沥青路面冷再生加铺层结构力学分析

摘 要：目前我国对旧沥青路面加铺层结构的设计方法研究还很少，在进行加铺层结构设计时，缺少理论指导，导致沥青加铺层结构设计不够合理。本文对基于应力吸收层的沥青路面冷再生加铺层结构进行了较为全面的力学分析，同时也分析了超载和持续降温对加铺层结构的影响，可以为旧沥青路面加铺层结构设计提供参考。

关键词：有限元；冷再生；应力吸收层；加铺层结构

中途分类号：U416.217 文献标识码：A

引言

随着我国经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，自改革开放以来，我国的公路建设事业飞速发展并取得了辉煌的成绩。沥青路面的优点我们众所周知，众多学者也对其进行了很多的研究，并大量应用于公路事业中。但是沥青路面本身也有缺点，那就是温度敏感性高，受温度影响较大，尤其是低温对沥青路面的破坏性较严重；还有交通量的增加和超载对沥青路面破坏性也较大；另外由于设计和施工等原因造成沥青混合料设计不合理或者施工有问题，都会导致路面不到使用年限就已经失去了使用性能。本文在前人研究的基础上，对基于应力吸收层的旧沥青混凝土冷再生加铺层结构进行了全面的力学分析。

一、沥青路面的破坏形式

（一）车辙是沥青路面特有的一种破坏现象，车辙通常是沥青路面处于高温情况下在荷载反复作用下，产生永久变形的积累而导致的，且在较严重的辙槽两边常有膨起形变出现。

（二）反射裂缝的类型可以综合为两种：一、沥青路面半刚性基层反射裂缝，二、加铺层新沥青层后，旧沥青混凝土路面反射裂缝。

（三）水损害是由于路表的水不断下渗，使得沥青与集料的粘结力下降，由于水渗入沥青路面表面层后滞留于表面层底部与下层交界面之间，因此沥青与集料失去粘结力总是从此交界面不断向上发展的，沥青表面层底部的沥青一旦从碎石上被剥落下来，此部分的沥青混凝土的强度就会大大降低，在通过行车荷载的碾压，面层将产生变形和网裂。尤其是在雨天或降雨后，在行车荷载的作用下，面层局部网裂处，集料将逐渐松散剥落，松散的大粒径石料被车轮甩出，形成坑槽，在路表水的不断侵入，集料不断松散，坑槽越来越深，范围也越来越大。

(四)表面磨光是指沥青路面服务过程中在车轮不断滚动摩作用下，集料表面被逐渐磨光，或路面泛油导致沥青路面表面光滑，同时，路面噪声、水眩光等一系列表面功能也将随之下降。

二、基于应力吸收层的冷再生加铺层结构应力分析

在旧沥青混凝土冷再生基层上加铺新沥青面层，其薄弱环节是路面结构的裂缝处，此处对其上层结构受力非常不利，在荷载和温度应力的影响下，裂缝处的上层结构将产生应力集中，容易使裂缝向上反射，逐渐扩展至沥青层表面，形成反射裂缝。反射裂缝的扩展和蔓延不虽至于路面结构破坏，但是在水的作用下会引发各种路面病害，最终导致路面结构性破坏，影响路面的使用功能，使用寿命减少。导致反射裂缝的直接因素，一是交通荷载的影响，另一个是温度作用的影响。沥青路面冷再生加铺层结构在使用过程中可能会产生以下三种裂缝：

（一）刚性基层裂缝（A类裂缝）；（二）冷再生层（新基层）产生的裂缝（B类裂缝）；（三）贯通原旧半刚性基层和冷再生层的裂缝（C类裂缝）

这三种不同路面状况在交通荷载和温度的作用下裂缝会向上反射形成反射裂缝。

本文采用有限元分析方法对设置应力吸收层的旧沥青混凝土冷再生加铺层结构在上三种路面状况下进行力学分析。

将路面结构视为弹性层状体系，由底自上结构层分别为基础、旧半刚性基层、冷再生基层、应力吸收层和沥青混凝土加铺层。采用三维 8 节点 solid185 单元建模，基础采用扩大基础，并对各结构层作如下假设：各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体；各层层间竖向、水平位移均连续；地基底面各向位移为零，地基侧面水平方向位移为零；沥青混凝土加铺层四周侧面水平方向位移为零，不计路面结构的自重影响；裂缝宽度假设为 10mm，且裂缝处无传荷能力。

本文假定计算参数：经过取基础不同尺寸计算误差分析，基础采用扩大尺寸拟定为 14.01m×8.5m×11m。行车荷载采用标准轴载 BZZ—100，轮胎内压 0.7MPa，单个轮压作用范围 0.189m×0.189m，接触面积为 0.035721m2，双轮间距为 0.32m，两侧轮隙间距为 1.82m。经过对不同荷载位置的计算分析比较，车轮荷载作用在裂缝一侧中部的偏荷载对加铺层最为不利，布载方式如图 2.1、2.2、2.3所示。

图2.1 A 类裂缝计算点图图2.2 B 类裂缝计算点图图 2.3 C 类裂缝计算点图

为满足计算精度要求，对裂缝及附近加铺层结构进行网格细化，经过误差分析，最后取最小单元边长为 5mm(接缝处)。

三、温度场的建立

本文研究以天津市区气温状况为例，本地区年平均气温 12℃，最低气温-9℃，最高气温 37℃。1 月份的平均气温最低，为-4℃，全年平均气温昼夜温差为 9.8℃。温度场计算时，近似取-10℃作为参考温度，路面结构在此参考温度的基础上进行升温及降温，温度变化幅度为±10℃。计算路面结构温度应力时，-10℃-20℃为降温阶段，-10℃0℃为升温阶段。由于负温差对路面结构的影响更为不利，因此在计算温度应力时取T=-10℃。图 3.1—3.4 是路面结构温度场降温计算图。

图 3.1 路基路面结构温度场图 图3.2 A 类裂缝处路面结构温度场

图 3.3 B 类裂缝处路面结构温度场图 3.4 C 类裂缝处路面结构温度场

当降温幅度相同时，随着初始温度的降低，三种裂缝结构加铺层底温度应力呈增大趋势，而且加铺层底更容易产生剪切型反射裂缝。

在初始温度较低、温度骤降的情况下，温度应力要远大于车辆荷载产生的应力，低温开裂此时成为冷再生基层和沥青加铺层开裂的主导因素，尤其是冬季气温较低，温差较大的地区，更容易产生反射裂缝。

四、持续降温下冷再生加铺层结构温度应力影响

本文针对不同的起始温度和降温幅度条件下，用 ANSYS 模型对连续降温引起的加铺层及冷再生基层温度应力进行计算。计算过程中，材料参数与周期变温下一样，参考温度取为降温开始时候的起始温度，对三种裂缝结构进行了分析。

初始温度取为 0℃,降温幅度分别为 10、20、30、40℃, ，用 ANSYS 模型对三种裂缝结构进行温度应力计算,计算结果如表 4.1—4.2 所示。

A类裂缝结构：图 4.1降温幅度对加铺层底温度应力的影响 图 4.2降温幅度对冷再生层底温度应力的影响

从图4.1-4.2中可以看出，对于A类裂缝结构加铺层底和冷再生基层温度应力值都随着降温幅度的增加呈增大趋势，而且增幅较大，基本呈直线增加。冷再生基层所受的温度应力值要略大于加铺层底温度应力，说明对于 A 类裂缝结构模型来讲降温幅度的增加对冷再生基层的影响要大于加铺层。在温度较低、温度骤降的情况下，温度应力要远大于车辆荷载产生的应力，低温开裂此时成为冷再生基层和沥青加铺层开裂的主导因素，尤其是冬季气温较低，温差较大的地区，更容易产生反射裂缝。

B 类裂缝结构：

从图4.3中可以看出，当以B类裂缝结构为计算模型时，计算结果显示：随着降温幅度的增加加铺层底温度应力呈增大趋势，而且增幅较大，其温度应力值大于 B 类裂缝结构，说明温度的急剧降低对 B 类裂缝结构加铺层的影响大于对 A 类裂缝结构加铺层的影响。

图4.3 降温幅度对加铺层底温度应力的影响

C 类裂缝结构：

从图 4.4 中可以看出，以 C 类裂缝结构为计算模型时，随着降温幅度的增加加铺层底温度应力增幅非常大，而且温度应力值大于其它两类裂缝结构。说明在温度急剧下降的情况下 C 类裂缝对加铺层最为不利，最容易产生反射裂缝，使得加铺层开裂。

图 4.4 降温幅度对加铺层底温度应力的影响

五、结束语

通过对车辆荷载和温度荷载作用下的冷再生加铺层力学分析得出：

(一)半刚性基层模量及加铺层厚度对冷再生加铺层结构应力影响

1．在相同荷载作用下，旧半刚性基层模量越低，加铺层应力越大，越容易产生 B 类反射裂缝；旧半刚性基层模量越大，加铺层底面的弯沉值越小，说明路面结构的整体刚度变大，承载能力提高。

2.随着加铺层厚度的增加三类裂缝结构加铺层底应力及弯沉减小幅度较大，说明增加加铺层的厚度对预防三类反射裂缝的产生是非常有效的，适当减小加铺层模量能够有效的防止温度型反射裂缝的产生，其中对防止 C 类裂缝的反射最为有效。

(二)超载对冷再生加铺层结构应力影响

超载程度的增加不但对加铺层和冷再生基层应力影响都非常大，这说明超载大大促进了三种反射裂缝的蔓延，而且随着超载程度的增加车辙现象越来越严重。根据超载程度的不同，适当增加冷再生基层厚度能够减缓因超载造成的 A 类反射裂缝的产生。

(三)持续降温下温度应力分析

1．在初始温度较低、温度骤降的情况下，温度应力要远大于车辆荷载产生的应力，低温开裂此时成为冷再生基层和沥青加铺层开裂的主导因素，尤其是冬季气温较低，温差较大的地区，更容易产生反射裂缝。

2．当降温幅度相同时，随着初始温度的降低，三种裂缝结构加铺层底温度应力呈增大趋势，而且加铺层底更容易产生剪切型反射裂缝。

参考文献：

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作者简介：王玉强(1960.12—)，天津武清，男，高级工程师，工作方向：房地产开发工程管理。