舊水泥路面瀝青加鋪層厚度及模量有限元分析

1、舊水泥路面瀝青加鋪層厚度及模量有限元分析摘 要：舊水泥混凝土路面上罩瀝青加鋪層是一種較為常見的路面改造方式，通常的做法是在加鋪層下面設(shè)置應(yīng)力吸收層。為了減少反射裂縫的發(fā)生，采用ANSYS軟件對不同層厚的加鋪層以及不同彈性模量的應(yīng)力吸收層進(jìn)展三維有限元分析，通過不同路面構(gòu)造的加鋪層底主應(yīng)力、剪應(yīng)力、拉應(yīng)力以及彎沉的比照分析，確定合理的加鋪層厚度以及應(yīng)力吸收層模量。分析結(jié)果說明，應(yīng)力吸收層的彈性模量宜為46GPa，瀝青加鋪層厚度宜為510cm。關(guān)鍵詞：瀝青罩面 應(yīng)力 有限元 應(yīng)力吸收層0.背景：舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層， 是目前我國舊路改造的主要形式之一。由于舊水泥混凝土路面存在著大量

2、接縫和裂縫， 當(dāng)行車荷載經(jīng)過裂縫區(qū)域時， 裂縫兩側(cè)的水泥板變形不連續(xù)， 從而對裂縫上方的瀝青加鋪層造成拉伸剪切變形。在車輛的反復(fù)作用下， 加鋪層底面由于存在較大的應(yīng)力反復(fù)作用， 最終造成自下而上的裂縫?？偨Y(jié)國內(nèi)、外對舊水泥路面的改造的經(jīng)歷。對舊水泥路面的改造大概分為三部分：對加鋪層的改進(jìn)：加強(qiáng)加鋪層材料、增加加鋪層的厚度；設(shè)置應(yīng)力吸收層：應(yīng)力吸收層的材料有級配碎石層、土工布、土工格柵、鋼絲網(wǎng)、瀝青級配碎石、橡膠瀝青層；對舊路面的改造：對舊水泥路面進(jìn)展破裂穩(wěn)固。本文假定舊水泥路面承載才能良好，研究瀝青類材料的應(yīng)力吸收層模量變化以及瀝青加鋪層厚度變化對接縫區(qū)路面構(gòu)造參數(shù)的影響。1.路面構(gòu)造及各層計

3、算參數(shù)選取本文有限元計算研究分析對象為河南省某省道試驗(yàn)路段，試驗(yàn)路構(gòu)造布置如及計算參數(shù)選取如表1所示：表1 各層材料計算參數(shù)序號 構(gòu)造層材料 厚度cm 彈性模量MPa 泊松比2 應(yīng)力吸收層 0.5 20008000 0.253 舊水泥混凝土面板 23 28000 0.154 石灰土 30 350450 0.305 土基 / 45 0.352.有限元模型本文分析采用Ansys程序中8結(jié)點(diǎn)等參單元實(shí)體建模，層間不同接觸條件用正交各向異性8結(jié)點(diǎn)等參單元模擬，本文假設(shè)層間接觸條件為連續(xù)。有限元分析時采用的邊界條件為：土基底面為固定平面，土基四周面約束法向位移，路面構(gòu)造為自由板。這樣建立的有限元模型圖如

4、圖 1所示。圖 1路面有限元模型用空間等參單元計算彈性層狀構(gòu)造時，為了保證有限元分析的解收斂于準(zhǔn)確解，不僅要合理劃分單元大小還要選用適宜的模型尺寸。在實(shí)際的路面構(gòu)造中，地基為彈性半空間體，為了表達(dá)其無限大特性，計算時所取地基平面尺寸比復(fù)合路面大，并給定地基深度初值，然后逐步擴(kuò)大地基的三維尺寸，以觀察其對路面板應(yīng)力的影響，直至板底最大應(yīng)力收斂為止，此地基尺寸為計算用范圍。通過分析，本文有限元取模型尺寸如表2所示。表2有限元模型尺寸構(gòu)造層 尺寸m行車方向 行車垂直方向 豎直方向?yàn)r青混合料加鋪層 10.01 4 /水泥混凝土板 5 4 /基層和底基層 10.01 4 /土基 16.01 10 6注：

5、水泥混凝土板為2塊，且板中間有一個0.01m的橫向接縫，接縫間不傳力。3.臨界荷載作用位置及大小圖2 車輛臨界荷載的位置圖4.計算結(jié)果表 3 不同應(yīng)力吸收層模量對瀝青混合料加鋪層底的應(yīng)力影響5.最大應(yīng)力分析不同應(yīng)力吸收層模量下瀝青加鋪層層底最大主應(yīng)力、剪應(yīng)力和縱向拉應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。1主應(yīng)力2剪應(yīng)力可見當(dāng)應(yīng)力吸收層模量到達(dá)46GPa時，應(yīng)力吸收層對反射裂縫層底應(yīng)力的削弱作用最明顯；層厚為8cm時的最大主應(yīng)力值較層厚為5cm時大概降低了25%，層厚為12cm時的最大主應(yīng)力值較層厚為5cm時大概降低了40%。3縱向拉應(yīng)力6. 最大彎沉分析瀝青加鋪層層厚的增加可以減少路表最大彎沉值，應(yīng)力吸收層的彈性模量增加可以減少路表最大彎沉值。7.結(jié)論1、瀝青加鋪層層厚的增加可以減少層底最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力和縱向最大拉應(yīng)力值。2、當(dāng)應(yīng)力吸收層模量到達(dá)46GPa時，應(yīng)力吸收層對反射裂縫層底應(yīng)力的削弱作用最明顯；當(dāng)應(yīng)力吸收層模量為6GPa時，層底最大剪應(yīng)力最??；最大剪應(yīng)力隨著層厚的增加而減少；應(yīng)力吸收層的彈性模量增加可以增大層底縱向最大拉應(yīng)力值。3、瀝青加鋪層層厚的增加和應(yīng)力吸收層的彈性模量增加均可以減少路表最大彎沉值。4、舊混凝土路面上