摘 要:以南京- 連云港高速公路南京段水泥混凝土路面改造工程為研究對象,采用彈性和粘彈性理論分析了加鋪層結構為4 cmSMA13 + 8 cmSUPERPAVE25 + 10 cm 的瀝青穩(wěn)定碎石L SM25 瀝青混凝土加鋪層的受力特性。研究表明:瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱;瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的豎向應力的影響較小;高溫穩(wěn)定性是瀝青穩(wěn)定碎石L SM25 層瀝青混合料材料設計的重點;SUPERPAVE25 混合料設計的重點是控制材料的疲勞性能;加鋪層厚度h = 19 cm 時,SUPERPAVE25 層底拉應變最大,增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應變呈現(xiàn)減小趨勢;隨著瀝青穩(wěn)定碎石模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應變和水平方向應變明顯降低。
關鍵詞:道路工程; 舊水泥混凝土路面; 瀝青混凝土; 加鋪層; 粘彈性
中圖分類號:U416. 216 文獻標識碼:A
0 引 言
目前中國很多水泥混凝土路面正處于維修、待修狀態(tài),舊水泥混凝土路面行車舒適性差,車速難以提高的狀況是目前急需解決的問題,然而至今仍沒有行之有效的解決方法[1 - 2 ] 。
本文以寧連(南京- 連云港) 公路南京段水泥混凝土路面改造工程為應用研究對象,針對舊水泥混凝土路面加鋪改造,運用新技術、新材料,采用彈性和粘彈性理論分析瀝青混凝土加鋪層的受力特性。通過對加鋪層受力特性的分析,為加鋪層的結構設計和材料設計提供依據(jù)。
1 加鋪層結構與材料
寧連公路南京段水泥混凝土路面加鋪層結構見圖1 。在此基礎上對結構層厚度和模量進行變化,分析不同情況下應力應變變化情況。瀝青混凝土層為粘彈性層[3 ] ,其余為線彈性層。
作用圖式:單軸雙輪、雙圓荷載。雙圓中心距離3δ保持不變,接觸壓力和接觸面積可變。路面材料參數(shù)見表1 、表2 。
2 計算工具
本文利用Kenlayer 程序[ 4 - 5 ] 進行計算。該程序對粘彈性模型采用擬合、對非線性采用迭代的方法,計算任一點應力、應變和位移,適用于單輪、雙輪、雙軸雙輪和三軸雙輪荷載作用下的層狀體系。各層性質可以是線彈性、非線性或粘彈性層狀體系。
3 加鋪層受力特性分析
3. 1 瀝青混凝土的粘彈性對加鋪層受力特性的影響
分別用彈性和粘彈性程序對同一加鋪層結構進行計算,以探明瀝青混凝土的粘彈性對加鋪層受力特性的影響程度。圖2 給出了加鋪層不同深度處的豎向位移的計算結果。
由圖2 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱。圖3 給出了加鋪層不同深度處的豎向應力的計算結果。
由圖3 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的豎向應力的影響較小。
圖4 給出了加鋪層不同深度處的豎向壓應變的計算結果。
由圖4 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的豎向應變的影響較為顯著。這說明: ①加鋪層不同深度處的豎向壓應變與加鋪層的高溫穩(wěn)定性相對應,這也是瀝青混凝土粘彈性的突出表現(xiàn),因此在考慮瀝青混凝土的抗車轍性能時必須考慮材料的粘彈性性質; ②L SM25 層頂面的壓應變最大,因此高溫穩(wěn)定性是該層瀝青混合料材料設計的重點。
圖5 給出了加鋪層不同深度處的水平方向應變的計算結果。
由圖5 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的水平方向應變有一定影響。計算結果表明, SUPERPAVE25 層底拉應變最大。因此,SUPERPAVE25 混合料設計的重點是控制材料的疲勞性能。
3. 2 層間連續(xù)狀態(tài)對加鋪層受力特性的影響
圖6 給出了層間完全連續(xù)狀態(tài)和L SM25 層與舊水泥路面間光滑聯(lián)結(其他各層完全連續(xù)) 時的加鋪層不同深度處的水平方向應變的計算結果。
由圖6 可見,加鋪層層底與舊水泥路面間的聯(lián)結狀態(tài)對加鋪層不同深度處的水平方向應變的影響顯著。光滑聯(lián)結時,加鋪層不同深度處的水平方向應變明顯增大。因此,在加鋪層施工過程中,加強加鋪層與舊水泥路面間的聯(lián)結非常重要,這是防止加鋪層底部開裂的重要途徑之一[6] 。
3. 3 加鋪層厚度對SUPERPAVE25 層底拉應變的影響
加鋪層的厚度對加鋪層層底抗裂性能有一定的影響。下面通過計算分析加鋪層厚度對SUPER2PAVE25 層底拉應變的影響。圖7 給出了不同厚度時,SUPERPAVE25 層底拉應變的計算結果。由圖7 可見,隨著加鋪層厚度的改變,加鋪層厚度h = 19 cm 時,SUPERPAVE25 層底拉應變最大,
增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應變呈現(xiàn)減小趨勢。說明加鋪層厚度為22～24 cm 是比較合理的。
3. 4 瀝青穩(wěn)定碎石模量對加鋪層受力特性的影響
分析瀝青穩(wěn)定碎石層的模量對加鋪層受力特性的影響,為瀝青穩(wěn)定碎石的混合料設計提供依據(jù)。其他參數(shù)不變,改變?yōu)r青穩(wěn)定碎石的模量,計算加鋪層中各深度處的豎向壓應變, 圖8 、圖9 為計算結果。
由圖8 、圖9 可見,隨著瀝青穩(wěn)定碎石層模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應變明顯降低,尤其是瀝青穩(wěn)定碎石層頂面的壓應變急劇下降。其他參數(shù)不變,改變?yōu)r青穩(wěn)定碎石的模量,圖10 、圖11 為加鋪層中各深度處的水平方向應變的計算結果。
由圖10、圖11 可見,隨著瀝青穩(wěn)定碎石層模量的提高,加鋪層中各深度處的水平方向應變也明顯降
低,尤其是SUPERPAVE25 層底拉應變急劇下降。以上分析表明,在瀝青穩(wěn)定碎石混合料設計時,
應該選用密級配,提高混合料的模量,可以降低瀝青穩(wěn)定碎石層頂面壓應變和SUPERPAVE25 層底拉應變,以提高加鋪層結構的整體強度和抗變形能力。
4 結 語
(1) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱。
(2) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的豎向應力的影響較小。
(3) 加鋪層不同深度處的豎向應變與加鋪層的高溫穩(wěn)定性相對應,因此在考慮瀝青混凝土的抗車轍性能時必須考慮材料的粘彈性性質。
(4) LSM25 層頂面的壓應變最大,高溫穩(wěn)定性是該層瀝青混合料材料設計的重點。
(5) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質對加鋪層不同深度處的水平方向應變有一定影響。
(6) SUPERPAVE25 層底拉應變最大, 因此SUPERPAVE25 混合料設計的重點是控制材料的疲勞性能。
(7) 加鋪層層底與舊水泥路面間的聯(lián)結狀態(tài)對加鋪層不同深度處的水平方向應變的影響顯著,因此在加鋪層施工過程中,加強加鋪層與舊水泥混凝土路面間的聯(lián)結非常重要。
(8) 隨著加鋪層厚度的改變, 加鋪層厚度h = 19 cm 時,SUPERPAVE25 層底拉應變最大,增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應變呈現(xiàn)減小趨勢,表明加鋪層厚度為22～24 cm 比較合理。
(9) 隨著瀝青穩(wěn)定碎石模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應變和水平方向應變明顯降低,尤其是瀝青穩(wěn)定碎石層頂面的壓應變和SUPER2PAVE25 層底拉應變急劇下降。表明在瀝青穩(wěn)定碎石混合料設計時, 應選用密級配, 提高混合料的模量,可降低瀝青穩(wěn)定碎石層頂面壓應變和SUPER2PAVE25 層底拉應變,以提高加鋪層結構的整體強度和抗變形能力。
參考文獻:
References :
[1] 張 鵬1 舊水泥混凝土路面黑色罩面反射裂縫的防治[J ]1 長安大學學報:自然科學版,2005 ,25 (3) :16 - 441ZHAN G Peng. Defence methods for reflective cracksin existed cement concrete black pavement [J ] . Journalof Chang ’an University : Natural Science Edition ,2005 ,25 (3) :16 - 441
[2] 關宏信,張起森,鄭健龍1 舊水泥混凝土路面搭板罩面的應力[J ]1 長安大學學報:自然科學版,2005 ,25 (6) : 25 - 281
GUAN Hong2xin , ZHAN G Qi2sen , ZHENG J ian2long. St ress of asphalt overlay laying on cracked con2crete pavement repaired with bridging slab[J ] . Journalof Chang ’an University : Natural Science Edition ,2005 ,25 (6) :25 - 281
[3] 陳拴發(fā),鄭木蓮,楊 斌,等1 破裂水泥混凝土路面板瀝青加鋪層溫度應力影響因素[J ]1 交通運輸工程學報,2005 ,5 (3) :25 - 301CHEN Shuan2fa , ZHEN GMu2lian , YAN GBin , et al.Thermal st ress influence factors of asphalt overlay oncement concrete pavement cracking slab[J ] . Journal ofTraffic and Transportation Engineering , 2005 , 5 ( 3) :25 - 301
[4] 武健民,伍石生1 用三維有限元方法評價帶接縫的舊水泥混凝土路面罩面[J ]1 長安大學學報:自然科學版,2002 ,22 (1) :10 - 131WU J ian2min , WU Shi2sheng. Evaluation of overlayon cement concrete slab with joint s by 3D FEM[ J ] .Journal of Chang’an University : Natural Science Edi2tion , 2002 ,22 (1) :10 - 131
[5] 周富杰,孫立軍1 復合路面荷載型反射裂縫的力學分析和試驗路驗證[J ]1 土木工程學報,2002 ,35 (1) :50 - 561ZHOU Fu2jie , SUN Li2jun. Behavior analysis of re2flection cracking in composite pavement [J ] . China Civ2il Engineering Journal ,2002 ,35 (1) :50 – 561
[6] 查旭東,王秉綱1 基于同倫方法的路面模量反算研究[J ]1 中國公路學報,2003 ,16 (1) :1 - 5.ZHA Xu2dong , WAN G Bing2gang. Backcalculation ofmodulus for pavement s based on homotopy method[J ] . China Journal of Highway and Transport ,2003 ,16 (1) :1 - 5.
