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夹层防治反射裂缝效果的应力探析

摘要:采用三维有限元静力分析方法,计算分析了具有接缝的

旧水泥混凝土路面上沥青加铺层在行车荷载和温度变化作用下应

力的变化情况,从理论上深入研究了应力吸收夹层和加筋夹层在

不同情况下防治反射裂缝的效果,提出了两种夹层的模量推荐取

值.

关键词:反射裂缝沥青加铺层夹层有限元

计算模型与参数

本文采用通用结构分析程序sap91.计算采用静力分析方法,研

究对象由沥青加铺层、夹层(可选)、带有接缝的旧水泥砼路面

层和地基组成.为反映半空间地基的特性,地基采用扩大尺寸,

如图1所示.对各结构层作如下假定:

1)各层为均匀、连续、各向同性的线弹性体;

2)各层层间竖向、水平位移均连续;

3)地基底面各向位移为零,地基侧面水平方向位移为零;沥

青加铺层和旧水泥砼层在两端横截面上水平位移为零,在两侧侧

面上位移自由;

4)不计路面结构自重影响;接缝宽度为1cm,旧水泥砼路面在

接缝处无传荷能力.

沥青面层中反射裂缝的产生是由行车荷载和温度变化引起的.

由断裂理论可知,加铺层中产生的反射裂缝主要是由沥青层底正

应力qy引起的张开型裂缝和由剪应力tyz引起的剪切型裂缝.根

据国内外的研究发现,在行车荷载作用时,当车轮对称作用于

接缝上端时,沥青加铺层底面在接缝处正应力ry和主应力r1均

为压应力,这是由于旧水泥砼板对其挤压作用导致的,另外由结

构、荷载的正对称性可知沥青加铺层底面在接缝处剪应力tyz为零.

因此本文认为正对称荷载不是引起反射裂缝的主要原因,此处主

要研究偏荷载作用下的受力情况.根据同济大学周富杰的研究,

取偏荷载作用下最不利荷载位置如图2所示.行车荷载取

bzz-100,荷载集度q=0.7mpa,轮压作用范围等效为18.9cm×

18.9cm的正方形,双轮间距32cm,两侧轮隙间距182cm.无特别

说明时,材料计算参数取值如下:沥青混凝土e=1200mpa,t=0.25;

水泥混凝土e=30000mpa,v=0.15;地基e=80mpa,t=0.30。

2荷载应力分析

211无夹层时沥青加铺层厚度的影响

当沥青加铺层直接摊铺在水泥混凝土板上时,接缝处沥青层底

应力随沥青加铺层厚度变化如表1所示.

①各应力点的位置坐标(x,y,z)分别如下:qymin(3000,8005,

9220);qymax(3189,8030,9220);tlmax(3000,8005,

9220);tyzmax(3000,8010,9220).单位为m.

②剪应力虽为负值,但这只是方向问题,对剪切变形程度无影

响,故取其下标为max.下同.由表1可以看到,在偏荷载作用下,

接缝区沥青层底r1max和syzmax受沥青层厚度影响较大.而qy在

接缝处均为负值,在接缝处附近的正值又很小,故可知q1和tyz

是引起反射裂缝的主要原因.当沥青层厚度较小时,q1和tyz都

很大,已超过了一般沥青混凝土的强度极限,导致反射裂缝的产

生.增加加铺层的厚度可有效减小q1和tyz.沥青混凝土的抗拉强

度一般为1.0mpa左右,故单从荷载作用角度来看,若要通过增

加加铺层的厚度来抑制反射裂缝的产生与扩展,其厚度至少应为

20cm以上.

212夹层的影响

将夹层模拟为厚1cm的弹性层,对应于沥青橡胶层和土工格栅

层,取夹层模量e分别为30-140mpa和2000-8000mpa,沥青加铺

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