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1、第29卷 增刊 1999年11月东 南 大 学 学 报 JOURNAL OF SOUTHEAST UNIVERSITYVol129Sup. Nov. 1999夹层防治反射裂缝效果的应力分析符冠华 陆 庆 杨 军 陈荣生(江苏省交通科研院,南京210006) (东南大学交通学院,南京210096)摘 要 采用三维有限元静力分析方法,计算分析了具有接缝的旧水泥混凝土路面上沥青加铺层在行车荷载和温度变化作用下应力的变化情况,从理论上深入研究了应力吸收夹层和加筋夹层在不同情况下防治反射裂缝的效果,提出了两种夹层的模量推荐取值.关键词 反射裂缝;沥青加铺层;夹层;有限元分类号 U41612收稿日期:19
2、99 - 03 - 19. 第一作者:男,1963年生,高级工程师.在旧水泥混凝土路面上加罩沥青面层是一种常用的路面修复技术,它具有工期短、 造价低、 对交通影响小、 修复路面服务性能好等优点.但其主要问题是沥青加铺层中容易出现反射裂缝,这对于修复路面的使用寿命影响很大.目前用于防治反射裂缝的措施很多,其中在国内使用较广的方法是在沥青加铺层和旧水泥混凝土路面间添加一层夹层.按夹层用途可分为两类:加筋类和应力吸收类.代表材料是土工格栅和沥青橡胶薄膜.从大量实际工程应用来看,使用夹层对延缓反射裂缝的产生或阻止反射裂缝的扩展有较好的效果.近年来这方面的研究论文很多,但大部分侧重于施工方法及实际应用效
3、果的观察与评价,理论分析方面的内容不多.已有的一些理论分析也多采用平面有限元分析模型,且普遍注重荷载作用时的应力变化.这与路面的实际应力应变状态(尤其在温度作用时)有较大差异.分析结果也带有一定的局限性.因此,本文采用了更符合实际情况的三维有限元模型,对温度与荷载作用下接缝区加铺层内的应力状态进行详细分析,以更准确地揭示夹层材料防治反射裂缝的机理.1 计算模型与参数本文采用通用结构分析程序SAP91.计算采用静力分析方法,研究对象由沥青加铺层、 夹层(可选)、 带有接缝的旧水泥砼路面层和地基组成.为反映半空间地基的特性,地基采用扩大尺寸1,如图1所示.对各结构层作如下假定:1) 各层为均匀、
4、连续、 各向同性的线弹性体;2) 各层层间竖向、 水平位移均连续;3) 地基底面各向位移为零,地基侧面水平方向位移为零;沥青加铺层和旧水泥砼层在两端横截面上水平位移为零,在两侧侧面上位移自由;4) 不计路面结构自重影响;接缝宽度为1cm,旧水泥砼路面在接缝处无传荷能力.沥青面层中反射裂缝的产生是由行车荷载和温度变化引起的.由断裂理论可知,加铺层中 产生的反射裂缝主要是由沥青层底正应力y引起的张开型裂缝和由剪应力yz引起的剪切型 裂缝.根据国内外的研究发现2,在行车荷载作用时,当车轮对称作用于接缝上端时,沥青加铺图1 结构计算模型 层底面在接缝处正应力y和主应力1均为压应力,这是由于旧水泥砼板对
5、其挤压作用导致的,另外由结构、 荷载的正对称性可知沥青加铺层底面在接缝处剪应力yz为零.因此本文认为 正对称荷载不是引起反射裂缝的主要原因,此处主要研究偏荷载作用下的受力情况.根据同济图2 偏荷载作用下最不利荷载位置大学周富杰的研究1,取偏荷载作用下最不利荷载 位置如图2所示.行车荷载取BZZ-100,荷载集度q=017 MPa ,轮压作用范围等效为1819 cm1819 cm的正方形,双轮间距32 cm ,两侧轮隙间距182 cm. 无特别说明时,材料计算参数取值如下:沥青混 凝土E =1 200 MPa,=0125;水泥混凝土E =30000 MPa,=0115;地基E =80 MPa,=
6、0130.2 荷载应力分析211 无夹层时沥青加铺层厚度的影响当沥青加铺层直接摊铺在水泥混凝土板上时,接缝处沥青层底应力随沥青加铺层厚度变 化如表1所示.701增刊符冠华等:夹层防治反射裂缝效果的应力分析表1 沥青加铺层厚度对接缝处沥青层底应力的影响加铺层厚H/cmymin/ MPaymax/ MPa1max/ MPayzmax/ MPa 路面最大弯沉l/mm5-1.870.112.64-1.170.57810-1.320.101.98-0.920.57915-0.920.071.30-0.710.57920-0.610.051.11-0.540.57525-0.380.030.89-0.42
7、0.567各应力点的位置坐标( x , y , z)分别如下:ymin(31000,81005,91220) ;ymax(31189,81030,91220) ;1max(31000,81005,91220) ;yzmax(31000,81010,91220) .单位为m.剪应力虽为负值,但这只是方向问题,对剪切变形程度无影响,故取其下标为max.下同. 由表1可以看到,在偏荷载作用下,接缝区沥青层底1max和yzmax受沥青层厚度影响较大.而y在接缝处均为负值,在接缝处附近的正值又很小,故可知1和yz是引起反射裂缝的主要 原因.当沥青层厚度较小时,1和yz都很大,已超过了一般沥青混凝土的强度
8、极限,导致反射 裂缝的产生.增加加铺层的厚度可有效减小1和yz.沥青混凝土的抗拉强度一般为110 MPa 左右,故单从荷载作用角度来看,若要通过增加加铺层的厚度来抑制反射裂缝的产生与扩展, 其厚度至少应为20 cm以上.212 夹层的影响将夹层模拟为厚1 cm的弹性层,对应于沥青橡胶层和土工格栅层,取夹层模量E分别为30140 MPa和2 0008 000 MPa ,沥青加铺层厚度取为5 cm和10 cm,夹层取不同模量时,加 铺层中应力变化见表2(表中各第2小列为H =10 cm时的值) .表2 夹层的影响夹层模量 E/MPa接缝区夹层应力/MPa接缝区沥青层底应力/MPaymax1maxy
9、zmaxymax31maxyzmax路面最大弯沉 l/mm300.030.18-0.150.900.17-0.220.815600.040.36-0.220.590.27-0.300.7201000.100.56-0.300.390.40-0.380.6751400.130.71-0.370.270.48-0.450.6492 0000.180.032.732.05-1.24-1.07-0.18-0.23 0.920.57-0.72-0.600.5740.5664 0000.07-0.04 3.432.69-1.60-1.36-0.16-0.26 0.760.48-0.65-0.560.566
10、0.5566 000-0.04-0.11 3.843.06-1.82-1.54-0.16-0.28 0.550.40-0.60-0.520.5630.5518 000-0.15-0.18 4.113.32-2.97-1.67-0.17-0.28 0.520.33-0.55-0.480.5610.5443此处ymax位于路缘轮压中心处.在接缝区的y都为压应力.可以看到,应力吸收层的存在大大削弱了沥青加铺层中的应力集中现象.对于沥青橡胶膜 夹层,模量越小,削弱作用越明显;对于土工格栅夹层,模量越大,削弱作用越明显.就沥青橡胶 膜来说,其本身在接缝区的各应力也都很小,这对于抑制反射裂缝的产生是很有用
11、的.但表中 有两个现象值得注意:一个是虽然沥青加铺层底y在接缝区都为负值,但在轮压中心处却为 正值,且随着夹层模量的减小而迅速增加,这使沥青加铺层在非接缝区开裂的可能性增大;另 一个是随着夹层模量的减小路面弯沉增大,这意味着路面结构整体强度在变小.因此,在选用沥青橡胶等低模量、 高变形材料作为应力吸收夹层时,应进行综合考虑,选取合适的材料参数. 就土工格栅来说,当加铺层厚为5 cm时,模量取2 0006 000 MPa时的削弱作用较明显;当模801东南大学学报第29卷量大于6 000MPa ,削弱作用减缓,并且此时格栅层中的应力已较大;当加铺层厚为10 cm时,随 格栅模量的增大,加铺层底不利
12、应力的变化较小,模量取得过大已无意义.总的讲,格栅夹层的 模量不宜取得过大,从本文计算结果来看,在4 0006 000 MPa间较为合适.另外由计算结果 可看到,加铺层厚5 cm ,格栅模量取6 000 MPa或8 000 MPa时应力值相当于加铺层厚10 cm ,格 栅模量取2 000 MPa或4 000 MPa时应力值,故增加格栅的模量可减小加铺层厚度.213 地基脱空的影响在水泥混凝土路面中,由于水泥混凝土路面板在重交通荷载的反复作用下,板边、 角的挠 度加大,板与基层间积聚的自由水产生高速流动,冲刷、 侵蚀基层而易产生板与地基的局部脱 空.在荷载作用下,脱空的存在会加速加铺层内剪切型反
13、射裂缝的形成.在进行旧路加铺时,应 考虑这种现象.这种情况可通过删除模型中地基顶面在接缝两侧的部分单元体来模拟.现取非 加载侧脱空宽度5 cm ,加载侧脱空宽度34 cm ,脱空深度都为5 cm来研究(加铺层厚H =10cm) .结果如表3所示(表中第1行结果是无夹层时的计算值) .与表1第二行结果相比,当加载侧脱空宽度34 cm时,接缝边缘加铺层内的yzmax增大22%.这表明地基脱空对加铺层中不利应力的确有着较大的影响.而使用格栅夹层后,1max和 yzmax都有明显减小,且随着格栅模量的增大减小得越多.表3反映格栅在地基脱空时对加铺层底不利应力的削弱程度与表2中地基未脱空时的削弱程度是相
14、同的.表明当地基存在脱空 现象时,格栅的存在同样可显著减小反射裂缝产生的可能.表3 地基脱空时格栅的影响夹层模量E/ MPa接缝区夹层应力/MPa接缝区沥青层底应力/MPaymax1maxyzmaxymax1maxyzmax路面最大弯沉l/mm-0.152.55-1.120.6372 0000.0112.88-1.31-0.230.88-0.730.6344 000-0.053.67-1.65-0.270.74-0.670.6256 000-0.104.14-1.87-0.280.62-0.610.6208 000-0.154.47-2.02-0.290.52-0.570.61810 000-
15、0.194.71-2.06-0.290.45-0.540.6153 温度应力分析道路结构常年暴露在自然气候条件下,随着外界环境中太阳辐射、 气温、 风速、 降雨、 降雪 等因素的不断变化,路面各结构层中的温度也在时刻变化.温度下降使沥青加铺层出现收缩变 形,同时旧水泥砼板中也会出现收缩和翘曲变形,由于各结构层间的相互制约作用使变形受到 抑制,便可能使接缝区沥青加铺层中产生较大的温度应力. 要计算温度应力,首先必须确定路面结构的温度场.路面温度变化具有年周期性和日周期 性,考虑到沥青混凝土材料具有应力松弛特性,本文不考虑温度年变化的影响,而主要研究温度日变化的影响.根据各地实测资料和理论分析,路
16、面温度日变化规律近似于正弦函数.假定 路表日平均温度为0,其日变化幅度为 10,则根据第一类边界条件的一维热传导方程 求得的旧水泥砼板内最低平均温度时刻t0和最大负温度梯度时刻t-1时的温度值见表43.取沥青砼和水泥砼的导温系数分别为01002 1 m2/ h和01002 5 m2/ h ,导热系数分别为110 kcla/ m901增刊符冠华等:夹层防治反射裂缝效果的应力分析h和113 kcla/ mh.低温下取沥青加铺层E =5 000 MPa,沥青橡胶膜夹层E =200800 MPa ,假定路面材料的热工参数不随温度变化而变化,在该两种温度场下计算的不同厚度 沥青加铺层中的应力值如图3所示.表4 旧水泥砼板内最低平均温度时刻t0和最大负温度梯度时刻t-1时的温度值沥青层厚H/cm51015时刻t-1t0t-1t0t-1t0 沥青层顶面温度t/-9.427-8.527-7
