旧水泥路面沥青加铺层厚度及模量有限元分析

1、旧水泥路面沥青加铺层厚度及模量有限元分析摘 要：旧水泥混凝土路面上罩沥青加铺层是一种较为常见的路面改造方式，通常的做法是在加铺层下面设置应力吸收层。为了减少反射裂缝的发生，采用ANSYS软件对不同层厚的加铺层以及不同弹性模量的应力吸收层进展三维有限元分析，通过不同路面构造的加铺层底主应力、剪应力、拉应力以及弯沉的比照分析，确定合理的加铺层厚度以及应力吸收层模量。分析结果说明，应力吸收层的弹性模量宜为46GPa，沥青加铺层厚度宜为510cm。关键词：沥青罩面 应力 有限元 应力吸收层0.背景：旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层， 是目前我国旧路改造的主要形式之一。由于旧水泥混凝土路面存在着大量

2、接缝和裂缝， 当行车荷载经过裂缝区域时， 裂缝两侧的水泥板变形不连续， 从而对裂缝上方的沥青加铺层造成拉伸剪切变形。在车辆的反复作用下， 加铺层底面由于存在较大的应力反复作用， 最终造成自下而上的裂缝。总结国内、外对旧水泥路面的改造的经历。对旧水泥路面的改造大概分为三部分：对加铺层的改进：加强加铺层材料、增加加铺层的厚度；设置应力吸收层：应力吸收层的材料有级配碎石层、土工布、土工格栅、钢丝网、沥青级配碎石、橡胶沥青层；对旧路面的改造：对旧水泥路面进展破裂稳固。本文假定旧水泥路面承载才能良好，研究沥青类材料的应力吸收层模量变化以及沥青加铺层厚度变化对接缝区路面构造参数的影响。1.路面构造及各层计

3、算参数选取本文有限元计算研究分析对象为河南省某省道试验路段，试验路构造布置如及计算参数选取如表1所示：表1 各层材料计算参数序号 构造层材料 厚度cm 弹性模量MPa 泊松比2 应力吸收层 0.5 20008000 0.253 旧水泥混凝土面板 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结点等参单元实体建模，层间不同接触条件用正交各向异性8结点等参单元模拟，本文假设层间接触条件为连续。有限元分析时采用的边界条件为：土基底面为固定平面，土基四周面约束法向位移，路面构造为自由板。这样建立的有限元模型图如

4、图 1所示。图 1路面有限元模型用空间等参单元计算弹性层状构造时，为了保证有限元分析的解收敛于准确解，不仅要合理划分单元大小还要选用适宜的模型尺寸。在实际的路面构造中，地基为弹性半空间体，为了表达其无限大特性，计算时所取地基平面尺寸比复合路面大，并给定地基深度初值，然后逐步扩大地基的三维尺寸，以观察其对路面板应力的影响，直至板底最大应力收敛为止，此地基尺寸为计算用范围。通过分析，本文有限元取模型尺寸如表2所示。表2有限元模型尺寸构造层 尺寸m行车方向 行车垂直方向 竖直方向沥青混合料加铺层 10.01 4 /水泥混凝土板 5 4 /基层和底基层 10.01 4 /土基 16.01 10 6注：

5、水泥混凝土板为2块，且板中间有一个0.01m的横向接缝，接缝间不传力。3.临界荷载作用位置及大小图2 车辆临界荷载的位置图4.计算结果表 3 不同应力吸收层模量对沥青混合料加铺层底的应力影响5.最大应力分析不同应力吸收层模量下沥青加铺层层底最大主应力、剪应力和纵向拉应力计算结果如表3所示。1主应力2剪应力可见当应力吸收层模量到达46GPa时，应力吸收层对反射裂缝层底应力的削弱作用最明显；层厚为8cm时的最大主应力值较层厚为5cm时大概降低了25%，层厚为12cm时的最大主应力值较层厚为5cm时大概降低了40%。3纵向拉应力6. 最大弯沉分析沥青加铺层层厚的增加可以减少路表最大弯沉值，应力吸收层的弹性模量增加可以减少路表最大弯沉值。7.结论1、沥青加铺层层厚的增加可以减少层底最大主应力、最大剪应力和纵向最大拉应力值。2、当应力吸收层模量到达46GPa时，应力吸收层对反射裂缝层底应力的削弱作用最明显；当应力吸收层模量为6GPa时，层底最大剪应力最小；最大剪应力随着层厚的增加而减少；应力吸收层的弹性模量增加可以增大层底纵向最大拉应力值。3、沥青加铺层层厚的增加和应力吸收层的弹性模量增加均可以减少路表最大弯沉值。4、旧混凝土路面上