沥青混凝土路面纵向裂缝的有限元分析

2020-01-12 来源：钮旅网

　总第201期　2003年第6期交　通　科　技

TransportationScience&TechnologySerialNo.201No.6Dec.2003

沥青混凝土路面纵向裂缝的有限元分析

岳福青　杨春风　魏连雨

(河北工业大学土建学院　天津　300130)

摘　要　运用平面应变有限元方法对沥青混凝土拓宽路面进行分析。计算了拓宽道路的不均匀沉降以及由此引起的附加应力,并对影响路面附加应力的参数进行分析。最后以路面抗拉强度为指标探讨拓宽道路的设计方法。

关键词　拓宽道路　不均匀沉降　有限单元法

　　在我国公路交通迅速发展的今日,面临着将大量已有的低等级公路改建成高等级公路的艰巨任务,其中旧路拓宽加铺改造是提高公路等级的基本措施。然而,实际调查发现,已拓宽的路面在开放交通后一段时间内,新路基产生的自然固结沉降,会产生较大的附加应力,导致了新旧路面交界处极易形成纵向裂缝,雨水渗入开裂后的路面,加剧了路面结构的破坏。因此,旧路拓宽中如何防止路面纵裂是一个亟待解决的问题。1　旧路拓宽中存在的问题

的附加应力是否可以造成路面的破坏,因此掌握不好处理措施的尺度。针对这种情况,本文运用有限单元法计算了附加应力,并提出考虑不均匀沉降的拓宽路面设计方法。

2　新路基沉降引起的路面附加应力的计算2.1　不均匀沉降量的计算

根据文献[1],道路拓宽后的路基变形如图1所示。

纵向裂缝是拓宽道路的痼疾,这种病害的根本原因在于新旧路基的固结程度不同,加宽部分的路基,土基属于欠固结土,其沉降量大于老路面的路基、土基。从而导致在沥青面层和基层中产生附加应力,此力如果大于面层的抗拉强度,路面就会开裂。

针对这种纵缝成因,工程人员在旧路拓宽工程中采取了相应措施,包括:软弱地基处理,基底清淤换填,旧路路堤台阶开挖,加筋垫层和加筋土路堤等。但是,从实际工程效果来看运用这些方法时,有的过于保守造成了浪费,有的却忽视了问题,造成了路面过早开裂。

造成这种盲目现象的原因在于,工程人员不能定量把握不均匀沉降量的大小,以及由此引起

收稿日期:2003204222

　　老路的路基经多年行车荷载的作用已经完全固结,沉降只发生在a2a截面右侧(道路左侧与右侧相同,图中未示出)。拓宽部分的沉降,主要是由于路面下的新路基发生的固结沉降引起的。路面自身的压缩量很小,可以忽略不计[2]。同时,由于新老基层和面层的交接处a2a接触良好,认为完全连续。所以受老路的约束,新路的沉降如图中虚线所示,最大值发生在路面的边缘处[1]。

计算不均匀沉降时,取如图2所示的结构。新路面的边界条件为:路中线左侧y方向固定,下面土基取5m,下边界x方向固定。面层、基层采用线弹性单元,路基和土基采用邓肯非线性模型。在

32岳福青等:沥青混凝土路面纵向裂缝的有限元分析　　　　　　　2003年第6期

新旧路基相接处加密有限单元网格。取不同的加宽宽度b和填土高度h计算,所得沉降曲线的形状大体相同,见图3。图3纵坐标为计算点沉降量与最大沉降量比值。

图5　基层刚度对最大拉应力的影响

图2　沉降计算简图

图6　面层刚度对最大拉应力的影响2.3　拓宽路面的设计方法计算沉降和附加应力的最终目的是将其应用于拓宽路面的设计中。为了防止纵裂,一种方法是

图3　加宽路基典型沉降曲线在新铺加宽基层顶面保持一定厚度的预留量[2]。预留量的大小可以通过以下方法确定。

设面层的抗拉强度为ΡR,则可以根据具体的路况,运用2.2中的方法绘出面层最大拉应力与不均匀沉降量的关系图,将最大拉应力外推至ΡR时与之对应的沉降量为临界沉降量wl。如果不均匀沉降量大于此临界值,路面就会开裂。另一方面,可以利用2.1节中的方法计算出

实际的不均匀沉陷值(预测值)ws,若此值小与临界值,可以不必采取过多措施。如此值大于临界值,则其差值为基层顶面预留量。

∃=ws-w

2.2　附加应力的计算及影响因素分析

图3是路基顶面的沉降曲线,计算面层和基层中的附加应力时,将求出的路基顶面沉降值作为已知位移,施加在有限单元的节点上即可。计算附加应力时只取加宽部分路面,加宽部分与原路面相接处x,y方向均固定,有限单元的网格划分见图4。计算结果表明,最大拉应力均出现在面层表面新旧路面交接处。

　　若不采用预留量的处理方法,计算出的附加应力也可作为设计参考值,其值越大说明差异沉降越大,与此相应采取的方法更应全面彻底。3　计算实例

　　在沉降值一定的情况下,附加应力的大小与面层厚度、模量,基层的厚度、模量有关。对于加宽路面,新铺面层与基层厚度和老路的基本相同,所以本文只讨论面层、基层的模量对附加应力的影响。从图5、图6可知,面层、基层模量过高都会增大新旧路面交界处的最大拉应力,所以在满足承载力要求的情况下应减小面层和基层的模量。

本文以津汉(天津至汉沽)公路为例进行不均匀沉降量和附加应力计算。并以此结果为据,提出处理措施。津汉公路拓宽路面的结构参数见表1、表2。拓宽部分宽3m。首先计算加宽部分路基顶面的沉降曲线(图7)。由于温度对沥青模量有显著影响,所以计算附加应力时,对15℃、20℃分别进行了验算。

2003年第6期　　　　　　　岳福青等:沥青混凝土路面纵向裂缝的有限元分析33

表1　路面各结构层强度参数

结构层类型细粒式沥青混凝土中粒式粒青混凝土石灰粉煤灰碎石水泥稳定碎石

劈裂强度󰃗MPa

1.21.20.70.7

　　从图8可以看出,15℃时的拉应力已经超过了面层材料的允许拉应力。这是由于差异沉降量过大造成的,若采用基层顶面预留量的处理方法可以用2.3中的方法计算出∃=1.3cm。4　结语

0.350.350.340.34

容许拉应力󰃗MPa

表2　路面各结构层参数

层位

1234

结构层材料类型细粒式粒青混凝土

中粒式沥青混凝土石灰粉煤灰碎石水泥稳定碎石

厚度󰃗cm2.54.51820

抗压模量抗压模量

20℃󰃗MPa15℃󰃗MPa

1400120014001500

2200180014001500

本文利用平面应变有限单元法,探讨了计算路基不均匀沉降和由此引起的路面附加应力的计算方法,并将其运用于路面加宽设计中。避免了在加宽路面设计中处置措施选择的盲目性。

参考文献

1　陈建军.高路堤不均匀沉降对半刚性基层结构的影响.华东公路,1990(4):6～10

2　周志刚,郑健龙.旧路拓宽设计中的有限元分析.力学

与实践,1995(5):18～21

图7　路基顶面沉降量3　张兴强,陈　波.路基不均匀沉降对沥青路面受力变

形影响的有限元分析.中国港湾建设,2000(6):

41～44

4　周行春.软土地基上沥青路面应力的有限元分析.重

庆交通学院学报,1998(2):56～63

5　孙四平,候　芸,郭忠印.旧路加宽综合处制方案设计

的基点考虑.华东公路,2002(5):34～41

6　费正华,邓水明.应用邓肯2张非线性模型近似计算路

图8　新建路面顶部拉应力

基沉降.中南公路工程,2001(3):45～52

AnalyzingACPavement′sLongitudinalCrackwith

FiniteElementMethod

YueFuqing,YangChunfeng,WeiLianyu

(SchoolofCivilEngineering,HebeiUniversityofTechnology,Tianjin,300130)

Abstract:Inthispaper,plainstrainfiniteelementmethodisemployedtoanalyzewidenedACpave2ment.Differentialsettlementandadditionalstresscausedbyithavebeencalculated,thosefactorsaf2fectingthemagnitudeofthestresswerealsoanalyzed.Atlast,thedesignmethodofwidenedpavementwasproposedwithconsideringtensionstrengthasacontrollingindex.Keywords:widenedpavement;differentialsettlement;finiteelementmethod

因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容

查看全文

全部栏目

沥青混凝土路面纵向裂缝的有限元分析