超重载对改建沥青路面结构影响的有限元分析

1、第36卷第15期西建筑 Vol. 36No. 15 山2010年5月M ay. 2010SHANXI ARCH ITECTURE#287#文章编号:1009-6825(2010 15-0287-02超重载对改建沥青路面结构影响的有限元分析刘伟竹 张名成摘 要:以有限元软件A NSYS 为计算工具, 应用弹性和弹塑性理论, 对重载沥青路面结构进行数值分析, 研究了路面结构在双轮车辆荷载作用下的力学响应, 提出了路面设计指标增加沥青层层底拉应变和路基顶面压应变控制指标。关键词:道路工程, 沥青路面, 轴载, 有限元法中图分类号:U 416. 217随着重交通的剧增和运营, 重车、超重车的比例不断增

2、大, 加上环境因素等原因, 路面过早出现了大面积损坏, 使得旧路维修工作也越来越繁重。当预防性和矫正性养护无法恢复其路用性能时, 就需要采取改造或维修措施。目前沥青路面旧路改造措施主要有老沥青路面直接加铺, 老油层挖除后直接加铺, 老基层补强或重铺后加铺等。其中铣原有沥青面层1cm2cm, 对局部松散、坑槽修补后进行加铺是常采用的维修措施, 因其具有节约资金、加快施工进度的独特优势。本文针对此种常用路面维修结构, 采用三维有限元软件A NSYS 对重载沥青路面进行分析, 研究了加铺后沥青路面结构在双轮车辆荷载作用下的力学响应。文献标识码:A赫克洛(Heukelom 和克罗朴(Klomp 提出的

3、轮载与接地压力间的关系公式, 计算出不同轮压下的当量圆半径和圆心距离, 见表2。表2 不同轴载下的当量圆半径和圆心距离轴载P /kN100轮压p /kPa当量圆半径D /m0. 1060. 1280. 1500. 1800. 210圆心距离R /m0. 3180. 3830. 4500. 5400. 6302 力学计算结果及分析2. 1 沥青路面弯沉的计算及分析路面弯沉值的大小反映了路面整体刚度强弱, 过大的塑性变形将导致路面出现沉陷、车辙等破坏现象。不同轮载作用下路面弯沉值见图1, 由图1可知其对轮载的增大比较敏感, 随轴载增大, 弯沉值不断增大, 且增大趋势为逐渐增大。1 路面结构参数及计

4、算模型为了分析路面结构在车辆荷载作用下的力学响应, 建立了路面结构有限元模型, 所选计算方案及其材料参数见表1。表1 结构计算方案和参数表结构层加铺上面层加铺中面层结构组合加铺下面层原上面层原下面层原半刚性基层原底基层及路基厚度/cm4664620回弹模量/MPa14001200泊松比0. 30. 30. 30. 30. 30. 250. 35路面结构模型在水平方向和深度方向取其有限尺寸, 具体为:分析范围x , y , z 向各为2. 5m, 2. 5m, 4. 0m, 采用8节点等参元, 应用三维实体单元(Solid45 进行离散处理。边界条件假设为:底面为刚性面全约束; 路表为自由面不进

5、行约束; 左右两面没有x 方向位移; 前后两侧没有y 方向位移, 层间完全连续。根据材料控制、施工工艺、工程管理诸多因素。因此, 在机械化程度、技术含量都较高的沥青混凝土路面施工中, 要严格各方面管理, 加强质量可控性, 尽可能提高路面施工质量。在工程竣工后, 对先天性病害要进行预防性养护, 一旦发现病害, 就要通过烘烤填补、切割挖补, 及时封堵裂缝和排除路面积水等养护手段, 防止病2. 2 沥青路面层底应力的计算及分析路面结构最主要的破坏形式之一是沥青面层的疲劳开裂, 是害的发展。对功能性损坏要及时修补, 以确保道路完好。参考资料:1 JT J 032-94, 公路沥青路面施工技术规范S.2

6、 刘功祥. 沥青路面早期病害原因及预防措施的分析J.山西建筑, 2008, 34(16 :289-290.Discussion on asphalt concrete pavement main diseases and treating measuresHU An -pingAbstract:T he asphalt concr ete pavement disease r easons were analyzed, the specific di sease represent atio n of par tial settlement , pit pond,bleeding, bulg

7、e, slipperiness, tr acking and crack etc. w ere illustr ated respectively. It proposed that it should strict construction manag ement , enhance possible pav ement construction quality, st rengthen maintenance after co mpletion, ther efore reduced or avoided disease. Key words:asphalt concrete paveme

8、nt, disease, reason, treating measures收稿日期:2010-01-22作者简介:刘伟竹(1976- , 男, 工程师, 山西省公路工程质量检测中心, 山西太原 030006张名成(1985- , 男, 长安大学公路学院硕士研究生, 陕西西安 710064#288#第36卷第15期2010年5月山西建筑由沥青面层内的弯拉应力或应变的重复作用所致。随着轮载的加大, 路面结构层底应力如图2所示。注:x 为横断面方向, y 为行车方向, z 为路面法向方向。层厚度为15cm, 其他参数不变, 计算加铺层模量变化对路面结构剪应力的影响。由图4可知, 随加铺厚度的增加,

9、 加铺层底剪应力呈现先增大后减少的趋势, 加铺厚度达到10cm 时剪应力达到峰值; 随加铺层模量增加, 加铺层底剪应力逐渐变大, 但相差不大。1 由图2可知, 路面各结构层的应力值随荷载的增加而逐渐增大。当超载100%时, 其值是标准轴载作用下的2倍3倍。在荷载作用下面层产生弯曲和压缩变形, 而基层及其以下各层则产生弯曲和拉伸变形, 面层与基层接触面变形不协同使得面层基层层间滑动脱离。2 从图2中很明显的看出沥青面层层底的应力一般为压应力, 故沥青层底拉应力验算就失去了意义, 只剩下路表弯沉及半刚性材料层的层底拉应力作为设计指标。随着加铺层厚度的加大, 加铺层层底应力值见图3; 取加铺层厚度为

10、15cm, 其他参数不变, 计算加铺层模量变化的影响, 计算结果见图3 。2. 4 沥青面层的路基顶面压应变计算及分析许多国家路面设计方法都采用了路基顶面压应变指标, 通过对路基顶面压应变的控制来达到控制车辙和路基破坏的目的。对于半刚性基层沥青路面, 由于半刚性基层的强度和刚度, 基顶面压应变均较小, 但其能真正反映出路面结构层土基承载状况。国外长寿命路面设计过程中, 大多采用的是沥青层层底拉应变、路基顶面压应变来进行控制, 值得我们借鉴。3 结语通过分析超重荷载对改建沥青路面结构的力学响应方面的影响, 探讨了不同轴载对路面关键响应的变化规律, 得出沥青面层大多处于受压区, 面层层底产生的是压

11、应力。国外长寿命路面设计大多采用沥青层层底拉应变和路基顶面压应变控制, 值得我们借鉴。根据本文内力计算分析和我国的国情, 增加沥青层底的拉应变以及土基顶面压应变两个指标作为沥青路面结构设计指标比采用路表弯沉和沥青层底的拉应力指标更为合理, 且具有明由图3可知, 加铺层厚度的增加将使结构整体刚度增强、荷载挠度减小, 加铺层底呈现出递减的趋势, 且加铺厚度由10cm 增加到15cm 时层底应力表现出大幅度的减小; 随着加铺层模量的增加, 加铺层与旧路面接触界面处最大压应力逐渐减小。确的含义, 也更符合材料的破坏准则。参考文献:1 孙立军. 沥青路面结构行为理论M .北京:人民交通出版社, 2005

12、. 2 沙庆林. 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防M . 北京:人民交通出版社, 2001. 3 胡小弟, 孙立军. 不同车型非均布轮载作用力对沥青路面结构应力影响的三维有限元分析J.公路交通科技, 2003(2 :45-46.4 姚占勇, 商庆森. 界面条件对半刚性沥青路面结构应力分布的影响J.山东大学学报, 2007(6 :44-45.5 陈贺新. 半刚性沥青路面混合料的疲劳与开裂分析J.交通标准化, 2003(23 :105-106.2. 3 沥青面层的剪应力计算及分析轮载与路面接触的局部范围内面层的受力非常复杂, 使得面层可能产生剪切破坏。轴载的变化对荷载作用区域内剪应力的影响较大,

13、 剪应力随轴载的增大而增大, 增加幅度也逐渐增大。计算结果表明, 从路表往下剪应力迅速增大, 在深度1cm8cm 处达到峰值, 深度再增加剪应力减小, 但减小幅度开始较慢, 在10cm15cm 后减小较快。因此, 路面车辙出现的位置和表面裂缝的深度大多小于10cm 。当加铺厚度增加时加铺层底剪应力计算结果见图4; 取加铺The response analysis of reconstruction ofasphalt pavement structure under overload with finite element methodLIU We-i zhu ZHANG Ming -chengAbstract:N umerical simulation analysis about heavy -loaded asphalt pavement w as per for med using elastic and elastic -plastic theories with finiteelement analysis software AN SY S, and t he mechanical responses of pavement in two cyclic traffic loads were stu