貧混凝土基層瀝青路面溫度-荷載耦合應(yīng)力分析

貧混凝土基層瀝青路面溫度-荷載耦合應(yīng)力分析

0貧混凝土路面結(jié)構(gòu)為了減少瀝青路面的初步損壞，滿足大規(guī)模交通和再交通的需要，采用強(qiáng)度高、耐腐蝕性好的貧混凝土基地，是我國(guó)改進(jìn)道路結(jié)構(gòu)的重要發(fā)展方向，具有較高的應(yīng)用前景。然而，貧混凝土基地的剛性強(qiáng)，收縮、收縮、易于維護(hù)，對(duì)車輛的負(fù)荷和裂縫具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。由于溫度和車輛負(fù)荷的共同作用，裂縫逐漸延伸至瀝青路面，形成反射裂縫，這限制了貧混凝土基地的推廣應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外道路工作者利用空間理論、制度理論和斷裂力學(xué)理論，廣泛研究了舊水泥混凝土界面中的瀝青路面復(fù)合結(jié)構(gòu)。同時(shí)，對(duì)貧混凝土基本道路的表面進(jìn)行了一定程度的研究，但對(duì)貧混凝土基本道路的橫向影響研究較少。作者采用了擴(kuò)大的三維數(shù)值分析模型，計(jì)算了貧混凝土基本道路的共同溫度和負(fù)荷強(qiáng)度，并分析了瀝青路面的厚度和模量。對(duì)瀝青路面形成反射裂縫的影響，為合理地規(guī)劃道路結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。1計(jì)算模型和分析路面結(jié)構(gòu)1.1有聚合式結(jié)構(gòu)模型將路面結(jié)構(gòu)視為彈性層狀體系,研究對(duì)象由瀝青面層、貧混凝土基層和基礎(chǔ)組成,瀝青面層、貧混凝土基層和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)層采用三維8節(jié)點(diǎn)各向同性實(shí)體單元.基礎(chǔ)采用擴(kuò)大尺寸模擬,并對(duì)各結(jié)構(gòu)層作如下假定:①各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體;②各層層間豎向、水平位移均連續(xù);③基礎(chǔ)底面各向位移為零,基礎(chǔ)側(cè)面無(wú)約束;④不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響;⑤基層縮縫寬度為1.0cm,且縮縫處無(wú)傳荷能力.上下層間的接觸狀況為:貧混凝土基層與基礎(chǔ)之間假設(shè)為絕對(duì)光滑,與瀝青面層之間假設(shè)為完全連續(xù).路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖1,路面結(jié)構(gòu)幾何尺寸及材料計(jì)算參數(shù)見表1.1.2車輛荷載的臨界荷位車輛荷載參數(shù):軸載為BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載,輪壓為0.7MPa,雙輪中心距為32cm,輪距為182cm,單個(gè)輪壓作用范圍為18.9cm×18.9cm,接觸面積為357.21cm2.車輛荷載的臨界荷位如圖2所示.1.3巖相溫度計(jì)算瀝青路面溫度應(yīng)力主要由路面頂面溫度降低使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮變形,而路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度梯度又使貧混凝土基層產(chǎn)生“凹形”翹曲,這兩種變形疊加使得基層縮縫處產(chǎn)生張開變形,使與縮縫對(duì)應(yīng)的瀝青面層底面受拉.在計(jì)算瀝青路面自身的收縮時(shí),考慮到全國(guó)各地區(qū)最大日溫差一般不超過(guò)20℃,即以日平均氣溫為參考溫度,每日的升溫及降溫近似為10℃及-10℃,所以在計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)取△T=-10℃.計(jì)算貧混凝土基層翹曲變形,必須先確定該路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng).對(duì)于瀝青面層、貧混凝土基層和基礎(chǔ)的多層體系,利用三維有限元法的數(shù)值方法,計(jì)算貧混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度.表2列舉了瀝青面層厚度ha為0～20cm,貧混凝土基層厚為20cm時(shí),各自然區(qū)劃內(nèi)最大溫度梯度變化范圍推薦值.當(dāng)基層厚度hc不等于20cm時(shí),可按表3進(jìn)行修正.1.4貧混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度-荷載耦合應(yīng)力分布云圖對(duì)于瀝青面層、貧混凝土基層和基礎(chǔ)的多層體系,利用三維有限元法的數(shù)值方法,在上述力學(xué)模型和參數(shù)下,貧混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度-荷載耦合應(yīng)力分布云圖見圖3.由計(jì)算結(jié)果知,最不利耦合應(yīng)力點(diǎn)為基層接縫處瀝青面層底部靠近邊緣的A點(diǎn),如圖4所示.2在溫度和負(fù)荷的共同作用下，瀝青路面的聯(lián)合吸力分析2.1瀝青抗側(cè)力的影響瀝青面層厚度是影響路面結(jié)構(gòu)受力的重要參數(shù),也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù).采用上述力學(xué)模型和參數(shù),對(duì)不同瀝青面層厚度下基層縮縫處瀝青面層耦合應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖5所示.基層接縫處瀝青面層的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax隨面層厚度的增加呈顯著減小的趨勢(shì).當(dāng)面層厚度從6cm增加到18cm時(shí),σ1、σe和τmax減小的幅度很大,瀝青面層厚度超過(guò)18cm以后減小的幅度很小.這說(shuō)明,適當(dāng)增大瀝青面層厚度能顯著降低瀝青面層的應(yīng)力水平,改善路面結(jié)構(gòu)受力情況.因此,適當(dāng)增加瀝青面層厚度,對(duì)預(yù)防反射裂縫是十分有效的.2.2瀝青效能應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算不同種類的瀝青混合料模量是不同的,同種瀝青混合料隨其配合比的變化其模量也是變化的.采用上述力學(xué)模型和參數(shù),對(duì)不同瀝青面層模量下基層縮縫處瀝青面層耦合應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖6所示.基層接縫處瀝青面層的最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax隨面層模量的增加呈逐漸減小的趨勢(shì),但減小的幅度較小.這說(shuō)明,隨著瀝青面層模量的增大,在一定程度上限制了貧混凝土板的翹曲變形,從而使得基層接縫處瀝青面層的耦合應(yīng)力有所減小.因此,通過(guò)增加瀝青面層模量的方法來(lái)預(yù)防反射裂縫,只能起到一定的作用.2.3貧混凝土基層厚度對(duì)應(yīng)力基不應(yīng)力的影響貧混凝土基層厚度也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù),采用上述力學(xué)模型和參數(shù),分析不同貧混凝土基層厚度下瀝青面層的耦合應(yīng)力狀況,計(jì)算結(jié)果見圖7.隨著貧混凝土基層厚度的增加,基層縮縫處瀝青面層最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax逐漸增大,但增大的幅度很小.這說(shuō)明,在一定范圍內(nèi)變化貧混凝土基層厚度對(duì)瀝青面層底部受力狀況影響不大.因此,通過(guò)調(diào)整貧混凝土基層厚度的方法來(lái)預(yù)防瀝青路面反射裂縫,其效果不顯著.2.4貧混凝土基層模量對(duì)瀝青抗沖劑性能的影響不同的水泥摻量以及周圍環(huán)境的變化會(huì)引起貧混凝土基層模量的變化,為分析在荷載與溫度共同作用下基層模量變化對(duì)瀝青面層受力的影響,計(jì)算貧混凝土基層模量從10000MPa增大到40000MPa時(shí)瀝青面層的耦合應(yīng)力,結(jié)果如圖8所示.隨著貧混凝土基層模量的增大,瀝青面層最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax呈線性增大,且增大的幅度很小.這說(shuō)明,在一定范圍內(nèi)變化貧混凝土基層模量對(duì)瀝青面層底部受力狀況影響不大.因此,通過(guò)調(diào)整貧混凝土基層模量的方法來(lái)預(yù)防瀝青路面反射裂縫,其效果不明顯.2.5縮縫寬度對(duì)瀝青面層內(nèi)耦合應(yīng)力的影響貧混凝土基層縮縫寬度也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù),采用上述力學(xué)模型和參數(shù),計(jì)算了不同貧混凝土基層縮縫寬度下瀝青面層的耦合應(yīng)力狀況,計(jì)算結(jié)果見圖9.當(dāng)縮縫寬度從0cm增大至0.4cm時(shí),隨著縮縫寬度的增大瀝青面層所受最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe和最大剪應(yīng)力τmax劇烈增長(zhǎng),且在縮縫寬度為0.4cm時(shí)出現(xiàn)最大值.當(dāng)縮縫寬度為0.4～0.8cm時(shí),瀝青面層層底的σ1、σe和τmax的值分別隨縮縫寬度的增加有較大幅度的減小;當(dāng)縮縫寬度大于0.8cm時(shí),其σ1、σe和τmax值分別隨縮縫寬度的增加有小幅度減小.這說(shuō)明瀝青面層在基層縮縫處的耦合應(yīng)力比在非縮縫處的耦合應(yīng)力顯著增大,這是反射裂縫發(fā)生在縮縫處的原因所在;隨著縮縫寬度的增大,應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減緩,應(yīng)力變緩點(diǎn)為基層縮縫寬度0.8cm處.因此,適當(dāng)寬度的基層縮縫對(duì)延緩反射裂縫效果顯著.3不同厚度-荷載耦合應(yīng)力時(shí)瀝青底層模量的影響(1)建立了貧混凝土基層瀝青路面三維有限元模型,計(jì)算了貧混凝土基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度-荷載耦合應(yīng)力分布,確定了耦合應(yīng)力最不利點(diǎn)為基層接縫處瀝青面層底部.(2)隨著瀝青面層厚度增大,溫度-荷載耦合應(yīng)力大幅度地減小;隨著瀝青面層模量增大,溫度-荷載耦合應(yīng)力小幅度地減小.適當(dāng)增加瀝青面層厚度對(duì)預(yù)防反射裂縫是十分有效的;提高瀝青面層模量,對(duì)預(yù)防反射裂縫只能起到一定的作用.(3)隨著貧混凝土基層