旧水泥路面沥青加铺层厚度及模量有限元分析

摘 要：旧水泥混凝土路面上罩沥青加铺层是一种较为常见的路面改造方式，通常的做法是在加铺层下面设置应力吸收层。为了减少反射裂缝的发生，采用ANSYS软件对不同层厚的加铺层以及不同弹性模量的应力吸收层进行三维有限元分析，通过不同路面结构的加铺层底主应力、剪应力、拉应力以及弯沉的对比分析，确定合理的加铺层厚度以及应力吸收层模量ป。分析结果表明，应力吸收层的弹性模量宜为4～6GPa，沥青加铺层厚度宜为5～10cm。

关键词：沥青罩面 应力 有限元 应力吸收层

0.背景：

旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层， 是目前我国旧路改造的主要形式之一。由于旧水泥混凝土路面存在着大量接缝和裂缝， 当行车荷载经过裂缝区域时， 裂缝两侧的水泥板变形不连续， 从而对裂缝上方的沥青加铺层造成拉伸剪切变形。在车辆的反复作用下， 加铺层底面由于存在较大的应力反复作用， 最终造成自下而上的裂缝。

总结国内、外对旧水泥路面的改造的经验。对旧水泥路面的改造大概分为三部分：对加铺层的改进：加强加铺层材料、增加加铺层的厚度；设置应力吸收层：应力吸收层的材料有级配碎石层、土工布、土工格栅、钢丝网、沥青级配碎石、橡胶沥青层；对旧路面的改造：对旧水泥路面进行破裂稳固。本文假定旧水泥路面承载能力良好，研究沥青类材料的应力吸收层模量变化以及沥青加铺层厚度变化对接缝区路面结构参数的影响。

1.路面结构及各层计算参数选取

本文有限元计算研究分析对象为河南省某省道试验路段，试验路结构布置如及计算参数选取如表1所示：

表1 各层材料计算参数

序号 结构层材料 厚度（cm） 弹性模量（MPa） 泊松比μ

2 应力吸收层 0.5 2000～8000 0.25

3 旧水泥混凝土面板 23 28000 0.15

4 石灰土 30 350～450 0.30

5 土基 / 45 0.35

2.有限元模型

本文分析采用Ansys程序中8结点等参单元实体建模，层间不同接触条件用正交各向异性8结点等参单元模拟，本文假设层间接触条件为连续。有限元分析时采用的边界条件♪为：土基底面为固定平面，土基四周面约束法向位移，路面结构为自由板。这样建立的有限元模型图如图 1所示。

图 1♀路面有限元模型

用空间等参单元计算弹性层状结构时，为了保证有限元分析的解收敛于精确解，不仅要合理划分单元大小还要选用合适的模型尺寸。在实际的路面结构中，地基为弹性半空间体，为了体现其无限大特性，计算时所取地基平面尺寸比复合路面大，并给定地基深度初值，然后逐步扩大地基的三维尺寸，以观察其对路面板应力的影响，直至板底最大应力收敛为止，此地基尺寸为计算用范围。通过分析，本文有限元取模型尺寸如表2所示。

表2有限元模型尺寸

结构层 尺寸（m）

行车方向 行车垂直方向 竖直方向

沥青混合料加铺层 10.⚥01 4 /

水泥混凝土板 5 4 /

基层和底基层 10.01 4 /

土基 16.01 10 6

注：水泥混凝土板为2块，且板中间有一个0.01m的横向接缝，接缝间不传力。

3.临界荷载作用位置及大小

图2 车辆临界荷载的位置图

4.计算结果

表 3 不同应力吸收层模量对沥青混合料加铺层底的应力影响

5.最大应力分析

不同应力吸收层模量下沥青加铺层层底最大主应力、剪应力和纵向拉应力计算结果如表3所示。

1）主应力

2）剪应力

可见当应力吸收层模量达到4～6GPa时，应力吸收层对反射裂缝层底应力的削弱作用最明显；层厚为8cm时的最大主应力值较层厚为5cm时大概降低了25%，层厚为12cm时的最大主应力值较层厚为5cm时大概降低了40%。

3）纵向拉应力

6. 最大弯沉分析

沥青加铺层层厚的增加能够减少路表最大弯沉值，应力吸收层的弹性模量增加能够减少路表最大弯沉值。

7.结论

1、沥青加铺层层厚的增加能够减少层底最大主应力、最大剪应力和纵向最大拉应力值。

2、当应力吸收层模量达到4～6GPa时，应力吸收ถ层对反射裂缝层底应力的削弱作用最明显；当应力吸收层模量为6GPa时，层底最大剪应力最小；最大剪应力随着层厚的增加而减少；应力吸收层的弹性模量增加能够增大层底纵向最大拉应力值。

3、沥青加铺层层厚的增加和应力吸收层的弹性模量增加均能够减少路表最大弯沉值。

4、旧混凝土路面上加铺层，应力吸收层的弹性模量为4～6GPa，沥青加铺层厚度5～10cm时，效果较好。