橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分析

1、<p>　　橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層在路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力分析</p><p>　　摘要：本文利用ABAQUS有限元軟件，計(jì)算和分析在有橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層和無(wú)橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層的情況下，半剛性基層和柔性基層路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，提供合理的瀝青路面結(jié)構(gòu)組合和設(shè)計(jì)參數(shù)，以供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：有限元；橡膠瀝青；透水應(yīng)力吸收層；應(yīng)力應(yīng)變；瀝青路面 </p&g

2、t;<p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：U416.217 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　本文以有、無(wú)橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層的半剛性和柔性基層路面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)力學(xué)計(jì)算，分析得出瀝青路面的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，為道路工程實(shí)踐提供相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和參考。 </p><p>　　1 關(guān)

3、于橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層 </p><p><b>　　1.1概述 </b></p><p>　　將廢舊輪胎加工成為橡膠粉是其變廢為寶，循環(huán)利用的有效途徑，而橡膠粉主要由天然橡膠、合成橡膠、碳黑、硫和硫磺等成分組成，這每一種成分都是瀝青的優(yōu)良改性劑。將橡膠粉摻入瀝青中可看做是一種復(fù)合改性作用，它能夠改善瀝青的高低溫性能、抵抗瀝青老化、延長(zhǎng)路面的使用壽命、延緩甚至消除反

4、射裂縫、減薄路面、降低行車(chē)噪音等?？梢?jiàn)，橡膠瀝青是一種節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)越的改性瀝青。 </p><p>　　橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層是作為一種粘性材料而鋪設(shè)在路面結(jié)構(gòu)基層和瀝青罩面之間的低模量中間層。它能夠?qū)⑺肿杂膳懦访娼Y(jié)構(gòu)而防止路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水損害，其良好的應(yīng)力吸收能力又能夠高效的延緩和抑制反射裂縫的形成與傳播。第十八屆世界道路會(huì)議已提出，除了增加瀝青面層的厚度外，許多國(guó)家都采用了在路面結(jié)構(gòu)中增設(shè)一層由各種材料

5、組成的抗裂層的方法以延緩道路表面產(chǎn)生反射裂縫。橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層則成為了這個(gè)“抗裂層”家族中最為出色的一員。[1][2] </p><p>　　1.2橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層作為路用材料的優(yōu)點(diǎn) </p><p>　　高溫穩(wěn)定性。橡膠瀝青可以顯著增加瀝青的粘度，提高其抗高溫產(chǎn)生的車(chē)轍和變形能力。黃文元教授研究指出，在ARLC摻入橡膠瀝青后，其60℃旋轉(zhuǎn)粘度提高了10多倍，軟化點(diǎn)也提高了16

6、℃，針入度降低20（0.1mm）。[3] </p><p>　　抗水損壞。在基層與面層之間插入10cm厚橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層，路面會(huì)形成一層瀝青薄膜，這層瀝青薄膜能夠防止雨水下滲；在鋪筑瀝青混合料時(shí)，橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層頂部瀝青會(huì)再次融化并隨之充分填充面層底部的裂縫，排除層間存水，起到保護(hù)路基的作用。[4] </p><p>　　抗裂性能。由于瀝青路面在低溫狀態(tài)下變形能力很差，故低溫條

7、件下最易產(chǎn)生裂縫。橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層具有低勁度和較大抗變形能力的特點(diǎn)，它將面層與基層聯(lián)合成一個(gè)整體，同時(shí)能將裂縫處基層位移引起的應(yīng)變消散在自身范圍內(nèi)，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，也使得在行車(chē)荷載和其他因素的反復(fù)作用下不至產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。[5] </p><p>　　粘結(jié)性能。橡膠瀝青具有超強(qiáng)的粘結(jié)性，穩(wěn)固粘結(jié)基層與面層增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保了道路高質(zhì)量服務(wù)的同時(shí)也很好地延長(zhǎng)的道路的使用壽命。 </p>

8、<p>　　橡膠瀝青作為一種綠色環(huán)保的路用材料，日益彰顯著它在研究和運(yùn)用價(jià)值方面的巨大優(yōu)勢(shì)，它的推廣和利用定會(huì)在我國(guó)道路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中以低成本、高收益而倍受青睞。 </p><p>　　2 材料參數(shù)的確定 </p><p>　　依照《城市道路路面設(shè)計(jì)規(guī)范》CJJ169-2012，本文選取在20℃下瀝青面層和橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“夾層”）的彈性模量、泊松比分析半剛性基層

9、和柔性基層路面結(jié)構(gòu)在有無(wú)夾層情況下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。 </p><p>　　路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1、表2、表3和表4。 </p><p>　　表1 無(wú)夾層半剛性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù) </p><p>　　表2 有夾層半剛性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù) </p><p>　　表3 無(wú)夾層柔性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù) </p><p>　　表4 有夾層

10、柔性路面結(jié)構(gòu)參數(shù) </p><p>　　3 建立有限元分析模型 </p><p>　　本文采用ABAQUS有限元軟件建立瀝青路面道路結(jié)構(gòu)模型，道路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為瀝青面層、基層、底基層和土基四個(gè)部分。 </p><p>　　3.1基本假定[6] </p><p>　　根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，假定彈性層狀路面結(jié)構(gòu)體系： </p>

11、<p>　?。?）各結(jié)構(gòu)層都是連續(xù)、均勻各向同性的彈性體。 </p><p>　　（2）路面結(jié)構(gòu)層之間緊密聯(lián)系，位移完全連續(xù)。 </p><p>　?。?）裂縫間不傳遞荷載。 </p><p>　?。?）不計(jì)路面結(jié)構(gòu)自重。 </p><p>　　3.2有限元模型建立[7] </p><p>　　假設(shè)路面結(jié)構(gòu)在

12、標(biāo)準(zhǔn)軸載（BZZ-100）作用下，輪胎內(nèi)壓為0.7Mpa，單個(gè)輪壓作用范圍18.6cm×18.6cm，接觸面積為349.96cm2，雙輪等效間距為12.8cm。其中X為深度方向，Y為路面橫斷面方向，Z為行車(chē)方向。坐標(biāo)原點(diǎn)在雙輪輪隙中心。具體荷載位置如圖1所示。 </p><p>　　圖1 荷載作用位置圖 </p><p>　　有限元模型采用等參八節(jié)點(diǎn)C3D8R單元，模型長(zhǎng)寬高均為

13、3m，網(wǎng)格最小為0.06m。路面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。 </p><p>　　圖2 瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型 </p><p><b>　　4 計(jì)算結(jié)果分析 </b></p><p>　　4.1路表彎沉分析 </p><p>　　路表彎沉是評(píng)價(jià)路面整體結(jié)構(gòu)承載能力和使用狀況的重要技術(shù)指標(biāo)。本文利用有限元分析軟件，模

14、擬分析了半剛性基層和柔性基層路面結(jié)構(gòu)以及二者在有夾層和無(wú)夾層的情況下路表彎沉的變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)如圖3所示。 </p><p>　　圖3 路表彎沉分布圖 </p><p><b>　　由圖3分析可知： </b></p><p>　　（1）半剛性基層和柔性基層以及二者在有、無(wú)夾層的情況下彎沉變化趨勢(shì)相 同，最大彎沉值都發(fā)生在輪隙作用間區(qū)。 </

15、p><p>　　(2)在輪隙作用間區(qū)，柔性基層（有、無(wú)夾層）路表彎沉值大于半剛性基層（有、無(wú)夾層）路表彎沉值。 </p><p>　　(3)在輪隙作用間區(qū)，同類(lèi)型基層，有夾層的路表彎沉值大于無(wú)夾層路表彎沉。 </p><p>　　由此可見(jiàn)，在同類(lèi)型基層的路面結(jié)構(gòu)下，通過(guò)設(shè)置應(yīng)力吸收層并依靠其自身良好應(yīng)變能夠消散面層底面的應(yīng)力集中現(xiàn)象從而有效防止和延緩了反射裂縫的形成與發(fā)

16、展。 </p><p>　　4.2面層層底應(yīng)力特征 </p><p>　　瀝青路面面層層底應(yīng)力與面層裂縫形成與發(fā)展密不可分，分析其應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律能幫助我們更好地防止裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，同時(shí)能更好地為工程實(shí)踐服務(wù)。下圖4所示為半剛性基層（有、無(wú)夾層）和柔性基層（有、無(wú)夾層）路面結(jié)構(gòu)面層層底應(yīng)力圖。 </p><p>　　圖4 面層層底應(yīng)力 </p><

17、p>　　由圖4可得出以下結(jié)論： </p><p>　　(1)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，半剛性基層和柔性基路面結(jié)構(gòu)面層層底應(yīng)力變化趨勢(shì)相同；有夾層半剛性基層和有夾層柔性基層路面結(jié)構(gòu)面層層底應(yīng)力變化趨勢(shì)相同。 </p><p>　　(2)在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，對(duì)于半剛性基層和柔性基層路面結(jié)構(gòu)，在輪隙區(qū)間有夾層路面結(jié)構(gòu)面層層底的拉應(yīng)力迅速削減，擴(kuò)散成為壓應(yīng)力?？梢?jiàn)設(shè)置應(yīng)力吸收層消散了面層層底拉應(yīng)力。

18、</p><p>　　4.3夾層層底應(yīng)力特征 </p><p>　　橡膠瀝青具有超強(qiáng)的粘結(jié)性，穩(wěn)固粘結(jié)基層與面層從而增強(qiáng)了路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?；鶎幼鳛槁访娼Y(jié)構(gòu)的主要承重層，須具備足夠的強(qiáng)度和剛度以及良好的應(yīng)力擴(kuò)散能力。以下通過(guò)圖5、圖6、圖7所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體對(duì)比，分析半剛性基層（有、無(wú)夾層）和柔性基層（有、無(wú)夾層）路面結(jié)構(gòu)夾層層底應(yīng)力、上、下底基層層底應(yīng)力。 </p><

19、;p><b>　　圖5夾層層底應(yīng)力 </b></p><p>　　圖6 上基層層底應(yīng)力 </p><p>　　圖7 下基層層底應(yīng)力 </p><p>　　由圖5、圖6和圖7共同比較可得出以下結(jié)論： </p><p>　　(1)柔性基層路面的輪隙作用區(qū)間內(nèi)，有夾層路面結(jié)構(gòu)夾層底部拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于無(wú)夾層路面上基層層底的拉應(yīng)

20、力。 </p><p>　　(2)柔性基層的夾層層底拉應(yīng)力小于半剛性基層的夾層層底拉應(yīng)力，故柔性基層能更好的吸收應(yīng)力。 </p><p>　　(3)有夾層半剛性基層上、下基層層底拉應(yīng)力小于無(wú)夾層半剛性基層上、下基層層底拉應(yīng)力。 </p><p>　　4.4瀝青面層最大剪應(yīng)力 </p><p>　　面層是剪應(yīng)力的主要集中區(qū)域，而基層的剪應(yīng)力相對(duì)

21、較小。以下是對(duì)半剛性基層（有夾層和無(wú)夾層）結(jié)構(gòu)路面和柔性基層（有夾層和無(wú)夾層）結(jié)構(gòu)路面的最大剪應(yīng)力分析。 </p><p>　　圖8 面層層底最大剪應(yīng)力 </p><p><b>　　由圖8可知： </b></p><p>　　(1)有夾層路面結(jié)構(gòu)面層層底最大剪應(yīng)力比無(wú)夾層路面結(jié)構(gòu)面層層底最大剪應(yīng)力小，故夾層能夠有效吸收面層層底剪應(yīng)力。 <

22、;/p><p>　　(2)在半剛性基層路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置夾層對(duì)面層層底剪應(yīng)力的吸收效果更為明顯，故能更好的抑制裂縫的形成。 </p><p><b>　　5結(jié)論 </b></p><p>　　通過(guò)前文的對(duì)比分析，得出了在設(shè)置有橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層與無(wú)此吸收層情況下半剛性基層路面結(jié)構(gòu)和柔性基層路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，總結(jié)如下： </p>

23、<p>　　(1) 在路面結(jié)構(gòu)中設(shè)置橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層能增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的水密性，防止水分通過(guò)路面裂縫下滲到路基，有效防止了路面結(jié)構(gòu)的水損害。 </p><p>　　(2) 路面面層是車(chē)輛荷載的直接承受載體，設(shè)置橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)能有效地消散部分拉應(yīng)力從而避免結(jié)構(gòu)層底面開(kāi)裂而產(chǎn)生早期破壞。 </p><p>　　(3) 基層為主要承重層，隨路面結(jié)構(gòu)深度的增加，壓應(yīng)力

24、逐步轉(zhuǎn)變成為拉應(yīng)力。設(shè)置了橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)有效吸收了部分拉應(yīng)力，從而延緩了反射裂縫的形成與發(fā)展。 </p><p>　　(4) 面層層底剪應(yīng)力是路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞的重要指標(biāo)，在設(shè)置了橡膠瀝青透水應(yīng)力吸收層的路面結(jié)構(gòu)層中面層層底剪應(yīng)力得到相當(dāng)大的削弱，有效保護(hù)了路面結(jié)構(gòu)。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p&

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