基于力学计算的基层裂缝修补需求分析_单超.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 4收稿日期:2 0 2 2-0 8-2 0第一作者:单超(1 9 9 4-),男,工程师,学士。*天津高速集团科技项目(G S-Y Y-YH-2 0 2 1-7 7 5)资助基于力学计算的基层裂缝修补需求分析*单 超1 李清华1 曾庆伟2 金光来2(1.中交一公局集团有限公司 北京 1 0 0 0 2 4;2.江苏中路工程技术研究院有限公司 南京 2 1 0 0 0 0)摘 要 沥青路面基层裂缝会严重影响路面整体结构的稳定性,为明确基层裂缝的修补需求,以典型高速公路为例,利用有限元软件A B AQU S对比分析移动荷载作用下,完整路面结构与存在基层裂缝路面结构的应力变化情况,并求得基层底部与顶部最大拉应力和剪应力。结合典型高速公路交通量,得出不同设计年限下基层裂缝修补需求。结果表明,当基层裂缝存在时,面层及基层的最大拉应力分别增加了1 4 0.0 0%、4.5 4%,面层最大剪应力增加了8.1 2%,基层最大剪应力降低了2.1 7%;设计年限为1 0年时,基层最大抗拉强度为1.0MP a,抗剪强度为0.9 5MP a。关键词 道路工程 裂缝修补 力学计算 半刚性基层中图分类号 U 4 1 6.2 半刚性基层沥青路面作为我国高等级路面的主要结构形式,具有良好的抗压强度和抗疲劳特性。但半刚性基层在长时间使用过程中,受干湿和冻融循环以及反复荷载等环境因素作用易出现裂缝,极大地影响了路面结构的使用寿命1-2。众多学者对半刚性基层裂缝问题做了大量研究,臧国帅等3以基层模量比为评价指标,建立了半刚性基层裂缝情况的评价模型,并提出了相应的评价标准。王伟力等4对隧道半刚性基层的疲劳开裂问题进行了研究,发现基层模量是影响面层层底疲劳开裂的主要因素。王刚等5通过有限元软件对超载情况下的半刚性基层受力情况进行了研究,提出应在合理范围内增加基层厚度,避免水平拉应力导致的早期开裂问题。黄立葵等6对半刚性基层沥青路面的模量场及疲劳寿命进行了研究,发现温度和车速是主要影响因素。栾利强7综合考虑了多种影响因素,建立了半刚性基层沥青路面的疲劳寿命预估方程,得出了相应的裂缝扩展规律。现有研究大多集中于半刚性基层沥青路面的开裂机理与发展规律研究,而对实际工程中的修补需求分析较少,本研究以典型高速公路为例,利用有限元软件A B AQU S建立半刚性基层沥青路面的力学模型,分析贯穿型裂缝对路面结构影响,并结合设计年限及交通量,计算基层裂缝的修补需求。1 有限元模型建立采用常规典型路面结构进行有限元数值模拟分析,研究基层裂缝对路面结构的影响。考虑到路面基层出现裂缝时,裂缝处面层受力状况为最不利条件,因此有限元模拟分析中带裂缝的模型设计为裂缝贯穿整个基层和底基层,裂缝宽度设置为1 0mm。路面结构及材料参数见表1,路面结构采用分层结构。表1 路面结构及材料参数层位沥青层厚/c m2 0、1 0H z动态模量/MP a泊松比上面层492 7 80.2 5中面层81 05 0 00.2 5下面层81 12 5 00.2 5上基层1 91 15 0 00.2 5下基层1 91 15 0 00.2 5底基层2 085 0 00.2 5土基 8 00.4 0 初始施加荷载采用标准荷载0.7MP a,模型底部各方向位移约束为0,左、右2个侧面处水平位移约束为0。在网格功能模块中对模型进行网格划分,首先对模型进行剖分,剖分出荷载作用的局部区域,之后在荷载作用处及路面结构的面层层位进行网格加密,划分成最小网格尺寸5mm的六面体结构网格,网格单元类型为C P E 8 R。建立的三维路面结构模型见图1。图1 三维路面结构力学计算模型2 裂缝对路面结构应力的影响分析使用不带裂缝的完好路面模型及带基层贯穿裂缝的含裂缝路面结构模型,分别进行有限元数值模拟,得到2种不同路面结构在标准荷载下的力学响应。提取标准荷载作用处沿路面结构深度方向的拉应力及剪应力具体数值,分析贯穿裂缝的存在对于路面结构内部力学响应的影响。路面结构内随深度的增加,拉应力及剪应力的变化情况见图2、图3。图2 拉应力对比图图3 剪应力对比图由图2和图3可知,在沥青层大部分区域,含裂缝路面和完好路面结构的拉应力相差较小,在沥青层底部区域两者有较大差异,相较于无裂缝的完好路面结构,当基层存在裂缝时,面层底部及基层上部区域由受压状态变为受拉状态,面层层底拉应力增加了1 4 0.0 0%,基层最大拉应力增加了4.5 4%;在沥青层的上面层区域,含裂缝路面和完好路面结构的剪应力相差较小,在中面层及下面层中存在裂缝时剪应力更大,基层内有裂缝时剪应力快速下降并在2 5c m深度后均小于完好路面,不带裂缝的完好路面结构的剪应力在2 0c m深度处,及基层顶部出现明显拐点,随深度增加而减小的幅度明显降低,而存在裂缝的路面结构剪应力拐点出现在更深的3 0c m深度处。相较于无裂缝的完好路面结构,当基层存在贯穿裂缝时,面层层底拉应力增加了8.1 2%,基层最大剪应力降低了2.1 7%。3 基层裂缝修补需求分析3.1 基层应力分析要分析基层产生裂缝的情况,需要先得到基层的受力分布情况,分析基层内部在标准轴载作用下的拉应力、剪应力最大值。路面结构内部拉应力和剪应力云图见图4。计算所用路面结构模型为不带裂缝的完好状态。图4 路面结构应力云图(单位:P a)由图4可见,在基层底部存在较大拉应力区域,这是导致无机结合料稳定层层底产生裂缝的重要原因,同时由路面结构剪应力的分布可见最大剪应力分布在基层顶部区域。从数值上来看,在标准轴载作用下,基层底面的最大拉应力和基层顶面的最大剪应力分别为0.0 5 30,0.0 5 02MP a。3.2 基层裂缝修补需求分析基层底面存在的拉应力会导致基层底部开裂,无机结合料稳定层受层底拉应力的持续作用发生的疲劳开裂会影响到路面结构整体的使用性能,这使得无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命成为路面结构设计验算的关键指标。根据现行规范,无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命应根据路面结构分析得到的各无机结合料稳定层层底拉应61单 超等:基于力学计算的基层裂缝修补需求分析2 0 2 3年第1期力,按照式(1)式(2)进行计算。Nf 2=kakT 2(-1)1 0a-bt/Rs+kc-0.5 7()(1)式中:Nf 2为无机结合料稳定层疲劳开裂寿命,轴次;ka为季节性冻土地区调整系数,可参考规范取值;kT 2为温度调整系数,按规范中附录G确定;Rs为无机结合料稳定类材料的弯拉强度,MP a;a,b为疲劳试验回归参数,分情况取值见表2;kc为现场综合修正系数,kc=c1ec2(ha+hb)+c3。其中:c1、c2、c3为参数,按照表3分情况取值;ha、hb为分别为沥青混合料层和计算点以上的无机结合料稳定层厚度;为目标可靠指标,可参考规范取值;t为无机结合料稳定层的层底拉应力,MP a。表2 无机结合料稳定层疲劳破坏模型参数材料类型ab无机结合料稳定粒料1 3.2 41 2.5 2无机结合料稳定土 1 2.1 81 2.7 9表3 现场综合修正系数kc相关系数材料类型 新建路面结构层或者改建工程既有路面结构 改建工程加铺层 无机结合料稳定粒料无机结合料稳定土无机结合料稳定粒料无机结合料稳定土c11 4.03 5.01 8.52 1.0c2-0.0 0 76-0.0 1 56-0.0 1-0.0 1 25c3-1.4 7-0.8 3-1.3 2-0.8 2 为确定本文研究所需的典型高速公路交通量,对宁杭高速、京沪高速、沪宁高速、沿江高速等典型高速公路日均车道交通量数据进行调研统计,结果见图5。图5 典型高速公路日均车道交通量 结合典型高速公路交通量分析,综合考虑了通车年限、数据的代表性,以及交通量的准确性等影响因素,最后选择采用略大于平均日均交通量的京沪高速的81 6 7辆/d的日均车道交通量进行需求分析(基本可代表典型高速公路交通量状况),计算其不同设计年限内的累计轴次,确定相应的应力比(t/Rs)。依据前文路面结构完好时有限元方法模拟计算得到的结果,基层最大拉应力为0.0 5 30MP a,最大剪应力为0.0 5 02MP a,则可确定,为了满足相应的设计年限,基层抗拉强度和抗剪强度需求值。不同设计年限下基层裂缝修补需求分析结果见表4。表4 不同设计年限下基层裂缝修补需求分析设计年限累计轴载/次应力比基层拉应力/MP a基层材料允许抗拉强度/MP a基层剪应力/MP a基层材料允许剪切强度/MP a19.5 61 080.1 0 90.0 5 300.4 90.0 5 020.4 621.9 41 090.0 9 30.0 5 300.5 70.0 5 020.5 432.9 51 090.0 8 30.0 5 300.6 40.0 5 020.6 143.9 81 090.0 7 60.0 5 300.7 00.0 5 020.6 655.0 51 090.0 7 10.0 5 300.7 50.0 5 020.7 166.1 41 090.0 6 60.0 5 300.8 00.0 5 020.7 677.2 61 090.0 6 20.0 5 300.8 50.0 5 020.8 188.4 11 090.0 5 90.0 5 300.9 00.0 5 020.8 699.6 01 090.0 5 60.0 5 300.9 50.0 5 020.9 01 01.0 81 01 00.0 5 30.0 5 301.0 00.0 5 020.9 51 11.2 11 01 00.0 5 00.0 5 301.0 50.0 5 021.0 01 21.3 31 01 00.0 4 80.0 5 301.1 00.0 5 021.0 41 31.4 71 01 00.0 4 60.0 5 301.1 50.0 5 021.0 91 41.6 01 01 00.0 4 40.0 5 301.2 10.0 5 021.1 51 51.7 41 01 00.0 4 20.0 5 301.2 60.0 5 021.2 0712 0 2 3年第1期单 超等:基于力学计算的基层裂缝修补需求分析 由表4可知,当养护设计年限为1 0年时,基层承受累计轴次为1.0 81 01 0次,基层应力比为0.0 5 3,则基层所需抗拉强度为1.0 0MP a,抗剪强度为0.9 5MP a。4 结论1)基于力学响应分析,当基层存在裂缝时,沥青面层层底拉应力显著增大,由0.0 3 MP a增加为0.0 7 2MP a,而基层上部区域由受压状态变为受拉状态,受力变化较小;沥青面层最大剪应力显著增大,由0.1 6 0 MP a增加为0.1 7 3 MP a,基层剪应力减小。2)通过有限元分析并考虑典型交通量及材料疲劳效应,确定基层裂缝修复所需抗拉强度为1.0 0MP a,所需抗剪强度为0.9 5MP a。本文研究成果可为半刚性基层路面的裂缝修复养护提供一定理论依据。参考文献1 邹静蓉,张治强,李涛.普通干线公路半刚性基层沥青路面破坏机理及控制措施J.公路交通科 技,2 0 1 8,3 5(5):1-7,4 8.2 陈世斌,袁永强,姚运仕,等.半刚性基层沥青路面层间处治增强黏结力的试验J.长安大学学报(自然科学版),2 0 1 9(4):4 4-5 1.3 臧国帅,孙立军.基于FWD的半刚性基层开裂状况无损评 价模 型J.土 木 工 程 学 报,2 0 1 9(1):1 1 5-1 2 1.4 王伟力,唐中华,孔令云,等.隧道半刚性基层沥青路面沥青层疲劳开裂分析J.长沙理工大学学报(自然科学版),2 0 2 0,1