限元模型建立

根據(jù)珊瑚砂混合料的機械性能，瀝青路面一般被認為是粘彈性塑料體，在計算此類材料的應力時，會出現(xiàn)機械和數(shù)學問題[8]。珊瑚砂的機械性能和數(shù)學問題可以使用模型來呈現(xiàn)。圖1反映了珊瑚砂混合料路面動荷載模型，珊瑚砂混合料路面動荷載模型：15 m×10 m×6 m，從上到下逐層構(gòu)建路面模型，創(chuàng)建頂層，中間表層，底層，基礎層，下層路基，以及接觸區(qū)；每層之間都填充有固體。在分析和研究瀝青路面的結(jié)構(gòu)時，通常假定路面的每個結(jié)構(gòu)層都是平坦的粘彈性層，網(wǎng)格通道是半空間中的彈性體。當對這種類型的尺寸模型執(zhí)行有限元計算時，不能認為模型的大小是無限的，且只能在仿真過程中建立相對較大的模型，這會導致數(shù)據(jù)需要重新計算的問題。因此，有必要正確地確定模型的大小，以確保計算的準確性，而無需增加其他計算的數(shù)量。為此，對于珊瑚砂混合料路面的設計模型，需要充分考慮以上因素。

圖1 動荷載模型Fig.1 Dynamic load model

珊瑚砂混合料路面應力有限元模型的形狀為長方體，2D模型模塊使用具有8個節(jié)點和1個正方形平面的雙向變形正方形元素，因此減少了積分的累計；而3D模型模塊使用十六進制元素，雖然也是具有8個節(jié)點的三維結(jié)構(gòu)，但是減少了積分。珊瑚砂混合料路面應力2D模型如圖2所示，圖2(a)為輪印面積簡化圖形，根據(jù)有限元理論，網(wǎng)格單元越多，計算結(jié)果越準確，越接近實際載荷情況，因此該圖形使用較小的網(wǎng)格尺寸，從而避免引起大量的計算，長為0.871 2L(L為2支點之間的距離，mm)，寬為0.6L，減少計算要求，因此計算速度較高。圖2(b)為珊瑚砂混合料路面應力有限元模型的標準軸載示意圖，我國的瀝青路面通常以100 kN單軸雙軸為標準設計載荷，根據(jù)圖2中所示矩形區(qū)域的高度、寬度比，獲得標準軸向載荷的矩形區(qū)域：矩形長度a=22.78 cm(沿行進方向)，寬度b=15.68 cm。在負載區(qū)域，使用網(wǎng)絡均勻分布的方法對其進行劃分，由于動態(tài)和靜態(tài)負載模型的網(wǎng)絡分布相同，為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量并減少分離網(wǎng)格的難度，在等效法的基礎上，將輪胎與地面的接觸面積簡化為等面積的矩形區(qū)域。

圖2 輪印面積與標準軸載路面應力有限元模型關(guān)系圖Fig.2 Relationship between wheel print area and standardaxle load pavement stress finite element model

2 珊瑚砂混合料路用性能之力學響應分析

2.1 靜荷載作用下的基層力學響應

半剛性瀝青路面的損壞首先發(fā)生在半剛性基層的底部，此時，瀝青路面的變形非常小，并且由于上部結(jié)構(gòu)的損壞而導致的裂紋擴展到路面，致使路面的變形大大增加[9]。因此，基層厚度與層底拉應力決定了珊瑚砂混合料在其路用性能中的實際表現(xiàn)。由于底涂層的材料保持不變，因此研究從底涂層的最大拉應力的2個影響因素進行探討，分別為底涂層的厚度、基層的厚度。圖3展示了基層厚度與層底拉應力關(guān)系，隨著基礎層厚度的增加，該層下部的最大拉應力會增加；但這種增加在達到一定程度后會逐漸減小，下降至每個基礎層的模量以下，基礎層的厚度從25 cm增至40 cm，底層的拉應力最小增加為9.67%，最大增加為13.03%；如果厚度從35 cm變?yōu)?0 cm，則最大張力增加僅為1.98%，因此，可看出改變底涂層的厚度對底涂層的拉伸應力幾乎沒有影響。隨著底涂層厚度的減小，底涂層底部的最大拉伸應力增加；當厚度為15 cm時，基層厚度對厚度為25、30、35 cm的基層拉伸應力不會產(chǎn)生影響。

圖3 基層厚度與層底拉應力關(guān)系Fig.3 Relationship between base layer thickness and tensile stress at bottom of layer

珊瑚砂混合料的基層模量受到層底拉應力的影響，二者呈正相關(guān)，但是基層模量還受基層厚度的影響。圖4為不同基層厚度下基層模量與層底拉應力的關(guān)系圖，顯示了基礎層模量對基礎層底部最大拉伸應力的影響。

圖4 不同基層厚度下基層模量與層底拉應力的關(guān)系Fig.4 Relationship between base modulus and bottom tensile stress under different base thickness

由圖4可知，對不同基層厚度下基層模量與層底拉應力的關(guān)系呈現(xiàn)出一元二次相關(guān)，當基礎層為40 、15 cm厚時，珊瑚砂混合料路面結(jié)構(gòu)層底部的拉伸應力最大。基層下部中的拉伸應力隨著基礎層的模量的增加而增加，在基底層的厚度不同的情況下，基底層的拉伸應力從771 MPa增至950 MPa，基底層的拉伸應力的最大增加值為24.5%，最小增加值為20.79%；在基層厚度不同的情況下，土壤拉應力最大增加為20.79%，最小為19.68%。從以上分析可以看出，增加基礎層的模量比改變基礎層的厚度對基礎層的拉伸應力具有更大的影響，并且基礎層的厚度對基礎層的拉伸應力產(chǎn)生的作用有限。

2.2 行車荷載作用下的基層力學響應

2.2.1路面應力在各基層模量的時間歷程走勢

在實際操作中，考慮道路結(jié)構(gòu)在連續(xù)載荷下的機械狀態(tài)，則靜態(tài)分析可以滿足要求；但在現(xiàn)實生活中，路面是短時間發(fā)生力量載荷增加的，并且長時間處于重載荷的循環(huán)狀態(tài)，因此，在實驗中應該使用動態(tài)分析[10]。圖5為珊瑚砂混合料路面應力在各基層模量的時間歷程走勢。

圖5 珊瑚砂混合料路面應力在各基層模量的時間歷程Fig.5 Time history of coral sand mixture pavement stress in each base modulus

由圖5可知，在路面應力增大的情況下，最差的路面結(jié)構(gòu)組合的拉應力減小。在基礎層的厚度為40 cm時，在15 cm寬度的道路上的較低拉伸應力隨基礎層模塊的變化而變化。驅(qū)動負載是動態(tài)負載，并且施加在路面上的負載會隨時間波動，根據(jù)基層的不同彈性模量，沿位移方向的土壤張力曲線隨時間變化而變化，當運輸負荷接近觀察點時，主層下部的拉應力急劇增加；在其他情況下，壓力和應力在基礎層的底部交替出現(xiàn)，但是隨著負載的增加，應力絕對值遠小于峰值，且在0～0.3 s，振動趨勢與0.5～0.7 s時的基本相同。當遠離觀察點時，拉應力在主層的底部交替出現(xiàn)；接近觀察點時，層下部的拉伸應力急劇上升，這很容易導致基層下部的裂紋；珊瑚砂混合料路面應力在不同街道寬度上也顯示為不同級別應力。同樣，比較每個基礎層彈性模量的峰值拉伸應力值，發(fā)現(xiàn)改變基礎層的模量對珊瑚砂混合料路面應力也有一定影響[11]。

2.2.2拉應力極大值與基層模量的關(guān)系

基層的模量差異對下層的最大拉伸應力具有一定的影響[12]。為了研究基礎層模量對層底部最大拉伸應力的影響，比較每種類型的基礎層模量的峰值拉伸應力值；圖6為拉應力極大值與基層模量的關(guān)系圖。

圖6 拉應力極大值與基層模量的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum tensile stress and base modulus

由圖6可知，隨著基層模量的增加，拉應力趨于增加，這與靜態(tài)載荷下彈性模量和拉伸應力之間的關(guān)系基本一致[13]。同樣，比較每個基礎層模塊的峰值張力值，可以看出更改基層模量也會對拉應力極大值產(chǎn)生一些影響，基層模量在道路寬度方向上的最大拉應力隨模量的增加而增加；但與步行道路寬度方向上的最大拉應力進行比較，觀察到每個基層模量下的最大拉應力的最大值低于應力行進方向，這也證實了在根據(jù)道路規(guī)則設計道路結(jié)構(gòu)時，基層拉應力基于力量施加行進方向而發(fā)生改變。隨著混合料中大顆粒比例的減少和水泥用量的增加，各種類型的抗拉強度也顯著增加。受路面設計和車軸載荷標準的影響，無論是靜態(tài)載荷還是動態(tài)載荷每個接頭基層的較低拉伸應力都比內(nèi)部測試時的斷裂值小得多[14]。

由于拉應力和基層模量被認為是會受一系列因素如路面載荷，抗壓強度和建筑成本影響，分析靜態(tài)載荷下混合料厚度，混合料彈性模量和混合料張力，結(jié)果表明，基層的拉伸應力隨基層模量的厚度和彈性模量的增加而增加，改變基層厚度對土壤層的拉應力的影響最大，當把基層厚度改變5 cm時，基層厚度對土壤層的拉應力影響最高可達36.54%；在基礎層的彈性模量為771～950 MPa的影響范圍內(nèi)，基礎層的彈性模量對層的底部的拉伸應力的影響程度其次，占層底部強度的20%，厚度為25～40 cm的基層底部的最大張力增加僅為12.03%。通過靜載荷比較，可以分析出基層為40 cm厚時，基層底部具有最大拉伸應力?；鶎幽Ａ渴苌汉魃盎旌狭系谋壤煌l(fā)生變化，在標準軸向載荷的作用下，除了編號2號、3號材料外，其他都達到了基層的極限載荷值；編號1號材料的應力遠高于內(nèi)部測試期間獲得的值。為確保混合料強度合規(guī)性和多功能性，因此編號1號珊瑚砂混合料被認為是最佳混合料配比組合。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，道路的建設已成為我國促進經(jīng)濟發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。但是，若缺乏建筑材料則會限制道路的修建[15]。通過有限元模擬用于適用于高速公路基礎層的多種珊瑚砂混合料的混合比，結(jié)果表明：在靜態(tài)條件下，基層的拉伸應力隨基層厚度的增加而增加，基層厚度對層底部的拉伸應力影響最大；其次是基層模量。當基礎層為40 cm厚，拉應力最大；當遠離觀察點時，土壤層會產(chǎn)生拉應力，隨著移動載荷接近觀察點，基層底部的拉應力急劇上升并迅速達到峰值。除了編號為2號、3號的材料外，其他混合物的拉應力較低；因此建議編號為1號的珊瑚砂混合料為最佳珊瑚砂混合料。由于珊瑚砂顆粒的形狀不均勻，如果使用不同形狀的珊瑚砂作為基礎材料，則會導致不同的機械性能[16]。為了獲得最佳的機械性能，有必要對每種形狀的顆粒的比例進行適當?shù)难芯俊?/p>