旧水泥混凝土路面不同接缝宽度下沥青加铺层力学响应分析

王志刚,李锐铎,乐明静,崔亚丽

(1.平顶山市公路管理局，河南 平顶山，467000；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山，467036)



旧水泥混凝土路面不同接缝宽度下沥青加铺层力学响应分析

王志刚1,李锐铎2,乐明静2,崔亚丽1

(1.平顶山市公路管理局，河南 平顶山，467000；2.河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山，467036)

采用块体离散元方法，分析了一定厚度加铺层情况下，不同接缝宽度对加铺层的受力影响，确定了旧水泥路面改造处理的临界接缝宽度理论标准；并在确认该临界宽度后计算了最佳的加铺层厚度，为旧水泥路面改造处理设计提供相关理论指导。

水泥路面加铺；临界接缝宽度；块体离散元；力学响应

工程实践表明，沥青加铺层的反射裂缝大多产生于旧水泥混凝土的接缝处，因为接缝处是整个路面质量最薄弱部位，沥青加铺层应力的最大值均出现在此，即产生所谓的应力集中现象，接缝处沥青加铺层底部开始开裂，然后逐渐向上扩展，最终贯穿整个加铺层[1-4]。本文采用块体离散元方法，通过计算在一定厚度加铺层情况下不同接缝宽度对加铺层的受力状况影响，确定了旧水泥路面改造处理的临界接缝宽度，以及在获取该临界宽度后计算最佳的加铺层厚度，为旧水泥路面改造处理设计提供相关理论指导[5]。

1　块体离散元方法简介

块体离散元方法(Discontinuous Deformation Analysis，DDA非连续变性分析方法)通过不连续面间的相互约束建立整个系统的力学平衡条件，与一般的连续介质法不同，它引入了非连续接触和惯性力，采用运动学方法解决非连续问题，其特点是考虑了变形的不连续性和引入了时间因素，既可以计算静力问题，又可以计算动力问题，同时也可分析小变形及大变形问题。DDA法是兼具有限元与离散元法优点的一种数值方法[6-7]。

2　计算模型及计算参数

本次离散元计算采用笛卡儿直角坐标系，以公路延伸向为x轴，垂直路面方向为y轴，以公路里程向前及垂直路面向上为正。水平方向取两块水泥板长度10 m，路面下路基深度3 m。

行车荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7 MPa，单个轮压作用范围18.9 cm×18.9 cm，接触面积为357.21 cm2，双轮间距为32 cm，两侧轮隙间距为182 cm。计算边界条件设置及网格划分如图1所示，各结构层参数如表1所示[8-9]。

图1　水泥面板接缝宽度对沥青加铺层强度影响计算模型

结构层厚度/cm弹性模量/MPa泊松比沥青混凝土加铺层1018000.25旧水泥混凝土面层26300000.15土基600600.35

3　计算工况及评价指标

本次主要探讨旧水泥路面接缝对沥青加铺层受力变形的影响。

计算工况1：分析不同水泥面板接缝宽度(1 cm、2 cm、3 cm及4 cm)对某一厚度(假定12 cm)沥青加铺层受拉及弯沉的影响，以探求原路面的临界接缝宽度。

计算工况2：在临界接缝宽度下，加铺层厚度对沥青加铺层受拉及弯沉的影响，以探求最佳加铺层厚度。

计算指标以沥青加铺层的最大拉伸应力及最大竖向位移(弯沉)的计算结果分析评价。

4　计算结果及分析

4.1加铺层厚度12 cm，不同接缝宽度下沥青加铺层受拉及弯沉计算结果

通过块体离散元软件计算，竖直方向位移计算结果如图2所示。

图2　接缝宽度2cm沥青加铺层的竖向位移云图

在不同水泥面板接缝宽度情况下，沥青加铺层最大拉应力及最大弯沉值与水泥面板接缝宽度的关系如图3所示。

图3　沥青加铺层最大拉应力及最大弯沉值与水泥面板接缝宽度的关系

路面受宽度18.9 cm均布压力0.7 MPa作用下，从不同水泥面板接缝宽度的计算结果可以看出，面板受力翘起导致拉应力多在水泥面板接缝两端分布，接缝宽度的变化对水泥面板接缝附近沥青加铺层受拉情况影响较大，沥青加铺层的最大拉应力及弯沉值均随接缝宽度的增大而增加，其中接缝宽度超过2 cm时，加铺层的最大拉应力和最大弯沉变形急剧增大，超过3 cm时，加铺层的最大拉应力及弯沉变形增加幅度较小，趋于平缓，由此说明，接缝宽度2 cm是临界接缝宽度，当接缝宽度超过2 cm时，加铺层受力更为不利，最大拉应力及最大竖向变形均会急剧增大，容易产生加铺层的拉伸破坏，导致反射裂缝的产生。

4.2接缝宽度2 cm，不同加铺层厚度对加铺层受拉及弯沉的影响计算结果

通过块体离散元软件计算，竖直方向位移计算结果如图2所示。

在不同沥青加铺层厚度情况下，沥青加铺层最大拉应力及最大弯沉值与沥青层厚度的关系如图4所示。

当水泥面板接缝宽度2 cm，路面受宽度18.9 cm均布压力0.7 MPa作用下，从不同沥青加铺层厚度的计算结果可以看出，加铺层主要集中在荷载作用区域下接缝两端，当厚度达到12 cm时，面板易受力翘起，导致拉应力多向水泥面板两端分布，此时，沥青层的最大拉应力出现拐点，最大拉应力最小，表明，在临界接缝宽度2 cm时，加铺层厚度需达到12 cm厚才能使加铺层受力状态最佳；而弯沉值随加铺层厚度的增大而减小，说明随着加铺层厚度的增加，其整体抗压强度也在增加，产生竖向位移在逐渐减小。

图4　沥青加铺层最大拉应力及最大弯沉值与沥青层厚度的关系

5　结论

采用块体离散元方法，探究了原路面的临界接缝宽度及最佳加铺层厚度。通过计算分析可以得出如下结论：

(1)沥青加铺层的最大拉应力及弯沉值均随接缝宽度的增大而增加，其中接缝宽度超过2 cm时，加铺层的最大拉应力和最大弯沉变形急剧增大，超过3 cm时，加铺层的最大拉应力及弯沉变形增加幅度较小，趋于平缓。由此说明，在加铺层厚度为12 cm时，接缝宽度2 cm是临界接缝宽度；

(2)在临界接缝宽度2 cm时，加铺层厚度需达到12 cm厚才能使加铺层受力状态达到最佳。因此，如果旧水泥路面接缝宽度过大，建议在加铺前进行相应处理。在英德S253线旧水泥路面处理工程中，对过宽的接缝(宽度达到4 cm)采用沥青贯入碎石进行处理，并在接缝处贴厚3～6 mm、宽50～60 mm的土工布材料。经过两年的通车运行，路面未见反射裂缝，效果良好，值得借鉴。

[1]顾强康,冷培义.水泥混凝土道面上沥青加铺层反射裂缝试验研究[J].中国公路学报,1999,12(1):21-27.

[2]曹东伟,胡长顺,曹景民,等.水泥混凝土路面沥青加铺层板缝弯沉差指标的试验研究[J].西安公路交通大学学报,1999,19(1):1-6.

[3]张肖宁,邹桂莲,贺志勇.沥青混合料抵抗反射裂缝能力的评价方法研究[J].华南理工大学学报(自然科学版),2001,29(7):88-91.

[4]周富杰,胡圣.反射裂缝产生和发展的机理[J].中外公路,1997,17(2):12-16.

[5]常振虎,石振武.旧水泥混凝土路面改造处治技术对比研究[J].低温建筑技术,2010,22(3):62-64.

[6]田振农,李世海,刘晓宇,等.三维块体离散元可变形计算方法研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(s1):2833-2840.

[7]周德云,姚祖康.旧水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的三维有限元分析[J].中国公路学报,1990,3(3):18-26.

[8]中华人民共和国交通运输部.公路水泥混凝土路面设计规范:JTG D40-2011[S].北京:人民交通出版社,2010:35-45.

[9]田晓霞,朱湘,孙国伟.新旧水泥混凝土路面设计规范对比及算例分析[J].交通运输工程与信息学报,2006,4(4):28-32.

Mechanics response of asphalt concrete overlay on old cement concrete pavement under different joint width

WANG Zhi-gang1,LI Rui-duo2,YUE Ming-jing2,CUI Ya-li1

(1. Pingdingshan Highway Administration Bureau,Pingdingshan 467000,China; 2.Henan University of Urban Construction,Pingdingshan 467036,China)

The block discrete element method was used to analyze the stress effects of different joint width on the asphalt overlay which under a certain thickness.And the critical of the old cement concrete pavement joint width standard theory was determined for renovating and treatment.The optimum overlay thickness was calculated after confirming the critical width.It provides theoretical guidance for the old cement concrete pavement about renovating and treatment design.

cement pavement overlay;critical joint width;block discrete element;mechanical response

2015-11-25

河南省交通运输厅2010年度科技项目(2010P240)

王志刚(1975—)，男，河南平顶山人，高级工程师。

1674-7046(2016)04-0065-04

10.14140/j.cnki.hncjxb.2016.04.013

U418

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