基于改進(jìn)有限元模型的路面瀝青應(yīng)力吸收層防裂性能研究

基于改進(jìn)有限元模型的路面瀝青應(yīng)力吸收層防裂性能研究

在黑白路面之間設(shè)置應(yīng)力吸收層，不僅可以“上下連接”，防止“兩層皮膚”的出現(xiàn)，還可以起到防水和排水的作用，防止水土流失的發(fā)生。同時(shí)，它還能吸收水泥表面裂縫的反射能力，防止或延遲反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。2003年，當(dāng)用完全恢復(fù)瀝青混凝土?xí)r，在4cm表面層的左右兩側(cè)調(diào)整了sd-瀝青路面的應(yīng)力吸收層，效果良好。劉朝暉等人將sd-瀝青路面改為半剛性基層和瀝青路面之間的應(yīng)力吸收層，表現(xiàn)出較好的彈性和較強(qiáng)的粘合性，減少了由半剛性基層收縮裂縫引起的反射裂縫和其他裂縫引起的裂縫。在本研究中，將sd混合材料用作舊水泥路面的瀝青路面，以獲得更好的抗裂效果。1重力吸收層阻力衰減機(jī)的分析模型1.1區(qū)域基礎(chǔ)建模采用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算.視路面結(jié)構(gòu)為彈性層狀體系,從上至下由瀝青加鋪層、防裂應(yīng)力吸收夾層、舊水泥混凝土路面和基礎(chǔ)組成,建立空間三維模型.基礎(chǔ)采用擴(kuò)大尺寸來(lái)模擬,模型及坐標(biāo)系如圖1所示.對(duì)各結(jié)構(gòu)層作如下假定:各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體;各層層間豎向、水平位移均連續(xù);基礎(chǔ)底面各向位移為零,基礎(chǔ)側(cè)面水平方向位移為零;不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響;水泥混凝土板接縫寬度假設(shè)為10mm.為滿足計(jì)算精度要求,對(duì)各關(guān)鍵部位,如接縫及其附近加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化和加密,經(jīng)過(guò)誤差分析取單元邊長(zhǎng)為5mm.1.2單圓式工況測(cè)試方法依據(jù)實(shí)體工程,水泥混凝土路面板長(zhǎng)L=5m,寬度B=4.5m,厚度hc=28cm.取基礎(chǔ)不同尺寸進(jìn)行誤差分析,基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸定為12.01m×6.5m×9m.行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,輪胎內(nèi)壓0.7MPa,單圓荷載的半徑為10.65cm,接觸面積為356.33cm2,雙輪間距為31.95cm.方便單元?jiǎng)澐植M足精度要求,計(jì)算時(shí)采用20cm×40cm的單圓均布荷載.參考有關(guān)資料并進(jìn)行對(duì)比分析,計(jì)算參數(shù)如表1所列.全國(guó)各地區(qū)最大日溫差一般不超過(guò)15℃,考慮最不利情況,在分析加鋪層溫度應(yīng)力時(shí),只考慮降溫情況,取Δt=-15℃.1.3層間接觸條件不同荷載位的計(jì)算分析表明,車輪荷載作用在接縫一側(cè)中部的偏荷載對(duì)加鋪層最為不利,布載方式如圖2和圖3所示.舊水泥混凝土面層與瀝青加鋪層之間接觸條件對(duì)車輛荷載應(yīng)力影響較小,但對(duì)溫度應(yīng)力影響較大.當(dāng)層間接觸條件為完全光滑時(shí),加鋪層所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力最小,而當(dāng)層間接觸條件為完全連續(xù)時(shí),加鋪層溫度應(yīng)力最大.在下文計(jì)算中,按最不利情況考慮,即假設(shè)各層層間豎向、水平位移完全連續(xù).圖3中A點(diǎn)為加鋪層底計(jì)算點(diǎn),C,D點(diǎn)為彎沉及彎沉差計(jì)算點(diǎn).路面檢測(cè)采用路表面點(diǎn)E,F的彎沉,但路表彎沉僅是水泥混凝土板彎沉的反映,在研究層間材料的防反射裂縫能力時(shí),采用C,D點(diǎn)更能真實(shí)反映舊水泥混凝土板和層間受力變形的真實(shí)情況.經(jīng)過(guò)計(jì)算得出最不利溫度應(yīng)力點(diǎn)為接縫處加鋪層底部的A點(diǎn),有應(yīng)力吸收層時(shí)采用應(yīng)力吸收層底部點(diǎn)及瀝青加鋪層底部點(diǎn),如圖4所示.2應(yīng)吸收層阻力鉻結(jié)構(gòu)分析2.1在輪載作用下，橫向界面中的層之間的應(yīng)力分析1應(yīng)力狀態(tài)的影響應(yīng)力吸收層厚hs=2cm,彈性模量Es=800MPa.計(jì)算A點(diǎn)及A1點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài),結(jié)果見圖5.由圖5可知,最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別減少了35.9%,62.2%及61.8%.總之,應(yīng)力吸收層能改善層間的應(yīng)力狀況,可以減少瀝青層底的拉應(yīng)力,從而保護(hù)了瀝青混凝土罩面層.2應(yīng)力吸收層模量對(duì)彎沉的影響變化應(yīng)力吸收層的模量,分析B點(diǎn)的應(yīng)力及彎沉變化見圖6及圖7.從圖6可以看出來(lái),在荷載應(yīng)力作用下,層間應(yīng)力隨應(yīng)力吸收層模量的增加而呈增加趨勢(shì).當(dāng)應(yīng)力吸收層模量從400MPa變化到1000MPa時(shí),等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力及最大主應(yīng)力分別增加了72.4%,73.2%及66.3%.可見,在一定的限度之內(nèi),增加應(yīng)力吸收層的模量將會(huì)提高層間的應(yīng)力,而減小應(yīng)力吸收層的模量可以降低層間應(yīng)力.由圖7可知,彎沉隨著應(yīng)力吸收層的模量增加而減小.模量從400MPa變化到1000MPa,C1、D1的彎沉差減小了23.8%.由此可見,增大應(yīng)力吸收層的模量可以減小彎沉差.在瀝青加鋪層較薄的情況下,應(yīng)力吸收層的設(shè)置需要綜合考慮層間應(yīng)力和彎沉的影響,應(yīng)該采用柔軟而有韌性的應(yīng)力吸收層材料.2.2在溫度載荷的作用下，橫縫層之間的應(yīng)力分析1應(yīng)力吸收層對(duì)溫度應(yīng)力的影響采用圖4的計(jì)算點(diǎn)位,計(jì)算結(jié)果見圖8.由圖8可見,加了應(yīng)力吸收層后,在溫度荷載作用下瀝青層底最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別減少了38.9%,28.2%及29.4%.這說(shuō)明,應(yīng)力吸收層減小了溫度應(yīng)力.2應(yīng)力場(chǎng)及溫度變化應(yīng)力吸收層模量,進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算,結(jié)果見圖9.由圖9可知,隨著應(yīng)力吸收層模量的增加,接縫處瀝青加鋪層最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力逐漸增大.當(dāng)應(yīng)力吸收層模量從400MPa增加到1000MPa時(shí),最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別增大了38%,37.7%,38.4%.瀝青混合料模量隨溫度降低而增大,氣溫越低夾層內(nèi)的溫度應(yīng)力越大,因此,反射裂縫多在冬季產(chǎn)生.2.3應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層底的耦合應(yīng)力作用從圖10中可以看出,水泥混凝土路面及瀝青加鋪層之間設(shè)置了應(yīng)力吸收層后,對(duì)于同樣厚度的瀝青加鋪層來(lái)說(shuō),最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力分別降低了9.1%,11.3%,11.6%.B點(diǎn)比A點(diǎn)的相應(yīng)值分別降低了88.5%,54.2%和54.0%.由此可知,應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層底的耦合應(yīng)力有明顯的削減作用.3抗剪強(qiáng)度對(duì)心體力學(xué)特性的影響根據(jù)以往的路況調(diào)查,水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)最主要的病害是面層瀝青混合料的剝落、松散,究其原因,發(fā)現(xiàn)在水平方向荷載作用下,瀝青加鋪層與舊水泥混凝土路面之間的抗剪強(qiáng)度不足是重要原因.為此,采用JHY-A型材料直剪儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取得的心樣進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果見圖11～12.由圖11曲線可知,對(duì)于沒(méi)有層間夾層的直剪試驗(yàn),當(dāng)施力達(dá)到6000N時(shí)達(dá)到抗剪的最大值,而此時(shí)的位移為4.5～5mm,此后由于層間破壞力迅速變?yōu)?.對(duì)于有夾層的圖12,最大剪力值達(dá)到12000N,最大變形位移可達(dá)6～8mm.現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)也表明,有應(yīng)力吸收層的路段反射裂縫明顯減少.這都說(shuō)明SBS改性瀝青混合料應(yīng)力吸收層減小了層間力的作用,起到了應(yīng)有的應(yīng)力吸收效果.4改性瀝青混合料的力學(xué)性能1)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,SBS應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層底最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力均有削減作用,分別減少了35.9%,62.2%及61.8%.2)在溫度荷載作用下,SBS應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青層底最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力、最大剪應(yīng)力的削減分別為38.9%、28.2%和29.4%.當(dāng)應(yīng)力吸收層模量從400MPa增加到1000MPa時(shí),最大主應(yīng)力、等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力分別增大了38%,37.7%,38.4%.3)在耦合應(yīng)力作用下,瀝青混凝土底面的最大主應(yīng)