新老路面结构拼接部位的受力状态分析

2010-08-16马晓晖李立寒

华东交通大学学报 2010年1期

马晓晖,李立寒

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,上海200092)

为了满足急剧增长的交通需求,近年来我国已对多条高速公路进行了扩建。研究人员虽然对高速公路拼接段的沉降变形规律及处治措施进行了相应分析,但是对高速公路拓宽工程中新老面层模量差异对新老路面拼接结构的受力影响分析较少。

我国高速公路的加宽扩建开始于本世纪初。目前关于高速公路的加宽技术研究也主要集中在新老路基的不协调变形及控制技术。在新老路面的拼接研究方面,主要是依据经验的一些设计原则和施工技术。理论分析则主要体现在利用平面应变有限元法对新路基固结沉降在路面结构中引起的附加应力进行分析,而只有极少数研究对新老路面拼接的内容有所涉及[1-3]。

因此本文研究主要通过模拟分析手段,结合实际工程,利用通用有限元计算软件ANSYS建立典型拼接路面结构的三维模型。由于拼接部位在竖直车轮荷载下主要承受集中的剪切力作用,因此对路面拼接结构拼接处的面层内剪应力进行计算,分析新老路面结构层模量差异对路面拼接结构的受力影响。通过合理的建模、单元选用及拼接部位特殊性质的模拟处理,可以得到与实际路面结构最接近的分析结果,解决室内试验由于条件局限无法实现的问题,为试验研究提供解决方案及综合验证,从而为道路拓宽中新老路面结构拼接的设计及施工提供理论参考。

图1 几何模型及坐标系

1 计算模型和参数

1.1 结构分析模型的建立

所取拼接结构为:统一罩面层10 cm,下部新老路面结构均为10 cm面层,40 cm基层,15 cm垫层。几何模型如图1所示。

在图1中左半幅为老路结构,右半幅为新路结构,新老路衔接的竖直平面即为拼接面。计算坐标系的规定如下:坐标原点位于路表拼接线上,X坐标轴为道路横向方向,垂直于新老拼接面;Z坐标轴为道路纵向方向;Y坐标轴为道路深度方向,垂直于路面,正向向上。

1.2 有限元模型及边界条件

荷载按标准双圆荷载规定为:半径δ=0.106 5 m,双圆中心间距d=3×δ,接触压力P=0.7 MPa。在有限元模型中为了便于变化荷载位置及在有限元程序中施加荷载步,对双圆荷载进行简化,根据作用面积等效原则将双圆荷载简化为1组16 cm×22.28 cm的矩形,双轮间距保持不变。计算时考虑最不利荷载位置[4],即荷载在老路一侧且轮迹边缘位于拼接线上时的偏载情况,如图2中的1对矩形格栅区域。

模型采用弹性层状体系理论建模,层与层之间应力、位移连续。模型尺寸按道路横向、纵向及地基厚度变化取各项指标收敛时的尺寸,面层各层厚度按实际道路结构。模型约束条件为侧向左、右、前、后四面法向约束,底面全约束。在有限元模型中路面各结构层采用solid45空间8节点等参单元模拟,地基以表面单元施加弹性地基模量代替。

在计算中,关于拼接面的处理,假定了连续和光滑两种情况。连续指新老路面的粘接效果处于理想状态,能连续传递应力,即在拼接面的接触单元上存在法向和切向刚度;光滑指新老路面没有任何粘接作用,只能传递压应力,即在拼接面的接触单元上只有法向刚度,无切向刚度。

图2 计算点位置

1.3 计算参数

假定材料为线弹性,参考规范[5]的相关规定,取20℃抗压模量值,老路结构层模量按对应新材料的模量折减,本文计算按75%折算。另外沥青混凝土面层直接受车轮荷载作用,且沥青混合料是一种粘弹性材料,模量差异大,因此在进行相关计算时,考虑了两个水平的面层模量。

本文计算所取的典型结构及材料参数见表1。其中模量组合2面层模量相对模量组合1较大[6]。由于基层及以下结构不直接受车轮作用,故在计算中仍以抗压模量为依据。由于老地基经过长期的固结作用已趋于稳定,且主要是比较“差异”,因此变化新地基模量,使之与老地基模量相当、大于或小于。

表1 各结构层材料计算参数

由于同时考虑了基层拼接面连续和基层拼接面不连续两种情况,为了便于统一比较,主要关心拼接结构面层的受力,而面层主要受剪应力作用,所以选取竖直平面内的面层剪应力及路表变形作为计算参数。计算点位置如图2。

计算不同荷载下拼接面1-1上沥青层上部靠近路表处A点及沥青层底B点的剪应力变化情况。A点为最大剪应力发生的位置,深度随路面结构不同有所变化。

2 计算结果与分析

2.1 垫层和地基模量差异的影响分析

在不同的垫层和地基模量下,沥青层上部A点及沥青层底B点的剪应力分布见表2。

表2中,垫层模量变化时,拼接面上的剪应力变化极为微小,故本文主要讨论面层和基层模量差异对路面拼接结构的受力影响。

表2 垫层和地基模量对路面结构的受力影响 MPa

2.2 模量差异对拼接结构受力状态的影响分析

当基层、垫层、地基取相同参数而将模量组合1老路面层模量在600 MPa(新老模量相差50%)至1 200 MPa(新老模量相当)之间变化,将模量组合2老面层模量在2 000 MPa(新老模量相差50%)至4 000 MPa(新老模量相当)之间变化,考察拼接面上沥青层内最大剪应力和层底剪应力。

以各结构层模量变化(新老模量差异)的百分比为横坐标,分别以面层最大剪应力和层底剪应力比为纵坐标,对比各因素对拼接结构受力影响的大小,如图3及图4。

2.2.1 拼接界面连续条件分析

图3 基层拼接面连续时模量差异对路面结构层受力影响

由图3可见

1)当拼接界面新老基层连续时,两种模量组合拼接结构的受力影响规律较为接近。

2)在绝对数值上,模量组合2(面层模量较大)的最大剪应力和层底剪应力都较模量组合1(面层模量较小)大。

3)对于每一种模量组合

(1)当在拼接界面新老基层连续时,新老面层模量差异对拼接面上沥青层内的最大剪应力有较大影响,而对拼接面上沥青层底的剪应力影响较小。当老路面层模量降为新面层模量的50%时,最大剪应力由0.192 9/0.199 3MPa(模量组合1/模量组合2,下同)变为0.218 6/0.232 9 MPa,增加接近20%;而层底剪应力由0.086 3/0.093 3 MPa变为0.078 5/0.080 1MPa,减小约10%。

(2)新老基层模量差异对拼接面上沥青层内的最大剪应力并无显著影响,却对拼接面上沥青层底的剪应力有较大影响,当老路基层模量降为新基层模量的50%时,拼接面上沥青层内最大剪应力由0.196 7/0.205 5MPa变为0.202 8/0.222 9MPa,增加不足10%,层底剪应力由0.0759/0.076 9MPa变为0.086 9/0.093 9 MPa,增加了约20%。

2.2.2 拼接界面光滑条件分析

由图4可见,基层拼接面不连续时与基层拼接面连续时拼接结构的受力影响因素有相同之处,也有不同之处。

图4 基层拼接面不连续时模量差异对路面结构层受力影响

相同点

(1)新老面层模量差异对最大剪应力的影响最大。

(2)新老基层模量差异对沥青面层底部的剪应力影响最大。

(3)在不同模量组合下,新老面层和基层模量差异对最大剪应力的影响规律是接近的。

(4)在基层连续或不连续的情况下,新老垫层和新老地基模量差异对于拼接结构的(受力影响都很小。

(5)当新老路面面层及基层模量差异大于40%后,拼接面上沥青层内最大剪应力呈现快速增长的趋势。

不同点

(1)当基层拼接面不连续时,面层最大剪应力和层底剪应力都增大,层底剪应力更加显著。当新老面层模量相同时,模量组合1和模量组合2的最大剪应力由0.192 9/0.199 3MPa变为0.1952/0.210 3 MPa,分别增加了1.2%和5.5%;而层底剪应力则由0.086 3/0.093 3 MPa变为0.129 5/0.136 6 MPa,增加了50%和46%。

(2)在路面结构组合中面层模量越大,则面层中的剪应力也相应越大,且新老基层拼接面不连续时这种差异更加明显。当基层拼接面连续时,模量组合2的最大剪应力比模量组合1的最大剪应力大4%左右,而层底剪应力比模量组合1的约大0.7%。当基层拼接面不连续时,模量组合2的最大剪应力与层底剪应力,分别比模量组合1的大约8%和6%。

(3)当基层拼接面不连续时,两种模量组合下层底剪应力的变化规律相差较大。当老路基层模量降为新基层模量的50%时,模量组合1的层底剪应力由0.118 6 MPa变为0.136 0 MPa,增加了约16.6%;而模量组合2的层底剪应力由0.131 2MPa变为0.138 6MPa,只增加了约6.7%。