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沥青面层设计参数对沥青层剪应力的影响规律

2012-11-05荣志慧

山西建筑 2012年14期
关键词:剪应力面层模量

荣志慧

(晋中路桥建设集团有限公司第五分公司,山西晋中 030600)

车辙病害是重载高温区沥青路面的主要病害,严重影响路面安全和舒适性,而随着高速公路的迅速发展,研究沥青路面的车辙问题显得尤为重要。本文通过采用不同的面层厚度、面层弹性模量,应用Bisar3.0程序计算分析沥青层在高温重载组合作用下剪应力分布规律,为解决重载高温区沥青路面的车辙病害提供思路。

本文研究所采用的路面结构和设计参数见表1。

表1 路面结构和计算参数

荷载图式采用比利时接地面积与轴重经验关系式(A=0.008P+152,其中,A为接地面积,cm2;P 为轮胎荷载,N)。该图式轮压和接地面积均随轴载的增加而增加,圆心距保持31.95 cm不变,最符合实际情况。因为承担越重货物运输的车,统计上越有采用高强高压轮胎的趋势。加载模式见表2。

表2 加载模式

1 不同面层厚度沥青层剪应力分布规律研究

采用弹性层状体系理论计算程序Bisar3.0,改变沥青上、中、下面层厚度,对沥青层内不同深度的剪应力进行计算,层间接触条件设定为完全连续。

1.1 上面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

上面层厚度分别为3 cm,5 cm,7 cm时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图1所示。

图1 上面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图1可以看出,剪应力在沥青层范围内随着上面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层,最大剪应力随着沥青上面层的厚度增加而逐渐增大,最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.325 4 MPa,增幅 4%。

1.2 中面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

中面层厚度分别为4 cm,6 cm,8 cm时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图2所示。

图2 中面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图2可以看出,剪应力在沥青层范围内随着中面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层,最大剪应力随着沥青中面层的厚度增加而逐渐增大,最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa,增幅 4%。

1.3 下面层不同厚度沥青层剪应力分布规律研究

下面层厚度分别为5 cm,7 cm,9 cm时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图3所示。

图3 下面层厚度变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图3可以看出,剪应力在沥青层范围内随着下面层厚度的增加而增大;最大剪应力出现在中面层,最大剪应力随着沥青下面层的厚度增加而逐渐增大,最大剪应力从0.313 9 MPa增至0.326 6 MPa,增幅 4%。

2 不同面层模量沥青层剪应力分布规律研究

采用弹性层状体系理论计算程序Bisar3.0,改变沥青上、中、下面层模量,对沥青层内不同深度的剪应力进行计算,层间接触条件设定为完全连续。

2.1 上面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上面层模量分别为279 MPa,479 MPa,679 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图4所示。

由图4可以看出,剪应力在上面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大,在中、下面层范围内有所减小;最大剪应力随着沥青上面层的弹性模量增大而大幅增加,最大剪应力由中面层迁移至上面层,数值从0.320 4 MPa增至0.427 4 MPa,增幅达33%。

图4 上面层模量变化对沥青层内剪应力的影响规律图

2.2 中面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

中面层模量分别为232 MPa,432 MPa,632 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图5所示。

图5 中面层模量变化对沥青层内剪应力的影响规律图

由图5可以看出,剪应力在中面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大,在上、下面层范围内则逐渐减小;最大剪应力随着沥青中面层弹性模量的增大而大幅增加,最大剪应力出现在中面层,数值从 0.320 4 MPa 增至 0.394 8 MPa,增幅 23%。

2.3 下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

下面层模量分别为232 MPa,432 MPa,632 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图6所示。

图6 下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图6可以看出,剪应力在沥青层内随着下面层弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青下面层弹性模量的增大而减小;最大剪应力由中面层迁移至表面层,数值从0.320 4 MPa减小至0.293 8 MPa,减小幅度为8%。

2.4 中、下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

中、下面层模量分别为232 MPa,432 MPa,632 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图7所示。

图7 中、下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图7可以看出,剪应力在沥青层内随着弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青中、下面层的模量增大而大幅减小,最大剪应力出现在中面层,数值从0.320 4 MPa减小至0.267 9 MPa,减小幅度为16%。

2.5 上、中面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上、中面层模量分别为279 MPa和232 MPa,479 MPa和432 MPa,679 MPa和632 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图8所示。

图8 上、中面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图8可以看出,剪应力在上、中面层范围内随着弹性模量的增大而逐渐增大,在下面层范围内则逐渐减小;最大剪应力随着沥青上、中面层的模量增大而大幅增大,最大剪应力出现在中面层,数值从0.320 4 MPa增至0.401 MPa,增幅为25%。

2.6 上、中、下面层不同模量沥青层剪应力分布规律研究

上、中、下面层模量分别为279 MPa和232 MPa,479 MPa和432 MPa,679 MPa和632 MPa时,其他各参数保持不变,沥青层剪应力计算结果如图9所示。

图9 上、中、下面层模量变化对沥青层内最大剪应力的影响规律图

由图9可以看出,剪应力在沥青层内随着弹性模量的增大而明显减小;最大剪应力随着沥青上、中、下面层弹性模量的增大而减小,最大剪应力由中面层迁移至上面层,数值从0.320 4 MPa减小至0.307 2 MPa,减小幅度为4%。

3 结语

1)上、中、下面层的厚度增加均会导致沥青层最大剪应力的增大;2)上面层、中面层、上面层和中面层组合的模量增大会导致沥青层最大剪应力的增大;下面层、中面层和下面层组合及上、中、下面层组合的模量增加可减小沥青层内最大剪应力,其中尤以中面层和下面层模量增加,剪应力减小的幅度最大(16%),下面层模量增加,剪应力减小的幅度次之(8%),上、中、下面层模量增加,剪应力减小的幅度最小(4%)。

[1]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出版社,2004:176-194.

[2]张登良.沥青与沥青混合料[M].北京:人民交通出版社,1993.

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[5]吴传海.重载交通沥青路面车辙成因及混合料组成设计研究[D].西安:长安大学,2008.

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