Serial N o .201 2003年第6期T ran spo rtati on Science &T echno logy N o .6D ec .2003
收稿日期:2003204222
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
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
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
。
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a 2a 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a 2a 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
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2 沉降计算简图
图3 加宽路基典型沉降曲线
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
。
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
。
图5
基层刚度对最大拉应力的影响
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
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w l 。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)w s ,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。
∃=w s -w
l
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
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。
23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
表1 路面各结构层强度参数
结构层类型劈裂强度 M Pa
容许拉应力 M Pa
细粒式沥青混凝土1.20.35中粒式粒青混凝土1.20.35石灰粉煤灰碎石0.70.34水泥稳定碎石
0.7
0.34
表2 路面各结构层参数
层位
结构层材料类型厚度 c m
抗压模量20℃ M Pa 抗压模量
15℃ M Pa
1细粒式粒青混凝土
2.5140022002中粒式沥青混凝土4.5120018003石灰粉煤灰碎石181********
水泥稳定碎石
20
1500
1
500
图7
路基顶面沉降量
图8 新建路面顶部拉应力
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∃=1.3c m 。4 结语
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
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形影响的有限元分析.中国港湾建设,2000(6):
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基沉降.中南公路工程,2001(3):45～52
Ana lyz i ng AC Pavem en t ′s L ong itud i na l Crack w ith
F i n ite Elem en tM ethod
Y ue F uqing ,Y ang Chunf eng ,W ei L iany u
(Schoo l of C ivil Engineering ,H ebei U n iversity of T echno logy ,T ian jin ,300130)
Abstract :In th is p ap er ,p lain strain fin ite elem en t m ethod is em p loyed to analyze w idened A C p ave 2m en t .D ifferen tial settlem en t and additi onal stress cau sed by it have been calcu lated ,tho se facto rs af 2fecting the m agn itude of the stress w ere also analyzed .A t last ,the design m ethod of w idened p avem en t w as p ropo sed w ith con sidering ten si on strength as a con tro lling index .Key words :w idened p avem en t ;differen tial settlem en t ;fin ite elem en t m ethod
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