高温条件下长陡坡路段沥青混凝土路面结构分析

作者:胡玲玲;卢辉;张肖宁 刊名:公路 上传者:刘光辉

【摘要】以广东省某高速公路长陡坡路段为依托,通过采用高模量改性沥青、纤维加强及掺加界面添加剂等方式改进沥青混合料的抗车辙能力,并以此为基础设计了5种路面结构。通过有限元方法对这些路面结构在高温条件下的性能进行了力学分析,为拟定试验段路面结构方案提供理论依据。

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车辙已成为高速公路面临的一个重要问题,尤其对于具有大量长陡坡路段的山岭重丘区,该病害更为严重。因此,研究如何提高长陡坡路段的抗车辙性能,有着重要的工程和现实意义。这可以通过提高沥青混合料的模量、改进路面结构形式以及控制沥青混合料的施工均匀性等几方面入手,从而提高沥青混凝土路面整体的抗车辙性能[1]。很多学者在如何提高混合料的模量上做了大量研究,如加入不同的添加剂对沥青进行改性等,并取得了一定的成效[2-4]。近年来我国的研究者通过对国外沥青混凝土路面结构形式的调研发现,国外在重交通路段上普遍采用全厚式路面或柔性基层的沥青混凝土路面。并且一些研究者已认识到半刚性基层沥青混凝土路面的弊端,开始探索柔性基层沥青混凝土路面的应用。随着计算理论与有限元计算方法的发展,路面结构计算分析成为设计、分析路面的重要方法之一。一些学者对常温(20或15)条件下某些常见路面结构的力学行为进行了分析与研究[5,6]。然而由于沥青混合料的黏弹性特性,高温条件下混合料的模量较低,路面抗流变车辙的能力较差,因此需要对高温条件下的路面进行力学分析。本文以广东省某高速公路长陡坡路段为依托,将提高材料性能和改进路面结构两个方面相结合,设计了5种沥青混凝土路面结构,并通过有限元方法对其在高温条件下的力学性能进行分析,为拟定试验段路面结构方案提供理论依据。1有限元模型根据试验段路面结构形式,共分析了5种路面结构:普通沥青混凝土路面结构、2层高模量沥青混凝土路面结构、3层高模量沥青混凝土路面结构、中面层加厚沥青混凝土路面结构以及柔性基层沥青混凝土路面结构。路面各层材料均假设为均质、弹性、各向同性材料。考虑到高温对沥青混合料劲度模量的影响,各路面结构沥青混凝土层的模量根据40条件下路面芯样的间接拉伸模量试验结果取值。沥青混合料的泊松比设为040。基层等材料参数按照规范[7]取值。各路面结构的组成及其材料特性如图1所示。路面结构的纵向(行车方向)和深度方向可视为无限大,而横向尺寸有限。采用有限元方法计算时,无法将模型的尺寸取为无限大,只能在建立模型时尽量将模型尺寸取得大一些。但尺寸太大将导致计算量大大增加,因此需合理确定计算模型的尺寸,使其在保证计算精度的同时又不增加过多的计算量。根据本研究的精度需要,路面平面方向长度取为6m,土基深度取为3m,路面结构模型如图2(a)所示。荷载作用在模型上表面的中间位置。单元划分采用六面体20节点单元,并对荷载附近的沥青混凝土面层进行网格加密。网格密度在水平和竖向进行渐变处理,如图2(b)所示。土基底部完全约束,路4cm改性沥青AK-13A上面层E1=290MPa,1=0406cm改性沥青AC-20中面层E2=320MPa,2=0408cm重交沥青AC-25下面层E3=420MPa,3=04038cm水泥稳定级配碎石基层E4=1500MPa,4=02520cm水泥稳定粒料底基层E5=1300MPa,5=025土基E6=35MPa,6=030(a)普通路面结构4cm高模量改性沥青AK-13A上面层E1=390MPa,1=0406cm高模量改性沥青AC-20中面层E2=450MPa,2=0408cm重交沥青AC-25下面层E3=420MPa,3=04038cm水泥稳定级配碎石基层E4=1500MPa,4=02520cm水泥稳定粒料底基层E5=1300MPa,5=025土基E6=35MPa,6=030(b)2层高模量沥青混凝土路面结构4cm高模量改性沥青AK-13A上面层E1=390MPa,1=0406cm高模量改性沥青AC-20中面层E2=450MPa,2=0

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