基于改进有限元模型的路面沥青应力吸收层防裂性能研究

基于改进有限元模型的路面沥青应力吸收层防裂性能研究

在黑白路面之间设置应力吸收层，不仅可以“上下连接”，防止“两层皮肤”的出现，还可以起到防水和排水的作用，防止水土流失的发生。同时，它还能吸收水泥表面裂缝的反射能力，防止或延迟反射裂缝的产生和扩展。2003年，当用完全恢复沥青混凝土时，在4cm表面层的左右两侧调整了sd-沥青路面的应力吸收层，效果良好。刘朝晖等人将sd-沥青路面改为半刚性基层和沥青路面之间的应力吸收层，表现出较好的弹性和较强的粘合性，减少了由半刚性基层收缩裂缝引起的反射裂缝和其他裂缝引起的裂缝。在本研究中，将sd混合材料用作旧水泥路面的沥青路面，以获得更好的抗裂效果。1重力吸收层阻力衰减机的分析模型1.1区域基础建模采用大型有限元软件ANSYS进行计算.视路面结构为弹性层状体系,从上至下由沥青加铺层、防裂应力吸收夹层、旧水泥混凝土路面和基础组成,建立空间三维模型.基础采用扩大尺寸来模拟,模型及坐标系如图1所示.对各结构层作如下假定:各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体;各层层间竖向、水平位移均连续;基础底面各向位移为零,基础侧面水平方向位移为零;不计路面结构的自重影响;水泥混凝土板接缝宽度假设为10mm.为满足计算精度要求,对各关键部位,如接缝及其附近加铺层结构进行网格细化和加密,经过误差分析取单元边长为5mm.1.2单圆式工况测试方法依据实体工程,水泥混凝土路面板长L=5m,宽度B=4.5m,厚度hc=28cm.取基础不同尺寸进行误差分析,基础扩大尺寸定为12.01m×6.5m×9m.行车荷载采用标准轴载BZZ-100,轮胎内压0.7MPa,单圆荷载的半径为10.65cm,接触面积为356.33cm2,双轮间距为31.95cm.方便单元划分并满足精度要求,计算时采用20cm×40cm的单圆均布荷载.参考有关资料并进行对比分析,计算参数如表1所列.全国各地区最大日温差一般不超过15℃,考虑最不利情况,在分析加铺层温度应力时,只考虑降温情况,取Δt=-15℃.1.3层间接触条件不同荷载位的计算分析表明,车轮荷载作用在接缝一侧中部的偏荷载对加铺层最为不利,布载方式如图2和图3所示.旧水泥混凝土面层与沥青加铺层之间接触条件对车辆荷载应力影响较小,但对温度应力影响较大.当层间接触条件为完全光滑时,加铺层所产生的温度应力最小,而当层间接触条件为完全连续时,加铺层温度应力最大.在下文计算中,按最不利情况考虑,即假设各层层间竖向、水平位移完全连续.图3中A点为加铺层底计算点,C,D点为弯沉及弯沉差计算点.路面检测采用路表面点E,F的弯沉,但路表弯沉仅是水泥混凝土板弯沉的反映,在研究层间材料的防反射裂缝能力时,采用C,D点更能真实反映旧水泥混凝土板和层间受力变形的真实情况.经过计算得出最不利温度应力点为接缝处加铺层底部的A点,有应力吸收层时采用应力吸收层底部点及沥青加铺层底部点,如图4所示.2应吸收层阻力铬结构分析2.1在轮载作用下，横向界面中的层之间的应力分析1应力状态的影响应力吸收层厚hs=2cm,弹性模量Es=800MPa.计算A点及A1点的应力状态,结果见图5.由图5可知,最大主应力、等效应力及最大剪应力分别减少了35.9%,62.2%及61.8%.总之,应力吸收层能改善层间的应力状况,可以减少沥青层底的拉应力,从而保护了沥青混凝土罩面层.2应力吸收层模量对弯沉的影响变化应力吸收层的模量,分析B点的应力及弯沉变化见图6及图7.从图6可以看出来,在荷载应力作用下,层间应力随应力吸收层模量的增加而呈增加趋势.当应力吸收层模量从400MPa变化到1000MPa时,等效应力、最大剪应力及最大主应力分别增加了72.4%,73.2%及66.3%.可见,在一定的限度之内,增加应力吸收层的模量将会提高层间的应力,而减小应力吸收层的模量可以降低层间应力.由图7可知,弯沉随着应力吸收层的模量增加而减小.模量从400MPa变化到1000MPa,C1、D1的弯沉差减小了23.8%.由此可见,增大应力吸收层的模量可以减小弯沉差.在沥青加铺层较薄的情况下,应力吸收层的设置需要综合考虑层间应力和弯沉的影响,应该采用柔软而有韧性的应力吸收层材料.2.2在温度载荷的作用下，横缝层之间的应力分析1应力吸收层对温度应力的影响采用图4的计算点位,计算结果见图8.由图8可见,加了应力吸收层后,在温度荷载作用下沥青层底最大主应力、等效应力及最大剪应力分别减少了38.9%,28.2%及29.4%.这说明,应力吸收层减小了温度应力.2应力场及温度变化应力吸收层模量,进行温度应力计算,结果见图9.由图9可知,随着应力吸收层模量的增加,接缝处沥青加铺层最大主应力、等效应力及最大剪应力逐渐增大.当应力吸收层模量从400MPa增加到1000MPa时,最大主应力、等效应力及最大剪应力分别增大了38%,37.7%,38.4%.沥青混合料模量随温度降低而增大,气温越低夹层内的温度应力越大,因此,反射裂缝多在冬季产生.2.3应力吸收层对沥青层底的耦合应力作用从图10中可以看出,水泥混凝土路面及沥青加铺层之间设置了应力吸收层后,对于同样厚度的沥青加铺层来说,最大主应力、等效应力、最大剪应力分别降低了9.1%,11.3%,11.6%.B点比A点的相应值分别降低了88.5%,54.2%和54.0%.由此可知,应力吸收层对沥青层底的耦合应力有明显的削减作用.3抗剪强度对心体力学特性的影响根据以往的路况调查,水泥混凝土路面沥青加铺层结构最主要的病害是面层沥青混合料的剥落、松散,究其原因,发现在水平方向荷载作用下,沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之间的抗剪强度不足是重要原因.为此,采用JHY-A型材料直剪仪对现场取得的心样进行试验,结果见图11～12.由图11曲线可知,对于没有层间夹层的直剪试验,当施力达到6000N时达到抗剪的最大值,而此时的位移为4.5～5mm,此后由于层间破坏力迅速变为0.对于有夹层的图12,最大剪力值达到12000N,最大变形位移可达6～8mm.现场观测也表明,有应力吸收层的路段反射裂缝明显减少.这都说明SBS改性沥青混合料应力吸收层减小了层间力的作用,起到了应有的应力吸收效果.4改性沥青混合料的力学性能1)在标准轴载作用下,SBS应力吸收层对沥青层底最大主应力、等效应力、最大剪应力均有削减作用,分别减少了35.9%,62.2%及61.8%.2)在温度荷载作用下,SBS应力吸收层对沥青层底最大主应力、等效应力、最大剪应力的削减分别为38.9%、28.2%和29.4%.当应力吸收层模量从400MPa增加到1000MPa时,最大主应力、等效应力及最大剪应力分别增大了38%,37.7%,38.4%.3)在耦合应力作用下,沥青混凝土底面的最大主应