基于荷載應(yīng)力的多孔混凝土基層上覆瀝青面層受力狀態(tài)分析

基于荷載應(yīng)力的多孔混凝土基層上覆瀝青面層受力狀態(tài)分析

0多孔混凝土基層縮縫處瀝青受荷于瀝青考國(guó)內(nèi)外道路科學(xué)家對(duì)瀝青路面的負(fù)荷負(fù)荷進(jìn)行了廣泛的研究。在文獻(xiàn)中，對(duì)多孔混凝土板的強(qiáng)度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，多孔混凝土板的模型量約為12000米，比綠道常用的半剛性材料強(qiáng)度高得多。多孔混凝土板具有強(qiáng)排水性、抗疲勞性好、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。多孔混凝土作為瀝青路面的基本材料，不僅可以提高瀝青路面的強(qiáng)度，而且可以有效緩解瀝青路面的水損害。實(shí)踐中，多孔混凝土土層本身收縮，因此有必要經(jīng)常調(diào)整收縮縫。在車輛負(fù)荷的作用下，基層收縮縫層的表面容易集中，瀝青面的底部容易出現(xiàn)，導(dǎo)致瀝青面的反射裂縫。負(fù)荷是瀝青路面設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的重要因素。在負(fù)荷作用下，基本滲濾部分的瀝青面強(qiáng)度是瀝青路面厚度設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。胡長(zhǎng)順等前期采用有限元法求解RCC—AC(碾壓混凝土與瀝青混凝土)荷載應(yīng)力,在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上,研制出荷載應(yīng)力計(jì)算諾模圖.楊斌利用有限元法、斷裂力學(xué)理論對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的荷載應(yīng)力做了系統(tǒng)分析.仰建崗等建立瀝青路面的三維有限元模型,計(jì)算貧混凝土瀝青路面的荷載應(yīng)力,同時(shí)對(duì)荷載應(yīng)力的影響因素進(jìn)行了研究.VonQ.等利用有限元方法對(duì)瀝青路面的應(yīng)力狀態(tài)與反射裂縫發(fā)展的關(guān)系進(jìn)行了研究.但以往的研究工作中未考慮多孔混凝土基層結(jié)構(gòu)及其材料特性,特別是未涉及多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面的應(yīng)力研究.因此,有必要對(duì)多孔混凝土基層上覆瀝青面層的受力狀態(tài)進(jìn)行研究,鑒于此,筆者利用有限元數(shù)值分析方法,建立多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面的三維有限元模型,分析基層縮縫處瀝青面層的荷載應(yīng)力.1分析瀝青路面的負(fù)荷能力1.1基層寬度對(duì)縮縫段瀝青的影響根據(jù)多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立的三維有限元模型分為3個(gè)區(qū)域,分別為瀝青面層、多孔混凝土基層和地基.多孔混凝土基層為符合彈性力學(xué)基本假設(shè)的有限厚度彈性層,瀝青面層可視為有限厚度彈性層.為反映半空間地基的特性,地基采用擴(kuò)大尺寸來(lái)模擬,地基的彈性模量為路面的底基層和路基的當(dāng)量值.假設(shè)在多孔混凝土基層中有貫穿厚度的溫縮裂縫,縮縫寬度為0.5cm,且縮縫處無(wú)傳荷能力.三維有限元模型的邊界條件為:地基底邊固定,采用自由表面來(lái)模擬縮縫.行車荷載均采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,輪胎壓力0.7MPa,單個(gè)輪壓作用范圍18.9cm×18.9cm,接觸面積為357.21cm2,雙輪間距為32cm,兩側(cè)輪隙間距為182cm.理論計(jì)算及收斂性分析表明,基層寬度在4～5m范圍內(nèi)變化對(duì)縮縫處瀝青面層的最大應(yīng)力影響微小;隨著基層長(zhǎng)度增大,縮縫處瀝青面層應(yīng)力的增加幅度逐漸減小,基層長(zhǎng)度大于5m時(shí),縮縫處瀝青面層應(yīng)力基本保持不變.據(jù)此取多孔混凝土基層的平面計(jì)算尺寸為:多孔混凝土基層長(zhǎng)為5m,寬為4.5m,面層的平面尺寸同基層.經(jīng)過(guò)取不同尺寸地基計(jì)算誤差分析,地基長(zhǎng)、寬和厚度尺寸擬定為12.01m×6.5m×8m.經(jīng)過(guò)不同荷位計(jì)算分析比較,車輪荷載作用在縮縫的兩側(cè)時(shí),瀝青面層底部?jī)H為單向受拉狀態(tài),而車輪荷載作用在縮縫一側(cè)的偏荷載不但使瀝青面層處于受拉狀態(tài),而且使瀝青面層承受較大剪切力,因此,車輪荷載作用在縮縫一側(cè)的偏荷載對(duì)瀝青面層最為不利,布載方式如圖1、圖2所示.對(duì)縮縫處單、雙側(cè)荷載對(duì)比分析得知,對(duì)稱軸上的單側(cè)荷載比雙側(cè)荷載對(duì)瀝青面層產(chǎn)生的不利影響更大,原因在于雙側(cè)荷載的另一側(cè)輪載的反翹曲作用抵消了對(duì)稱軸上的部分應(yīng)力值.因此,在計(jì)算時(shí)僅考慮對(duì)稱軸上的單側(cè)荷載作用,利用荷載作用位置的對(duì)稱性,取模型的一半進(jìn)行計(jì)算.路面整體結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格劃分如圖3所示,為滿足計(jì)算精度要求,對(duì)各關(guān)鍵部位,如縮縫及其附近瀝青面層結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化.如無(wú)特殊說(shuō)明,圖2中點(diǎn)A為計(jì)算點(diǎn).1.2彈性常數(shù)構(gòu)化法多孔混凝土基層施工時(shí),一般通過(guò)碾壓成型,其上也為碾壓成型的瀝青層,這樣就使得多孔混凝土基層與瀝青面層的結(jié)合較為緊密,可認(rèn)為二者之間處于連續(xù)接觸狀態(tài).多孔混凝土基層下通常鋪筑半剛性材料下基層或底基層,在使用過(guò)程中層間逐漸趨于光滑的接觸狀態(tài).因此,在計(jì)算瀝青面層應(yīng)力時(shí),對(duì)多孔混凝土基層與地基的層間接觸按照絕對(duì)光滑情況進(jìn)行分析.筆者前期提出橫觀各向同性彈性本構(gòu)關(guān)系模型作為正交各向異性接觸模型.其本構(gòu)關(guān)系模型如式(1).???????????σ1σ2σ3σ4σ5σ6???????????=???????????C11C12C13000C12C11C13000C13C13C33000000C44000000C44000000C11?C122??????????????????????ε1ε2ε3ε4ε5ε6???????????(1)[σ1σ2σ3σ4σ5σ6]=[C11C12C13000C12C11C13000C13C13C33000000C44000000C44000000C11-C122][ε1ε2ε3ε4ε5ε6](1)將式中的張量彈性常數(shù)表示為工程彈性常數(shù)Ei,μij,Gij,可得到用工程常數(shù)表示的剛度矩陣[C],即?????????????????????????C11=(E1?E3μ213)/ΔC12=(E1μ12+E3μ213)/ΔC13=E3(μ13+μ12μ13)/ΔC33=E3(1?μ212)/ΔC44=G13Δ=1?μ212?2E3E1μ213?2E3E1μ12μ213(2){C11=(E1-E3μ132)/ΔC12=(E1μ12+E3μ132)/ΔC13=E3(μ13+μ12μ13)/ΔC33=E3(1-μ122)/ΔC44=G13Δ=1-μ122-2E3E1μ132-2E3E1μ12μ132(2)式中:E1為各向同性面xy面內(nèi)的彈性模量;E3為z方向的彈性模量;μ12為各向同性面xy面內(nèi)的泊松比;μ13為表征因z方向受力引起x方向(或y方向)變形的泊松比;G13為xz平面(或yz平面)內(nèi)的剪切模量.對(duì)于面層與基層之間連續(xù)接觸狀態(tài),只需將正交各向異性接觸模型的[C]矩陣的參數(shù)取成與基層剛度矩陣相一致的值,就可以實(shí)現(xiàn)完全連續(xù).對(duì)于基層與地基之間的光滑接觸狀態(tài),選取正交各向異性接觸單元的參數(shù)如表1所示.1.3計(jì)算參數(shù)瀝青路面各結(jié)構(gòu)層的主要計(jì)算參數(shù)見表2.2影響瀝青水面剪應(yīng)力的因素影響瀝青面層荷載應(yīng)力的因素主要有瀝青面層厚度ha,多孔混凝土基層厚度hc,瀝青面層模量Ea及基層與地基的模量比Ec/Es.以下分析各因素對(duì)面層荷載應(yīng)力的影響.當(dāng)瀝青面層模量變化時(shí),計(jì)算點(diǎn)A的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力見圖4(a).當(dāng)瀝青面層厚度變化時(shí),計(jì)算點(diǎn)A的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力見圖4(b).當(dāng)基層厚度變化時(shí),計(jì)算點(diǎn)A的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力見圖4(c).計(jì)算點(diǎn)A的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力隨基層與地基模量比的變化趨勢(shì)見圖4(d).從圖4可知,瀝青面層的主應(yīng)力多為壓應(yīng)力,圖4(a)中瀝青面層模量超過(guò)1600MPa時(shí),面層才出現(xiàn)了拉應(yīng)力,但其值很小,因此,當(dāng)瀝青面層模量不超過(guò)1600MPa時(shí),可以認(rèn)為瀝青面層處于受壓狀態(tài).從圖4可知,多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層內(nèi)存在較大的剪應(yīng)力.圖4(a)表明,當(dāng)ha=10cm,hc=22cm,Ea在800MPa～2000MPa之間變化時(shí)對(duì)應(yīng)的面層最大剪應(yīng)力呈降低趨勢(shì)變化.從圖4(b)表明,當(dāng)hc=22cm、Ec/Es=100,Ea=1200MPa時(shí),瀝青面層的最大剪應(yīng)力隨ha的增大而減小.圖4(c)表明,當(dāng)ha=10cm,Ea=1200MPa,Ec/Es=100,hc在16～30cm時(shí),瀝青面層的最大剪應(yīng)力隨hc的增大而減小.從圖4(d)可以看出,當(dāng)Ea和ha一定時(shí),瀝青面層的最大剪應(yīng)力隨Ec/Es的增大而增大.軸載變化對(duì)面層最大剪應(yīng)力的影響如圖5所示,隨著軸載的增加,瀝青面層的最大剪應(yīng)力明顯增大,二者基本屬于倍增關(guān)系.通過(guò)分析各因素的影響效果知,面層厚度的變化對(duì)面層剪應(yīng)力的影響最為顯著.因此,適當(dāng)?shù)卦黾用鎸雍穸萮a可以有效地降低瀝青面層的剪應(yīng)力.3荷載作用下瀝青抗剪應(yīng)力的影響(1)為了反映多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層的實(shí)際受力情況,建立多孔混凝土基層縮縫處瀝青路面三維有限元模型,引入橫觀各向同性彈性本構(gòu)關(guān)系模型作為正交各向異性接觸模型,實(shí)現(xiàn)瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸狀態(tài)的數(shù)值模擬.(2)荷載應(yīng)力分析表明,當(dāng)瀝青面層模量不超過(guò)1600MPa時(shí),多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層處于受壓狀態(tài).荷載作用下,多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層存在較大的剪應(yīng)力.當(dāng)面層厚度ha和基層厚度hc一定時(shí),面層最大剪應(yīng)力隨著面層模量的增大而減小;當(dāng)面層模量和面層厚度一定時(shí),瀝青面層的最大剪應(yīng)力隨Ec/Es的增大而增大;當(dāng)基層厚度hc和基層與地基模量比Ec/Es一定時(shí),隨著面層厚度ha的增大,瀝青面層的最大剪應(yīng)力減小;當(dāng)面層厚度ha和模量Ea一定時(shí),瀝青面層的最大剪應(yīng)力隨hc的增大而減小.隨著軸載的增加,瀝青面層的最大剪應(yīng)力明顯增大,二者基本