1、橡胶沥青应力吸收层荷载应力分析摘要：我国普遍采用的半刚性基层容易产生温缩裂缝，并反射到路面上形成反射裂缝。橡胶应力吸收层能够吸收、消散车辆荷载作用，从而起到预防反射裂缝的作用。本文通过力学分析计算，研究在车辆荷载的作用下，橡胶应力吸收层对反射裂缝处路面的受力影响。 关键词：橡胶应力吸收层 车辆荷载 有限元 中图分类号：P632+6 文献标识码：A 1 概述 由于半刚性基层具有强度高、板体性好等优点，且水泥、石灰、粉煤灰等原材料在我国分布较广，质量较好，同时我国高质量的沥青产量又很低， “强基薄面”的半刚性基层沥青路面成了我国沥青路面结构的主要形式，并几乎成为唯一的结构形式。但半刚性基层容易产生
2、温度收缩裂缝，在车辆荷载的反复作用下又会反射到路面上来，即所谓的反射裂缝。我国反射裂缝的问题相当严重，使得半刚性基层沥青路面的结构缺陷问题日益突出。为此半刚性基层上沥青路面的裂缝问题已成为江苏省公路建设中迫切需要研究的课题。 【1】 【4】 橡胶沥青具有较强的柔韧性和抗疲劳性能，充分利用橡胶沥青的优点，由橡胶沥青胶结料、单粒径集料组成的应力吸收层(Asphalt rubber-Stress Absorbing Membrane Interlayer，即 AR-SAMI)对减缓反射裂缝的产生与扩展有明显的效果。 【2】本文针对橡胶应力吸收层，从力学分析方面深入分析 AR-SAMI 应力吸收层或断
3、级配混合料对路面应力、应变影响，研究其缓解反射裂缝的机理，也为 AR-SAMI 的设计及施工提供理论参考。 2AR-SAMI 力学模型建立 2.1 结构组成 橡胶沥青应力吸收层是指铺筑于半刚性基层与沥青路面之间或者水泥混凝土路面与沥青路面之间的，具有高变形能力的橡胶沥青层。本文中材料构成如下： 橡胶沥青：橡胶粉掺量 18%，橡胶沥青用量 2.60.2kg/m2。 集料：规格为 9.5mm13.2mm，用量为 12kg/m2。 AR-SAMI 试验路位于盐通高速公路 YT-YC22 标，桩号为 K8+999.17 K12+462.7，施工面积共计 51,408.77m2。试验段路面结构组成如图
4、2.1 所示。 2.1 路面结构组成 2.2 力学模型 在计算时，对各层的边界条件及材料性质假设如下： （1）各层都是均匀连续的线弹性体，土工织物和玻璃纤维格栅在水平方向上各项同性，其它材料各项同性； （2）各层层间为完全连续； （3）地基底面各项位移为零，地基侧面水平位移为零，基层、面层和夹层的沿路横断面上的水平位移为零； （4）不计路面自重影响。 【2】 计算的模型如图 2.2，其中夹层部分的厚度和模量可变，对于土工织物和玻璃纤维格栅不考虑其厚度，AR-SAMI 层取 1cm，沥青碎石厚度取8cm，裂缝宽度取 0.5cm。 图 2.2 路面结构力学计算模型 图 2.3 荷载分布图 为便于计
5、算，荷载取 18.9cm 18.9cm 的正方形，双轮间距 32cm，两侧轮隙间距为 182cm，接触压力为 0.7MPa，研究发现荷载作用于裂缝一侧时，面层底部的应力最大，因此在进行计算时，荷载位置取在裂缝边缘，荷载中心距裂缝边缘 9.45cm。计算荷载分布如图 2.3 所示。 网格划分如下图（图 2.4） ，对裂缝顶端，面层底部最小的单元长度为：1.25mm，最小的节点间距为：0.625mm。 各层材料参数如下： 沥青混合料 E = 1800MPa， = 0.25 水泥稳定碎石 E 1400MPa， =0.25 土基 E = 40MPa， =0.35 土工织物 E = 160MPa，=0.
6、25 玻璃纤维格栅 E = 5000MPa， =0.25 AR-SAMI 层 E = 50MPa， =0.25 沥青碎石 E = 700MPa，=0.25 图 2.4 有限元网格划分图 3 荷载应力分析 3.1 面层底部受力分析 设置各种防治反射裂缝措施后各种路面结构的沥青面层底的应力情况如表 3.1、图 3.1 所示： 从图 3.1 可知，不设防裂夹层时，路面底部的拉应力和剪应力都达到了较高的水平，拉应力和剪应力及最大主应力的最大值都集中在裂缝的顶部很窄的区域，其它部分受压。最大主应力为 1.113MPa，而一般的沥青混合料的抗拉强度为 1.0MPa 左右，可见，不设防裂措施的路面，基层发生
7、裂缝后，在行车荷载的反复作用下，沥青面层底部与基层裂缝相接处在拉应力作用下容易开裂，并向上反射。 表 3.1 各防裂措施对面层层底应力的影响（荷载应力） 图 3.1 各防裂措施对面层层底应力的影响（荷载应力） 设置防裂措施后，各应力值都减少到了沥青混合料材料的抗拉强度以内，以设置 AR-SAMI 层和沥青碎石层应力减少最多，设置了 AR-SAMI层的沥青面层底部拉应力减少了 67.8%，最大剪应力减小了 40.4%；设置了沥青碎石层的沥青面层底部拉应力则减小了 75.2%，最大剪应力则减小了 41.3%。 设置土工织物和玻璃纤维格栅后，面层层底的受拉应力区面积增加不多，而设 AR-SAMI 层
8、的路面，沥青面层底部受拉应力面积大大增加，整个荷载对应的沥青面层底部都是受拉应力区。这是因为 AR-SAMI 层模量较低，设在面层与基层之间，从应力分析的角度来说，相当于使得层间连接由完全连续变为部分连续，这是 AR-SAMI 层改善面层底部应力集中的原因。 3.2 裂缝处受力分析 在车辆荷载下，不同夹层材料裂缝处应力应变如表 3. 2。 表 3.2 各防裂措施材料在车辆荷载作用下的最大应力应变 注：表中 为最大拉应力； 为最大剪应力； 为最大主应力； 为最大拉应变； 为最大主应变。 3.3 作用机理及应用评价 1、从防裂措施自身的应力、应变来看，玻璃纤维格栅的应变较小，而应力很大，拉应力达到
9、了 1.19MPa，以此分析，玻璃纤维格栅防止反射裂缝是通过自身很高的抗拉强度和小变形来消散裂缝尖端的应力集中，相当于加筋作用； 2、AR-SAMI 层内应力水平很低，只有 0.074MPa，而应变较大，最大应变为 969。AR-SAMI 层防止反射裂缝是通过其低模量、大应变能力，吸收裂缝位移所造成的面层底部应变集中，从而减少了裂缝尖端的应力，可以说是应变吸收层，能够起到延缓荷载引起的反射裂缝的作用，防裂效果比玻璃纤维格栅要好； 3、土工布自身应力、应变界于玻璃纤维格栅和 AR-SAMI 应力吸收层之间，可认为兼有隔离和加筋的作用； 4、沥青碎石层作为联结层，可以有效吸收面层底部的应力，并且可
10、以保持层间较好的连续。沥青碎石层底部的最大主应力为 0.705MPa，沥青碎石的抗拉模量为 0.6MPa 左右，在车辆荷载的反复作用下，可能会产生裂缝，由于沥青碎石一般较厚，裂缝发展至沥青碎石层顶面需较长的时间，可以起到延缓反射裂缝的作用。 4 总结 本文对采用橡胶沥青应力吸收层的罩面进行了力学计算，分析了车辆荷载应力。研究表明：橡胶沥青应力吸收层能够吸收、消散车辆荷载作用，减小裂缝处面层的受力，从而减少位移、应变，起到预防反射裂缝的作用。根据力学分析对比，其防裂效果优于土工布和玻璃纤维格栅等抗裂措施。 参考文献 1 刘熠字,廖卫东.STRATA 应力吸收层系统性能验证研究及其应用J.中南公路工程,2007,32(3):180-188. 2 石学斌,程毅,陈拴发.水泥混凝土路面加铺应力吸收层结构应力分析J.公路,2006,10:86-90. 3 刘元志,卢攀峰.新型应力吸收材料的制备及力学性能试验研究J,建国外建材科技.2006,27(4):75-78 4 沈圆顺,王新宇.橡胶沥青应力吸收层在柔性路面中的应用J, 山西建筑,2007,33(26):286-287. 5JTJ 0522000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程S.北京:人民交通出版社,2000.
