水泥混凝土路面加铺沥青罩面层力学响应分析

冯 国 杰

(广东中誉设计院有限公司，广东 佛山 528200)

水泥混凝土路面加铺沥青罩面层力学响应分析

冯 国 杰

(广东中誉设计院有限公司，广东 佛山 528200)

通过使用通用有限元软件ABAQUS，分别建立未加铺沥青层与加铺沥青层两种结构模型，分析在车轮荷载作用下的力学响应，研究加铺层对道面结构的影响，得出结论：加铺沥青罩面层前后路表最大弯沉均出现在车轮荷载作用位置处，层底最大水平拉应力均出现在车轴中点处；增加沥青层的厚度可以减小沥青层和水泥混凝土板底的拉应力。

水泥混凝土，沥青罩面，力学响应

0 引言

随着我国高速公路建设的步伐逐渐放缓，之前建设的公路出现不同程度的功能性破坏，以及很多已建道路不能满足交通需求，迫切地需要采取养护措施或改建。20世纪90年代，建设的公路路面主要以水泥混凝土为主。水泥混凝土路面与其他类型路面相比，具有很高的抗压强度和较高的抗弯拉强度及抗磨耗能力，水稳定性和热稳定性均较好，强度随时间延长而提高，但是路面板间存在接缝，施工期较长，结构损坏修复困难，修复所需的费用较高，周期较长[1]。加铺沥青层是改善路面结构性能和功能性能的有效手段，可以恢复路面的使用功能，提高其使用品质，具有施工速度快、投资费用小、使用效果好等优点，经济效益和社会效益显著。

目前，国内对于水泥混凝土板上加铺沥青罩面层的研究如下：倪明等[2]通过建立半解析单元力学模型，计算分析了旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的三维荷载应力，探讨加铺层产生发射裂缝的机理。韩海影[3]利用ANSYS有限元计算工具，分析了水泥混凝土路面上不同加罩结构以及各自不同的结构计算参数，在荷载作用下的力学响应。但在实际工程建设中通常仅仅是根据以往经验来确定加铺层所用的材料以及加铺层厚度，其他各结构层的受力情况并不清楚，导致加铺后道面较快出现病害或是建设施工的费用较高。因此，本文基于上述情况，通过应用通用有限元软件ABAQUS建立两种结构模型，分别是未加铺沥青罩面与加铺沥青罩面两种工况，并分析在车轮荷载作用下路面结构的力学响应。

1 模型建立

在路面结构三维模型中，需要设定车轮荷载参数、道面结构参数(厚度、材料)、边界条件、层间接触条件等。构建合理的模型，是进行路面结构分析的前提条件。

1.1 道面结构参数

为模拟实际路面受力情况，研究中所用模型的尺寸为7.0 m×5.0 m，其中一块水泥混凝土板尺寸为3.5 m×5.0 m，两个水泥混凝土板之间采用弹簧单元作为传力杆件。各路面结构层的材料参数如表1所示。

1.2 车轮荷载参数

表1 各结构层参数

表2 车轮荷载参数

1.3 边界条件与模型单元类型

模型边界条件为在车辆的行驶方向和垂直行驶的方向，都约束路面结构的水平位移。根据文献资料[6]，采用基础单元模拟地基支撑情况，取地基反应模量为40 MN/m3。由于是以弹性层状体系理论为研究基础，结构层之间的接触设为完全连续。模型使用C3D8三维有限元单元进行分析计算，在车轮作用的位置，网格应画密一些，在其他不需提取数据的位置，网格画稀疏一些，这样可以提高运算速率并且获得较好的分析效果。

2 力学分析

为了研究加铺沥青层前后的道面结构受力情况，分别建立未加铺沥青层与加铺沥青层两种结构模型，分析的力学响应量包括路面表面弯沉，加铺沥青层底以及水泥混凝土板底部的水平应力。对于分析位置的选取，以车轮荷载中部的横向路径为研究对象。

2.1 路表弯沉

路面表面弯沉表征的是路面结构在设计标准轴载作用下，垂直方向的位移，在我国路面设计规范中是作为设计指标，因此研究其在车轮荷载作用下的分布情况很有意义。分别提取加铺沥青罩面层前后横向路径上的表面弯沉数据，分析如下。

比较加铺沥青罩面层前后水泥混凝土板表面弯沉，如图2所示。由图2可见，在车轮荷载作用位置处，弯沉最大，是由于相邻两轮间荷载的叠加作用所产生的。加铺沥青层前后表面弯沉的分布大致相同。加铺后的水泥混凝土板较加铺前的弯沉更小，两者最大弯沉分别为6.76×10-2mm和8.02×10-2mm，后者较前者大约18.6%。

比较加铺沥青层前水泥混凝土板与加铺后沥青层的表面弯沉，如图3所示。由图3可见，加铺沥青层后道路表面弯沉较加铺前更小，两者最大弯沉分别为7.23×10-2mm和8.02×10-2mm，后者较前者大约10.9%，可能是由于水泥混凝土板刚度较大，使得加铺沥青层表面弯沉减小。

综合上述分析可得，加铺沥青罩面层前后最大弯沉均出现在车轮荷载作用位置处，弯沉分布的规律基本相近。

2.2 层底水平应力

层底水平应力，包括拉应力与压应力，其中我国规范将层底拉应力作为路面结构的设计指标。提取加铺沥青罩面层前后横向路径上层底水平应力的数据，分析如下：

比较加铺沥青罩面层前后水泥混凝土板层底拉应力，如图4所示。由图4可见，加铺沥青层前后的层底最大拉应力均出现在两轮间中点处，分别为1.5 kPa和0.36 kPa，前者约为后者的4.17倍，加铺沥青层后可显著减小水泥混凝土板底的拉应力，改善路面结构的受力状况。

比较加铺沥青罩面前水泥混凝土板与加铺沥青罩面后沥青层底的应力分布，如图5所示。由图5可见，两者分布规律相近，层底最大拉应力均出现在车轴中点处，为1.5 kPa和0.03 kPa，主要是由于沥青层刚度较小，承受压应力。在车轮荷载作用位置处，层底并未出现拉应力，而是压应力。在右侧板间接缝处，出现应力集中，此处压应力最大，大小为35.8 kPa。

综上可得，加铺沥青罩面层前后层底最大拉应力均出现在车轴中点处，在右侧板间接缝处的压应力最大。

2.3 沥青层厚度的影响

改变加铺沥青罩面层的厚度，观察厚度对路面结构的影响情况。增加50%加铺沥青层厚度，建立相应的三维结构模型，并在相同的横向路径提取所需的沥青层底拉应力和水泥板底最大拉应力数据，如表3所示。

表3 沥青层厚度变化影响

从表3中可见，增加沥青层的厚度可以减小沥青层与水泥混凝土板底的拉应力，可以改善路面结构的受力情况，减少层底裂缝的产生。

3 结语

本文通过使用有限元软件ABAQUS建立路面结构三维模型，并分析其在车轮荷载作用下的力学响应，包括路面表面弯沉、加铺沥青层底与水泥混凝土板底应力分布情况，得出以下结论：

1)加铺沥青罩面层前后最大弯沉均出现在车轮荷载作用位置处，弯沉分布的规律基本相近。加铺后较加铺前的水泥混凝土板弯沉更小，后者较前者大约18.6%；加铺沥青层后道路表面弯沉较加铺前更小，后者较前者大约10.9%。

2)加铺沥青罩面层前后层底最大拉应力均出现在车轴中点处，在右侧板间接缝处的压应力最大。加铺沥青前较加铺后水泥混凝土板层底拉应力大约4.17倍，加铺沥青层后减小水泥混凝土板底的拉应力。

3)增加沥青层的厚度可以减小沥青层与水泥混凝土板底的拉应力，可以改善路面结构的受力情况，故设计合理的沥青层厚度是至关重要的。

[1] 邓学钧.路基路面工程[D].北京：人民交通出版社,2000.

[2] 倪 明,姚祖康.混凝土路面上沥青加铺层的半解分析[J].同济大学学报,1994,22(1):33-40.

[3] 韩海影,李 斌.旧水泥混凝土路面沥青加罩的三维有限元分析[J].西部探矿工程,2005,113(9):166-169.

[4] JTG D50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

[5] JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[6] 李巧生.水泥混凝土道面结构在多轮荷载作用下的响应分析[J].振动与冲击,2010,29(2):78.

Analysis of mechanical response of asphalt overlay for cement concrete pavement

Feng Guojie

(GuangdongZhongyuInstituteCo.,Ltd,Foshan528200，China)

By using the finite element software ABAQUS, established two kinds of model, which were without asphalt overlay and with asphalt overlay structures, and analysed the mechanical response under wheel loads, study the influence of the overlay to the pavement structure. The conclusions are as follows: for the pavement surface of the two kinds of model, the maximum deflection appeared in the wheel loads position, the maximum horizontal tensile stress appeared at the midpoint of axle, increased the thickness of asphalt layer could reduce the tensile stress of the asphalt layer and cement concrete slab bottom.

cement concrete, asphalt overlay, mechanical response

2015-04-06

冯国杰(1979- )，男，工程师

1009-6825(2015)17-0121-02

U416.216

A