车辆荷载与温度荷载共同作用下对沥青加铺层耦合应力分析

摘要：近年来，世界上许多国家对旧水泥混凝土路面进行了大量的修复工作，其主要措施是在旧水泥混凝土路面板上加铺沥青面层，实际工程表明，若采取的处理措施不当，旧水泥混凝土路面接缝或裂缝处的沥青加铺层极易产生反射裂缝。从断裂力学的观点出发，可以认为其内部原因主要是由于旧水泥混凝土路面的裂缝或接缝作为原始的缺陷存在引起的应力集中所致。由于旧水泥混凝土路面板的裂缝和接缝处不能承受拉（弯拉）应力及剪应力（或抗剪能力较低），沥青加铺层承担了该处大部分的拉（弯拉）应力或剪应力,在交通荷载及温度应力的反复作用下,沥青加铺层就会产生反射裂缝。沥青加铺层反射裂缝的扩展模式主要有两种：剪切型反射裂缝及张开型反射裂缝。因此有必要对在车辆荷载与温度荷载共同作用下对沥青加铺层耦合应力进行分析。

关键词：荷载与温度；耦合应力；分析

Abstract: In recent years, many countries in the world on the old cement concrete pavement for a lot of restoration work, the main measure is the board in the old cement concrete pavement overlay asphalt surface, the actual project shows that if the action taken properly, the old cement concrete pavement joints or cracks in asphalt overlay easy to produce reflective cracking. From the viewpoint of fracture mechanics, can be considered mainly due to its internal cement concrete pavement cracks or joints as the original defect exists due to stress concentration due. Since the old cement concrete pavement cracks and joints can not withstand pulling (bending) stress and shear stress (or shear capacity is low), assumed the asphalt overlay where most of the pulling (bending) stress or shear stress in traffic loads and temperatures under repeated stress, asphalt overlay will produce reflective cracking. Asphalt overlay reflective cracking are mainly two models: shear cracks and open-type reflector reflective cracking. Therefore it is necessary to load and temperature load of the vehicle under the action of the asphalt overlay coupled stress analysis.

Key words: load and temperature; coupling stress; analysis

TU973+.21

沥青加铺层反射裂缝是在交通荷载及温度的循环作用下引起路面材料和结构疲劳损伤而逐渐发展形成的。沥青加铺层反射裂缝扩展过程经历了三个阶段：第一个阶段为起裂阶段，沥青加铺层由旧水泥混凝土路面接缝或裂缝处存在的缺陷引起; 第二个阶段为稳定扩展阶段，沥青加铺层在交通荷载和温度应力引起的应力集中点向上发展并贯穿整个沥青加铺层; 第三个阶段为破裂阶段，沥青加铺层经过一段时间的运营，尤其是在冬季加铺层表面开始出现裂缝。反射裂缝出现初期对路面的使用性能影响不大，但随着雨水或雪水的浸入，裂缝两侧的路面结构层，特别是裂缝附近的土基含水量加大，甚至饱和，造成路面结构的承载能力明显降低，在大量行车荷载反复作用下，产生冲刷和唧泥现象，导致裂缝两侧路面面层的碎裂并出现较大的垂直相对位移，影响路面的使用性能，加速路面的破坏，缩短路面结构的使用寿命。

国内外道路工程界对防止或减缓旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的措施仍在试验及探索过程中，目前采用的主要方法有以下几种，如增加沥青层厚度、设置碎石裂缝缓解层、在沥青加铺层与水泥混凝土路面板间设置土工布、土工网格、钢丝网或改性(橡胶)沥青混合料应力吸收层等防裂夹层，这些措施对防止或减缓反射裂缝具有一定的效果。

旧水泥混凝土路面上加铺沥青层及土工合成材料、改性沥青应力吸收层或特粗粒径沥青碎石等防裂夹层后，与混凝土板原有接缝或裂缝形成了复杂的复合结构，对于这种结构，目前尚无成熟的研究模型及设计方法，为研究反射裂缝产生与发展的机理，有必要对水泥混凝土路面板上的沥青加铺层内的应力状态进行力学分析。目前主要有三种方法：静力平衡法、断裂力学法和有限元法。由于断裂力学能深刻地揭示反射裂缝产生的机理，因此采用断裂力学基本原理分析沥青加铺层反射裂缝的萌生及扩展原因。但由于断裂力学求解的多为平面应力（应变）问题，且各断裂参数难以确定，对于受荷载与温度共同作用的含夹层三维加铺层路面结构体，要求得一个适用的解析公式有很大的难度。而有限元方法在工程上应用已较为广泛，它可求解任意荷载、任意边界条件的应力情况。在以往分析带路面裂缝结构体时多采用平面应变有限元模型，这与路面的实际应力应变状态有较大差异，因此、采用更符合实际情况的三维有限元模型，对沥青加铺层在车辆荷载及温度作用下的应力状态进行分析。通过力学分析研究反射裂缝产生机理，为水泥混凝土路面加铺层设计方法提供理论依据。

一 、车辆荷载与温度荷载共同作用下沥青加铺层耦合应力分析

在实际的交通及气候条件下，沥青加铺层往往处于车辆荷载与温度荷载的共同作用之下，因此有必要对车辆荷载与温度荷载耦合作用下的沥青加铺层受力状况进行研究。由于沥青混合料的松弛特性跟温度与时间有关，温度越低，作用时间越短，应力松弛效应就越低，而以下进行的耦合分析所采用的温度一般都在-10℃左右，因此，可不考虑沥青混合料的温度松弛特性。本文主要对车辆荷载与温度荷载共同作用下的普通沥青混凝土加铺层、设置土工合成材料的沥青加铺层、设置特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层的沥青加铺层这三种典型结构的耦合应力进行分析。

1.1 车辆荷载与温度荷载共同作用下普通沥青混凝土加铺层耦合应力分析

路面结构参考温度为0℃，沥青加铺层表面降温幅度分别为-5℃、-10℃、-15℃、-20℃及-25℃，车辆荷载为100KN，分别与不同的温度进行耦合作用分析。主要计算参数为： 水泥混凝土路面板的厚度hc=22cm，弹性模量Ec=30000MPa; 基础当量模量E0=100MPa; 沥青加铺层厚度ha=10cm，沥青混合料模量Ea为1200MPa计算。车辆荷载与温度耦合作用下沥青加铺层的应力介于车辆荷载应力与温度应力之间，略小于温度应力值，说明在耦合作用中温度所起的作用较大。耦合应力比温度应力略小的原因在于在降温过程中，由于温度梯度的影响，水泥混凝土路面板产生向上的翘曲变形，使接缝张开，而接缝附近车辆荷载的作用又部分抵消了混凝土板的翘曲变形，因此，沥青加铺层在车辆荷载与温度荷载的耦合作用下所产生的应力σ1、σe、τmax均小于仅由温度荷载作用的所产生的应力。

1．2 车辆荷载与温度共同作用下设置土工合成材料夹层的沥青加铺层耦合应力分析

路面结构参考温度为0℃，沥青加铺层表面降温幅度为-10℃，车辆荷载为100KN，研究不同模量的土工合成材料夹层对车辆荷载与温度荷载共同作用下加铺层的耦合应力的影响，主要计算参数为为: 土工合成材料厚度设定为0.3cm，弹性模量为10MPa～5000MPa; 水泥混凝土路面板的厚度hc=22cm，弹性模量Ec=30000MPa,基础当量模量E0=100MPa; 沥青加铺层的厚度ha=10cm、模量Ea=1200MPa。含土工合成材料夹层的沥青加铺层耦合应力比温度应力值略小，但比荷载应力值要大。当土工合成材料的模量值从10MPa增大到1000MPa时，耦合作用产生的σ1、σe、τmax急剧减少，说明该阶段土工合成材料对减少耦合应力所起的作用较大，而当土工合成材料的模量值从1000MPa增大到5000MPa时，曲线趋于平缓。耦合作用分析进一步说明了高模量的土工格栅对防止反射裂缝所起的作用要强于低模量的土工布。

1.3车辆荷载与温度荷载共同作用下设置特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层的加铺层耦合应力分析

为比较设置不同类型裂缝缓解层的沥青加铺层在车辆荷载与温度荷载共同作用下的受力状况，分别对特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层与同等厚度的普通沥青混凝土裂缝缓解层进行对比分析。路面结构参考温度为0℃，沥青加铺层表面降温-10℃，车辆荷载为100KN。计算参数为：水泥混凝土路面板的厚度hc=22cm，弹性模量Ec=30000MPa; 基础当量模量E0=100MPa; 沥青加铺层AC-13Ⅰ、AC-20Ⅰ的模量Ea=1200MPa，厚度分别为3cm及5cm; 特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层AM-40模量为600MPa，厚度为9cm。对比结构普通沥青混凝土裂缝缓解层模量为1200MPa，厚度为9cm。

在温度荷载作用下，特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层的最大主应力σ1、等效应力σe及最大剪应力τmax分别为0.589MPa、0.237MPa及0.134MPa，而在车辆荷载与温度荷载耦合作用下，σ1、σe及τmax分别为0.536MPa、0.257MPa及0.147MPa，耦合应力与温度应力值非常接近，说明在耦合作用中，温度荷载所起的作用是主要的（未考虑温度应力松弛效应）。当取厚度同为9cm的普通沥青混凝土代替这特粗粒径沥青碎石结构层时，在相同耦合荷载的作用下，最大主应力σ1、等效应力σe及最大剪应力τmax分别为0.742MPa、0.340MPa及0.192MPa，后者比前者分别增大了38.4%、32.3%及30.6%，这说明采用特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层AM-40后，其耦合应力同样小于同厚度的普通沥青混凝土的应力值。

二、 结论

（1）沥青加铺层最大主应力σ1、等效应力σe及最大剪应力τmax随降温幅度的增加而基本呈线性增长趋势。温度应力还与沥青加铺层与旧水泥混凝土路面层间接触条件有关，当降温幅度较大、层间保持连续接触时，沥青加铺层会产生很大的温度应力，有时甚至会超过车辆荷载所产生的应力。

（2）在车辆荷载或温度荷载作用下，随着沥青加铺层模量的增加，接缝处沥青加铺层σ1、σe及τmax都逐渐增大，但增加的趋势逐渐变缓。对同一种材料的沥青混合料而言，其模量随温度降低而增大，故气温越低，加铺层内的车辆荷载应力及温度应力就越大，因此，反射裂缝多在冬季产生。

（3）沥青加铺层的厚度对车辆荷载应力及温度应力都有较大的影响，一般来说，加铺层越厚，其防止或延缓反射裂缝的效果就越好。在车辆荷载的作用下，加铺层σ1、σe、τmax及接缝处的弯沉、弯沉差均随加铺层厚度的增加呈减小的趋势。在温度荷载的作用下，加铺层的σ1、σe、τmax曲线下降速率更快，说明增加沥青加铺层的厚度对减小温度应力的效果比减小车辆荷载应力的效果更为明显。

（4）在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置土工合成材料夹层对减小车辆荷载应力、温度应力及耦合应力都能起到一定的效果，应力随土工合成材料模量的增加呈降低的趋势。相比较而言，土工合成材料对减少加铺层车辆荷载应力的幅度较为有限，而它对减少加铺层温度应力及耦合应力的效果相对较好。

（5）改性沥青应力吸收层具有模量低、柔性强、不易开裂的特点，是减少反射裂缝的新型材料。在车辆荷载或温度荷载的作用下，应力吸收层及沥青加铺层的σ1、σe、τmax及接缝两侧弯沉差均随加铺层厚度的增加而逐渐减小。通过对几种厚度沥青加铺层的应力分析可知，设置应力吸收层后，沥青加铺层各种应力及弯沉差均有一定程度的降低，尤其是在加铺层厚度较薄时，效果更为明显。通过设置与未设置改性沥青应力吸收层的几种加铺层结构应力对比分析可知，应力吸收层对减少车辆荷载应力及温度应力的效果是十分明显的。

（6）在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置AM—40特粗粒径沥青碎石作为裂缝缓解层，可有效地延缓反射裂缝的产生和扩展速度。通过车辆荷载、温度荷载及耦合荷载作用下特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层与同等厚度普通沥青混凝土应力对比分析可知，特粗粒径沥青碎石加铺层的σ1、σe及τmax比同等厚度的普通沥青混凝土加铺层的应力值均有大幅度降低，说明采用特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层AM-40后可明显改善加铺层结构的受力状况。

主要参考文献

[1]中华人民共和国交通部，公路水泥混凝土路面养护技术规范（JTJ073.1-2001），北京：人民交通出版社，2001

[2]中华人民共和国交通部，公路水泥混凝土路面设计规范（JTG D-40-2002），北京：人民交通出版社，1994

[3]中华人民共和国交通部，公路沥青路面设计规范（JTJd50-2006），北京：人民交通出版社，1997

[4]中华人民共和国交通部，公路排水设计规范（JTJ018-97），北京：人民交通出版社，1997

[5]中华人民共和国交通部，公路土工合成材料应用技术规范（JTJ/T019-98），北京：人民交通出版社，1998

[6]中华人民共和国交通部，公路沥青路面施工技术规范（JTJF40-2004），北京：人民交通出版社，1994

[7]中华人民共和国交通部，公路路面基层施工技术规范（JTJ034-2000），北京：人民交通出版社，2000

[8]嘉木工作室，ANSYS有限元实例分析教程，北京：机械工业出版社，2002

[9]陈精一，蔡国忠，电脑辅助工程分析ANSYS使用指南，北京：中国铁道出版社，2001

[10]王瑁成、邵敏，有限单元法基本原理和数值方法，北京：清华大学出版社，1996

[11]朱伯芳，有限单元法原理与应用，北京：中国水利水电出版社，2000

[12]谢康和、周健，岩土工程有限元分析理论与应用，北京：科学出版社，2002

[13]郑健龙、周志刚、张起森，沥青路面抗裂设计原理与方法，北京：人民交通出版社，2002

[14]武贤慧，半刚性基层沥青路面低温抗裂性研究，长安大学硕士学位论文，2003

[15]冯建亚，沥青混凝土罩面层的开裂破坏规律研究，大连理工大学硕士学位论文，2002

[16]郭大志、任瑞波，层状粘弹性体系力学，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001

[17]郭大志、冯德成，层状弹性体系力学，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001

[18]姜伟之、赵时熙等，工程材料的力学性能，北京：北京航空航天大学出版社，2000

[19]贾乃文，粘塑性力学及工程应用，北京：地震出版社，2000

[20]叶志明，各向异性材料与混凝土材料断裂力学引论，北京：中国铁道出版社，2000

[21]汤林新、刘治军，高等级公路路面耐久性，北京：人民交通出版社，1996

[22]山西省公路局，公路工程通病分析与防治，北京：人民交通出版社，2000

[23]王从曾，材料性能学，北京：北京工业大学出版社，2001

[24]王旭东，沥青路面材料动力特性与动态参数，北京：人民交通出版社，2002

[25]刘瑞堂、刘文博，工程材料力学性能，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2001

[26]朱照宏、王秉刚，路面力学计算，北京：人民交通出版社，1988

[27黄晓明、朱湘，公路土工合成材料应用原理，北京：人民交通出版社，2001

[28]周志刚、郑健龙，公路土工合成材料设计原理及工程应用，北京：人民交通出版社，2001

[298]乔生儒，复合材料细观力学性能，西安：西北工业大学出版社，1997

[30]符冠华，沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面的应用研究，东南大学博士学位论文，2001

[31]于宝明，反射裂缝研究与旧水泥混凝土道面上沥青加铺层的设计，同济大学博士论文，1991

[32]刘悦，旧水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力分析，长安大学硕士学位论文，2000

[33]郑健龙，沥青路面温度收缩开裂的热粘弹特性研究，长安大学博士学位论文，2001

[34]杨军，格栅加筋沥青路面研究，东南大学博士学位论文，1996

[35]关宏信，土工格栅防治沥青罩面温缩型反射裂缝的有限元分析，长沙交通学院硕士学位论文，1998

[36]曹东伟，旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究，西安公路交通大学硕士学位论文，1998

[37]高启聚，水泥混凝土路面上沥青罩面层结构的三维空间有限元分析，长沙交通学院硕士学位论文，1999

[38]胡长顺、曹东伟等，土工织物在PCC—AC结构中应用的理论与实践，公路，2000.9

[39]曹东伟、胡长顺，旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析，西安公路交通大学学报，2000.1

[40]曹东伟、胡长顺，水泥混凝土路面沥青加铺层板缝弯沉差指标的试验研究，西安公路交通大学学报，1999.1

[41]叶国铮，防治沥青路面反射裂缝的设计方法，中南公路工程，1998.3