冲击压实破裂稳固后对沥青混凝土加铺层结构影响的数值分析.pdf

第 3 7卷 ， 第 2 期 2 0 1 2年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng Vo 1 3 7，No 2 Ap r， 2 0 1 2 冲击压实破裂稳固后对沥青混凝土加铺层结构 影 响的数值分析 吕蒋聪 ， 任岐岗 ( 1 广东省冶金建筑设计研究院 ，广东 广 州5 1 0 0 8 0 ； 2 华南理工大学 土木 与交通学院 ， 广东 广州5 1 0 6 4 0) 【 摘要 】采用有限元分析法 ， 利用 A n s y s 软件结合薄板理论 和弹性 地基板理论 ， 建立板单元和连续半空 间地 基上 的破裂后 旧混凝土板块 群与新加铺沥青混凝土路面 的力 学模型 ， 计算分析加 铺沥青混凝土 面层厚度 、 基层 强度及 旧水泥 混凝 土路 面破 裂块 度大小对加铺层结构的影响 。 【 关键 词 破裂稳固 ；冲击 压实 ； 有限元法 ； 加铺层 中图分类号 U 4 1 5 1 2 文献标识码 A 文章编号 】1 6 7 4 一 O 6 1 O ( 2 O 1 2 ) O 2 一 o 0 5 3 0 4 Nu me r i c a l An a l y s i s o f I mpa c t o n As p ha l t Co n c r e t e Ov e r l a y s a f t e r I mp a c t Co mp a c t i o n L i i J i a n g c o n g RE N Qi g a n g ( 1 。 G u a n g d o n g Me t a l l u r g i c a l a n d A r c h i t e c t u r a l D e s i g n I n s t i t u t e ，G u a n g z h o u ，G u a n g d o n g 5 1 0 0 8 0，C h i na； 2 S o u t h Ch i n a Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Tr a n s p o r t a t i o n，Gu a n g z h o u ，G u a n g d o n g 5 1 0 6 4 0 ， C h i n a ) A b s t r a c t T h i s p a p e r u s e s f i n i t e e l e me n t me t h o d E s t a b l i s h me c h a n i c a l m o d e l o f b u r s t o l d c o n c r e t e b a s e p l a t e a nd n e w a s p ha l t c o n c r e t e pa v e me n t o v e r l a y o n p l a t e e l e me n t a n d c o n t i n u o u s h a l f - s p a c e f o u n d a t i o n c o mbi ni n g wi t h t hi n p l a t e t h e o r y a n d t he t h e o r y o f e l a s t i c f o u nd a t i o n Ana l y z e t h e i mp a c t o f t h e t h i c k ne s s o f a s p h a l t c o n c r e t e o v e r l a y a nd t h e ba s e s t r e ng t h a n d t h e s i z e o f b r o k e n c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t b l o c k o n o v e r l a y s Ke y wo r d s c r a c k a n d s e a t ；I m p a c t c o mp a c t i o n ； O v e r l a y ；f i n i t e e l e m e n t m e t h o d 水泥混凝土路面加铺 沥青混凝土面层 ， 即俗称 的“ 白加黑” 法， 可以有效改善路面使用性能。目前 路面加铺普遍采用“ 白加黑” 法 ， 但是 由于新 旧两层 是两种不同性质 的材料， 采用力学分析起来 比较困 难。理论上采用有限元 板壳单元模拟 ： 将沥青混凝 土看作上层 ， 水泥混凝 土看作下层 。然而， 由于旧混 凝 土板 有裂 缝 ， 因此 下 层 板 用 经 典 的层 状 理 论 很 难 模拟。本文根据面层材 料的厚度 、 基层材料 的强度 等情况进行模拟计算分析 。 1 路面结构有 限元模型 的建 立 为了考察破裂稳 固板块及其加铺层结构在正常 交通荷载作用下 的力学行为 ，采用三维有 限元数值 分析。利用 A n s y s 有限元分析软件 ， 选用整体单元 类型 ， 其 中旧路土基采用 D r u e k e r - P r a g e r模 型，对 几何模型进行有限元网格划分 。 1 1 结 构 模 型 土基模型。土基的有限元模型尺寸为 3 5 m x 3 5 m x 3 5 m。路面的行 车荷载的影响深度一 般不会超过 5 m， 所示土基的计算厚度为 5 m。 破裂旧板模型。板 旧路面 的板块为 3 5 n l 3 5 m x 3 5 m， 简化后每 个子板 块 为 0 5 m 0 5 m 0 25 m 4 - 5 。 基层和面层模型。计算 中基层和面层的厚 度是变化 的， 而面积是不变 的， 为 3 5 m x 3 5 m。 有限元模型如图 1所示 。 1 2交通 荷载 行车荷载采用标准轴载 B Z Z 一 1 0 0 ， 轴重 1 0 0 k N， 【 收稿 日期 2 0 1 0 1 1 0 7 作者简介 】吕蒋聪( 1 9 8 2 一) ， 男 ， 湖南 邵阳人 ， 硕 士， 助理工程师 ， 主要从事公 路评价及修复技术 、 冲击压实技术应 用、 路面资产管理及预 防性养护等研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 公路工程 3 7 卷 基层 和面层 3 5 3 5 n l 破 裂 旧板 兰 ： ： ： 各层接触为面一 面接触 土基 3 5I n3 5m x5IT I 。 113板破 裂成 若 干子 板 板块之间仅存在 相互的嵌挤咬合力 ， 不存在相互之间的拉 伸力，将嵌挤咬合力 简化为摩擦力 土基 ，Y方 向全 约 束 ，位移为 0 ，仅存 在： 方向的位移 图 1结构有限元模 型 Fi g u r e I Fi n i t e e l e me nt mo de l 轮压 0 7 M P a ， 单轮当量圆直径为 2 1 3 c m， 为便 于 有 限 元 分 析 计 算 ， 单 轮 当量 圆作 用 范 围折 算 为 1 8 9 c m1 8 9 c m的正方形 ， 双轮中心距为 3 2 c m， 两侧轮隙间距为 1 8 2 c m。双轮荷载 1 0 0 k N的等效 面力作用在面板 中间位置， 考 虑到模型与荷载均对 称 ， 计算时可取 1 4模型进行分析。 2 加铺 沥青混凝土面层及其基层力学行为 2 1 面层厚度不同时沥青加铺层的受力分析 沥青加铺层 的常用厚度为 1 01 5 c m， 增加加 铺层厚度 ， 一方面可以减少 旧板的温度变化 ， 并降低 加铺层的拉应力 ； 另外一方面可 以增加路 面结构 的 弯曲刚度 ， 降低接缝处的弯沉差 ， 减少加铺层 的剪切 应力 引。 根据建立的有限元模型 ， 在破裂稳 固的旧水泥 砼路 面 板 上 ， 改 变 沥 青 加 铺 层 的 厚 度 ( 1 0 o m、 1 2 c m、 1 4 c m、 1 5 c m、 1 8 c m、 2 4 c m) ， 计 算分析沥青 加铺层层底弯拉应力和竖向位移。 计算模型中的材料参数如表 1 所示 。 表 1 各层材料的材料参数 Ta b l e 1 Ma t e r i a l p a r a me t e r s o f e a c h l a y e r 2 1 1 竖 向位移 图 2给出了路面( 加铺层厚度为 1 0 c m) 结构 在 双轮荷载下的竖向位移分布图。从图 2中可看出加 载后各层都产生了不 同程度 的非均匀沉降， 车轮位 置处变形最大， 距车轮越远沉降越小 ； 变形主要集 中 在面层、 基层和破裂 旧板层 ， 土基的变形相对较小； 并且 当达到土基一定深度后变形趋 于均匀。由图 2 可知：竖向位移最大值发生在断面 =01 7 5 m， Y ：1 7 5 m z=5 5 5 m处。不 同加铺层厚度时面层 的竖向位移如图 3所示 ， 在板块 1 处 ( 荷载 所在位 置) ， 因加铺层厚度不 同引起 的竖 向位移差 比较明 显 ： 加铺层厚度 1 0 c m时 ， 产生的竖 向位移最大； 其 它加铺层引起的竖向相对位移变化最大为 1 7 3 5 。 在板块 2 、 3 、 4 处 ， 逐渐 远离荷载 ， 竖 向位移变化 幅度为 2 9 2 9 ， 变化 比较 的均匀， 说明该断面的受 力变化情况均匀 ； 加铺层厚度不同， 引起的竖向位移 变化不明显 ， 由图 3可以看 出： 5条线几乎重合在一 起 ， 它们之间的最大的变化幅度不超过 1 。 图 2竖 向位 移分 布 Fi g u r e 2 Di s t r i bu t i o n o f v e r t i c a l d i s p l a c eme n t 轴 坐标 m 0 2 5 0 5 07 5 l 1 2 5 1 5 1 7 5 一O 1 0 1 5 l 一 0 2 趟 - 0 2 5 旧 酬一0 3 -0 3 5 一U 4 图 3 不 同加铺层 厚度时面层竖向位 移 Fi g u r e 3 v e rti c a l d i s p l a c e me nt o f d i ffe r e nt o v e r l a y t hi c k n e s s 2 1 2 沥青加铺层层底弯拉应力 图 4是加铺层( 1 0 c m) 的沥青混凝土面层弯拉 应力变化云图。负数表示 的是压应力， 极大值 由图 蓝色区域表示， 位于加铺层上表面； 正数表示 的是拉 应力 ， 极大值 由图红色 区域 表示 ， 位 于加铺 层下表 面 ； 由图 4可知， 最大 的弯拉应力 是 0 2 9 8 MP a ， 是 图 4红色表示的区域 ， 由此可知 ， 沥青加铺层的最大 弯拉应力是发生在板块 1 和板块 2 交界处 ， 并且在 发生沥青加铺层 的下底面。最大弯拉应力发生在断 面 = 01 5 m、 Y=1 7 5 m、 z =5 4 5 m。不同加铺 厚度对沥青混凝土路面底面的弯拉应力影响如图 5 所 示 。 2 2 基层不同强度 时沥青加铺层的受力分析 公路基层是路面的重要结 构层 ， 它承受着本身 土体的重力和路面结构 的重量 ， 同时还承受由路面 传递下来的行车荷载， 由此可见， 基层在路面结构的 疆 埘埘埘埘埘邶 埘埘0 E E E E E E E E E 8 8 9 9 9 9 9 6 8 5 1 7 3 9 5 1 9 9 ， = ， h ， _： ， “ - - ， 一 一 一 一 一 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 吕蒋聪 ， 等 ： 冲击压实破裂稳 固后对 沥青混凝土加铺层结构影响的数值分析 5 5 d 皇 、 静 喧 世 衄 恒 图 4弯拉应力变化云 图 Fi g u r e 4 Fl e x u r a l s t r e s s c l o u d 图 5 不 同加铺层厚 度时路面底面弯拉应力 Fi g u r e 5 Bo t t o m fle x u r a l s t r es s u n de r d i f f e r e n t o v e r l a y t h i c k ne s s 重要性。本文拟定基层不 同强度 ， 研究其对加铺层 面层 的影响。计算具体参数如表 1 所示。基层的强 度 分别 为 ：1 0 0 0 MP a 、 1 1 0 0 MP a 、 1 3 0 0 MP a 、 1 5 0 0 MP a、 1 6 00 MPa 。 引 。 2 2 1 竖 向位 移 不同基层强度的面层竖向位移如图 6所示。行 车荷载处的面层竖 向位移随着基层强度的增加 ， 呈 现 出 的趋 势是 先 增 大 后 减 小 ； 基 层 强 度 1 3 0 0 M P a 是分水岭 ， 由此 可知， 该模 型基层强 度最合理值是 1 3 0 0 MP a ； 基 层 强 度 1 5 0 0 MP a和基 层 强 度 1 6 0 0 MP a引起 的面层 位移 ( 各 自的峰 值 处 ) 差 值 仅 为 1 8 3 ； 由此可知， 继续增加基层强度 ， 面层位移减 小值变化很小 ， 可以忽略。 苦 鲁 、 - 匣 醐 图 6基层不 同强度时面层的竖 向位移 F i g u r e 6 Ve r t i c a l di s p l a c e me nt o f t h e s u r f a c e l a y e r u nd e r di f - f er e nt ba s e i n t e ns i t y 2 2 2沥青加铺层层底弯拉应力 基层不 同强度时沥青混凝 土路面底 面的弯拉应 力影响如图 7所示。在破裂板交接处 ， 产生 明显的 应力集中， 弯拉应力是破裂板块处的 34倍 ； 结构 层材料的容许弯拉应力是路面承受行车荷载反复作 用达到临界破裂状态时的最大疲劳应力。根据计算 结果 ， 可以得知基层强度不同时沥青面层底面 的弯 拉应力变化不明显 即沥青面层底面的弯拉应力 随基层强度变化几乎不变。 宴 静 喧 世 啮 暄 2 5 2 l 5 1 05 0 0 2 5 0 5 O 7 5 l 1 2 5 1 5 1 7 5 轴 坐标 n l 图 7 基层不 同强度时路面底面弯拉应力 F i g u r e 7 F l e x u r a l s t r e s s o f t he b o t t o m u n de r d i f f e r e n t b a s e i n t e n s i t y 3 旧板破 裂块 度不 同时沥 青加铺 层 的受 力 分析 冲击压实处理 的旧水 泥混凝土路面， 可以分为 纹裂 、 破裂、 破碎三大形态。本工况将破裂板块的块 度取为 0 5 0 5 I n ， 0 7 0 7 m， 1 21 2 n l ， 对加 铺层进行力学分析。计算参数如表 1所示。 3 1 竖向位 移 破裂块 度不 同时面 层的竖 向位移 ( 断面 Y= 1 7 5 i n ， = 5 4 5 I n ) 如 图 8所示 。 由此 可见 ， 破裂 板 块 的块度 小 ， 面层 的位移 变化 幅度大 ， 不利 于面层 结 构的稳定 ； 破裂块度大 ， 面层 的位移变化 幅度大 ， 变 化均匀 ， 不会引起不均匀沉降 ， 但应力集 中明显 ， 也 不利 于路 面结 构的稳 定 ； 破 裂块 度适 中时 ， 破裂 板块 群表现出较小的应力集中现象和较大的整体强度。 3 2沥青加铺 层层 底 弯拉 应 力 图9 是破裂块 度为0 50 5 时沥青混凝 土面 一 O 1 0 1 5 蠢一 0 2 足 一 0 2 5 - 0 3 轴坐标 m 0 0 2 5 0 5 07 5 1 1 2 5 1 5 1 7 5 图 8 破裂板块块度不同时面层的竖 向位移 F i g u r e 8 Ve r t i c a l d i s p l a c e me n t o f t h e s u r f a c e l a y e r u n d e r d i f - f e r e n t s i z e o f b r o k e n p l a t e 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 公路工程 3 7卷 层弯拉应力云图。沥青加铺层的最大弯拉应力是发 生在板块 1 和板块 2 交界处 ， 且在沥青加铺层 的下 底面。旧板破裂块度不同对路面底面弯拉应力影响 如图 1 0所示 ， 在破裂板交接处， 产生明显的应力集 中， 面板破裂块度为 0 70 7时， 面层底面 的弯拉 应力最小 ； 由此可见， 破裂块度并不是越大越好 ， 也 不是越小越好 ， 破裂块度小了， 则整个破裂板块的强 度低 ， 变形明显 ， 破裂块度大了， 则集 中应力更明显 ， 因此只有适度的破裂 ， 才能达到理想的效果 。 0- 3 c 0 2 5 0 2 登 0 1 5 叵 0 1 0 0 5 图 9弯拉 应力变化 云图 Fi g ur e 9 Fl e x ur a l s t r e s s c l o u d s U U Zj U 5 o ， l I 25 1 1 7 5 轴坐标 m 图 1 O 旧板破裂块度不 同时路面底面弯拉应 力 F i g u r e 1 0 Fl e x ur a l s t r e s s o f t h e b o t t o m u n de r d i f f e r e nt s i z e o f b r o ke n pl a t e 4 结论 本文采用 了弹性 多层体系和弹性地基板的理 论 ， 运用大型有 限元 通用软件 ， 建立三维 有限元模 型 ， 分析 了不 同加 铺层 厚度 、 基层 强度 不 同和 I 13 板 块 度不同时， 沥青混凝土面层和基层竖向位移 、 面层底 面的弯拉应力 ， 并做了对比分析。主要结论如下 ： 加铺层竖向最大位移发生在行车荷载处 ， 离 行车荷载越近 ， 竖 向位移越大 ， 离行车荷载越远 ， 竖 向位移越小 ； 加铺层的厚度增加 到一定厚度。面层 的竖 向位移、 面层底面弯拉应力等都趋近于一个恒定值 ； 面层厚度继续增加 ， 其对面层的竖向为的影响几乎 可 以忽 略 ； 在板块交接处 ， 面层底面 的拉应力最大一 即 有三处最大拉应力值 ， 而三者中最大值为 =1 5 m 处 ， 是其它两处的 2 4倍 ； 随之面层厚度的增加 ， 面 层底面的拉应力逐渐减小 ， 如若面层厚度继续增加， 其弯拉应力将增加到一个恒定值 ； 而基层 强度 的增 加， 面层底面的拉应力没有明显的变化 ； 破裂块度并不是 越大越 好， 也 不是越小 越 好 ； 破 裂块度 小 了 ， 则 整 个 破 裂 板 块 的强 度 低 ， 变形 明显， 破裂块度大 了， 则集 中应力明显 ， 因此只有适 度的破裂 ， 才能达到理想 的效果 ； 增加基层强度 的效果远不如增加 面层厚度 和增加破裂块度所达到的效果。 参考文献 1 周 德云， 姚祖康 旧水泥混凝土路面上加铺层结 构的三维有限 元分析 J 中国公路学报 ， 1 9 9 0， ( 2 ) 2 韶关市公路局 ， 华南理工大学 冲击压实技术处理 旧水泥混凝 土路 面及其加铺层结构型式研究 z 韶关市公路局 ， 2 0 0 9 3 王勋成 ， 邵敏 有限单元 法基本 原理和数值计算 M j E 京 ： 清华 大学 出版社 ， 1 9 9 7 4 苏卫 国， 卢辉 ， 李林 生 冲击 压实技术 在 旧水 泥砼路 面修复 中应用研究 J 广 东科技 ， 2 0 0 5， ( 1 1 ) ： 3 4 5 苏纪开 应用冲击压 实技术破 裂稳 固旧水泥砼路 面的施 工效 果分 析 J 广东公 路交通 ， 2 0 0 3 ， ( 2 ) ： 1 6 王 昌茂 旧混凝土路 面加铺沥 青层层 间力 学性 能分析 与设 计 研究 D 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 0 7 7 J T G 1 ) 5 0 2 0 0 6， 公路沥青路面设计规范 S 8 苏 卫国， 卢辉 ， 李林 生 冲击 压实后 旧水泥砼 路面 回弹模量 的现场试 验 J 华 南理 工 大 学学 报 (自然 科 学版 ) ， 2 0 0 4 ， ( 1 0) 9 广东省公路管理局 ， 华南理工大学 冲击压实技 术在旧水泥砼 路面修复工程 中应用研究 R 广东省公路 管理局 ， 2 0 0 4 ( 上接第 4 4页) 2 杨 承， 王本森 薄壁箱体现浇混凝土空腹楼盖 的应用 J 建 设科技 ， 2 0 0 8 。 2 2 ： 4 5 4 6 3 朱 少武 ， 刘瑛 B D F薄壁轻质箱体现浇混凝土空腹 楼盖施工 技 术 J 建筑施工 ， 2 0 1 1 ， 4： 3 0 23 0 4 4 任辉启 A N S Y S 7 0工程分析实例详解 M 北京 ： 人 民邮电 出 版社 ， 2 0 0 3 5 DL a in，TF N i p E f f e c t s o f T r a n s v e r s e R e i n f o r c e me n t o n C o m p o s i t e B e a rn s w i t h P r e e a s t H o l l o w C o r e S l a b s 【 c Th i r d I nt e r n a t i 0 n a l Co n f e r e ne e o n Ad v a n e e s i n St e e l S t r ut t u r e s Vo 1 1De c。2 0 0 2 6 沈聚敏 ， 王传志 ， 江见鲸 钢 筋混凝 土有 限元与板壳 极限分 析 M 北京 ： 清华大学出版社 ， 1 9 9 3 7 阎红伟 B D F高 强薄壁 箱体 、 筒芯 现浇 混凝土 空心楼 盖技 术 J 工业建筑 ， 2 0 0 9， 3 9 ： 3 0 43 0 6 强 秘融 秘 器 O 9 9 O O 2 3 3 4 4 6 3 l 9 4 6 8 O 2 3 8 3 7 2 2 7 2 8 3 9 4 6 9 O 5 3 O 8 7 2 6 O 4 6 2 8 3 ， ， l l l l 2 一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m