摘 要:以南京- 連云港高速公路南京段水泥混凝土路面改造工程為研究對(duì)象,采用彈性和粘彈性理論分析了加鋪層結(jié)構(gòu)為4 cmSMA13 + 8 cmSUPERPAVE25 + 10 cm 的瀝青穩(wěn)定碎石L SM25 瀝青混凝土加鋪層的受力特性。研究表明:瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱;瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)力的影響較小;高溫穩(wěn)定性是瀝青穩(wěn)定碎石L SM25 層瀝青混合料材料設(shè)計(jì)的重點(diǎn);SUPERPAVE25 混合料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制材料的疲勞性能;加鋪層厚度h = 19 cm 時(shí),SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變最大,增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢;隨著瀝青穩(wěn)定碎石模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應(yīng)變和水平方向應(yīng)變明顯降低。
關(guān)鍵詞:道路工程; 舊水泥混凝土路面; 瀝青混凝土; 加鋪層; 粘彈性
中圖分類號(hào):U416. 216 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
0 引 言
目前中國很多水泥混凝土路面正處于維修、待修狀態(tài),舊水泥混凝土路面行車舒適性差,車速難以提高的狀況是目前急需解決的問題,然而至今仍沒有行之有效的解決方法[1 - 2 ] 。
本文以寧連(南京- 連云港) 公路南京段水泥混凝土路面改造工程為應(yīng)用研究對(duì)象,針對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪改造,運(yùn)用新技術(shù)、新材料,采用彈性和粘彈性理論分析瀝青混凝土加鋪層的受力特性。通過對(duì)加鋪層受力特性的分析,為加鋪層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
1 加鋪層結(jié)構(gòu)與材料
寧連公路南京段水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)見圖1 。在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)層厚度和模量進(jìn)行變化,分析不同情況下應(yīng)力應(yīng)變變化情況。瀝青混凝土層為粘彈性層[3 ] ,其余為線彈性層。
作用圖式:單軸雙輪、雙圓荷載。雙圓中心距離3δ保持不變,接觸壓力和接觸面積可變。路面材料參數(shù)見表1 、表2 。
2 計(jì)算工具
本文利用Kenlayer 程序[ 4 - 5 ] 進(jìn)行計(jì)算。該程序?qū)φ硰椥阅Ｐ筒捎脭M合、對(duì)非線性采用迭代的方法,計(jì)算任一點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變和位移,適用于單輪、雙輪、雙軸雙輪和三軸雙輪荷載作用下的層狀體系。各層性質(zhì)可以是線彈性、非線性或粘彈性層狀體系。
3 加鋪層受力特性分析
3. 1 瀝青混凝土的粘彈性對(duì)加鋪層受力特性的影響
分別用彈性和粘彈性程序?qū)ν患愉亴咏Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算,以探明瀝青混凝土的粘彈性對(duì)加鋪層受力特性的影響程度。圖2 給出了加鋪層不同深度處的豎向位移的計(jì)算結(jié)果。
由圖2 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱。圖3 給出了加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。
由圖3 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)力的影響較小。
圖4 給出了加鋪層不同深度處的豎向壓應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。
由圖4 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)變的影響較為顯著。這說明: ①加鋪層不同深度處的豎向壓應(yīng)變與加鋪層的高溫穩(wěn)定性相對(duì)應(yīng),這也是瀝青混凝土粘彈性的突出表現(xiàn),因此在考慮瀝青混凝土的抗車轍性能時(shí)必須考慮材料的粘彈性性質(zhì); ②L SM25 層頂面的壓應(yīng)變最大,因此高溫穩(wěn)定性是該層瀝青混合料材料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
圖5 給出了加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。
由圖5 可見,瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變有一定影響。計(jì)算結(jié)果表明, SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變最大。因此,SUPERPAVE25 混合料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制材料的疲勞性能。
3. 2 層間連續(xù)狀態(tài)對(duì)加鋪層受力特性的影響
圖6 給出了層間完全連續(xù)狀態(tài)和L SM25 層與舊水泥路面間光滑聯(lián)結(jié)(其他各層完全連續(xù)) 時(shí)的加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。
由圖6 可見,加鋪層層底與舊水泥路面間的聯(lián)結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變的影響顯著。光滑聯(lián)結(jié)時(shí),加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變明顯增大。因此,在加鋪層施工過程中,加強(qiáng)加鋪層與舊水泥路面間的聯(lián)結(jié)非常重要,這是防止加鋪層底部開裂的重要途徑之一[6] 。
3. 3 加鋪層厚度對(duì)SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變的影響
加鋪層的厚度對(duì)加鋪層層底抗裂性能有一定的影響。下面通過計(jì)算分析加鋪層厚度對(duì)SUPER2PAVE25 層底拉應(yīng)變的影響。圖7 給出了不同厚度時(shí),SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。由圖7 可見,隨著加鋪層厚度的改變,加鋪層厚度h = 19 cm 時(shí),SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變最大,
增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。說明加鋪層厚度為22～24 cm 是比較合理的。
3. 4 瀝青穩(wěn)定碎石模量對(duì)加鋪層受力特性的影響
分析瀝青穩(wěn)定碎石層的模量對(duì)加鋪層受力特性的影響,為瀝青穩(wěn)定碎石的混合料設(shè)計(jì)提供依據(jù)。其他參數(shù)不變,改變?yōu)r青穩(wěn)定碎石的模量,計(jì)算加鋪層中各深度處的豎向壓應(yīng)變, 圖8 、圖9 為計(jì)算結(jié)果。
由圖8 、圖9 可見,隨著瀝青穩(wěn)定碎石層模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應(yīng)變明顯降低,尤其是瀝青穩(wěn)定碎石層頂面的壓應(yīng)變急劇下降。其他參數(shù)不變,改變?yōu)r青穩(wěn)定碎石的模量,圖10 、圖11 為加鋪層中各深度處的水平方向應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。
由圖10、圖11 可見,隨著瀝青穩(wěn)定碎石層模量的提高,加鋪層中各深度處的水平方向應(yīng)變也明顯降
低,尤其是SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變急劇下降。以上分析表明,在瀝青穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)時(shí),
應(yīng)該選用密級(jí)配,提高混合料的模量,可以降低瀝青穩(wěn)定碎石層頂面壓應(yīng)變和SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變,以提高加鋪層結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和抗變形能力。
4 結(jié) 語
(1) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層表面的豎向位移有一定的影響,隨著深度的增加,這種影響逐漸減弱。
(2) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)力的影響較小。
(3) 加鋪層不同深度處的豎向應(yīng)變與加鋪層的高溫穩(wěn)定性相對(duì)應(yīng),因此在考慮瀝青混凝土的抗車轍性能時(shí)必須考慮材料的粘彈性性質(zhì)。
(4) LSM25 層頂面的壓應(yīng)變最大,高溫穩(wěn)定性是該層瀝青混合料材料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。
(5) 瀝青混凝土加鋪層的粘彈性性質(zhì)對(duì)加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變有一定影響。
(6) SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變最大, 因此SUPERPAVE25 混合料設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制材料的疲勞性能。
(7) 加鋪層層底與舊水泥路面間的聯(lián)結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層不同深度處的水平方向應(yīng)變的影響顯著,因此在加鋪層施工過程中,加強(qiáng)加鋪層與舊水泥混凝土路面間的聯(lián)結(jié)非常重要。
(8) 隨著加鋪層厚度的改變, 加鋪層厚度h = 19 cm 時(shí),SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變最大,增加和減小加鋪層厚度,SUPERPAVE25 層底拉應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢,表明加鋪層厚度為22～24 cm 比較合理。
(9) 隨著瀝青穩(wěn)定碎石模量的提高,加鋪層中各深度處的豎向壓應(yīng)變和水平方向應(yīng)變明顯降低,尤其是瀝青穩(wěn)定碎石層頂面的壓應(yīng)變和SUPER2PAVE25 層底拉應(yīng)變急劇下降。表明在瀝青穩(wěn)定碎石混合料設(shè)計(jì)時(shí), 應(yīng)選用密級(jí)配, 提高混合料的模量,可降低瀝青穩(wěn)定碎石層頂面壓應(yīng)變和SUPER2PAVE25 層底拉應(yīng)變,以提高加鋪層結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度和抗變形能力。
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