开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应力影响因素分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应力影响因素分析.精品文档.开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应力影响因素分析第26卷第11期2009年11月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVo1.26No.1lNov.2009文章编号:1002-0268(2009)11-0011-05开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应力影响因素分析殷青英,郭红兵一,陈拴发(t.陕西交通职业技术学院,陕西西安710018;2.长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室,陕

2、西西安710064)摘要:反射裂缝是半刚性基层沥青路面和刚性基层沥青路面的主要病害之一,针对这一问题,提出了采用开级配大粒径沥青碎石混合料作为裂缝缓解层的方法.基于开级配大粒径沥青碎石缓解层沥青路面温度应力的计算原理,以通用有限元软件ABAQUS为基础,对开级配大粒径沥青碎石缓解层沥青路面的温度应力进行分析,探讨了其结构层参数对其温度应力的影响规律.结果表明:开级配LSAM缓解层模量,厚度,空隙率对其自身温度应力具有显着的影响作用,是开级配LsAM缓解层沥青路面结构设计的重要参数.关键词:道路工程;开级配大粒径沥青碎石混合料;三维有限元;温度应力;影响因素中图分类号:U416.217文献标识码

3、:AAnalysisofInfluenceFactorsofTemperatureStressofOpengradedLargeStoneAsphaltMixtureinAsphaltPavementYINQingying,GUOHongbing一,CHENShuanfa2(1.ShaanxiCollegeofCommunicationsTechnology,XianShaanxi710018,China;2.KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,ChanganUniversityXianShaan

4、xi710018.China)Abstract:Thereflectivecrackingisoneofthemaindamagesofsemirigidbaseasphaltpavementandrigidbaseasphaltpavement.Aimedatthisproblem,amethodthatusingopengradedlargestoneasphaltmixture(I.SAM)ascrackingrelieflayerWasproposed.Basedonthecalculationprinciplesoftemperaturestressofasphaltpavement

5、withopengradedISAMrelieflayerWasintroduced,thetemperaturestressofopengradedI_SAMofasphaltpavementWasanalyzed,andtheinfluenceofpavementdesignparametersontemperaturestressWasdiscussedbyusingfiniteelementanalysissoftwareABAQUS.Theresultindicatesthatmodulus,thicknessandairvoidsofopengradedLSAMhavetherem

6、arkableinfluenceonitstemperaturestressandtheyalekeyparametersforthestructuraldesignofasphaltpavementwithopengradedI.SAM.Keywords:roadengineering;opengradedlargestoneasphaltmixture;3Dfiniteelement;temperaturestress;influencefact0r.引言窒老粪鐾纂路面处于自然环境中,经受着持续变化气温的影层内存在温度坡差(梯度)时,产生翘曲变形,其受收稿口期:2009-0226基金项目:

7、交通部西部交通建设科技项目(200631800005)作者简介:殷青英(1960一),女,河南通许人,副教授,研究方向为路面工程.(yqyqh1962)12公路交通科技第26卷限制而产生翘曲应力.有时温度应力对沥青路面结构的不利影响比荷载应力更大.开级配大粒径沥青碎石混合料(LSAM)定义为最大公称粒径尺寸在2563.5tun之间的热拌沥青混合料llI2j,主要用于解决半刚性基层沥青路面,刚性基层沥青路面结构中普遍存在的反射裂缝问题l3.在结构上,充分利用其大粒径矿料多,沥青含量少及空隙率大的多空隙结构来阻断路附反射裂缝尖端的扩展路径,削弱拉应力和拉应变的传递能力,并且能消散和吸收由车辆荷载与

8、温度荷载共同作用所产生的荷载应和温度应力.因此,有必要对设置开级配LSAM缓解层的沥青路面结构的温度应力进行分析,以探寻开级配SAM缓解层各设计参数对路面结构温度应力的影响规律,为寻求开级配SAM缓解层沥青路面的结构设计方法提供理论依据.1开级配LSAM缓解层沥青路面有限元模型与参数1.1计算模型结合试验路修筑情况(见图1),本文在以下分析中视路面结构为弹性层状体系,研究对象由沥青面层,开级配LSAM缓解层,带有裂缝或接缝的贫混凝土基层和基础(包括综合稳定土,水泥稳定碎石底基层等)组成.为反映半尤限大空间基础的特性,基础采用扩大尺寸,设置开级配LSAM缓解层的贫混凝土基层沥青路面结构计算模型如

9、图2所示.对各结构层作如下假定:(1)各结构层为均匀,连续,各向同性的弹性体;(2)各层层间竖向,水平位移均连续;(3)基础底面各向位移为零,基础侧面无约束;(4)不计路面结构的自重影响;(5)裂缝宽度假设为1cin,且接缝处无传荷能力.4cn)SBSAC.I3C沥青混凝!垒:重退丝!:9C1l开级配LsAM(25mm)缓解8cm贫水泥混凝6cm水泥稳定碎石20cm综合稳定图1开级配I_SAM缓解层的贫混凝土基层沥青路面结构Fig.1Leanconcretebaseasphaltpavementwitllopen-gradedLSAM图2路面结构温度应力计算模型(单位:cm)Fig.2Calc

10、ulationmodelofpavementstructure(unit:cm)1.2计算参数经过取基础不同尺寸计算误差分析,基础扩大尺寸拟定为l6.01m10.50mX9.00m.其他各结构层的主要计算参数如表l所示.当沥青面层顶面温度降低时,路面结构将产生收缩变形,同时贫混凝土基层将产生凹形翘曲变形,这两种变形叠加使得贫混凝土基层裂缝产生张开变形而使开级配LSAM缓解层底面受拉.因此,在分析开级配LSAM缓解层温度应力时,取0作为参考温度,只考虑降温情况,取T=一10.表1主要计算参数Tab.1Maincaklationparameters路面拳刑结构层几何尺弹性模寸/m节/MPa此处采用

11、ABAQUS4-7大型商业通用有限元软件进行路面结构的数值仿真分析.路面各结构层采用8节点各向同性单元,为了模拟开级配SAM缓解层的大孔隙结构,在该结构层中布孔,孔为球形(直径d=15inn1),空隙率为15%20%8J.设置开级配LSAM缓解层的贫混凝土基层沥青路面结构三维有限元模型l9_lj如图3所示.2开级配LSAM缓解层沥青路面温度场计算计算温度应力,需要分析路面结构温度场.在开系撼数比第1I期殷青英,等:l开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应影响因素分析13图3路面结构三维有限兀模型Fig.33Dfiniteelementmodelofpavementstructure级配SAM

12、缓解层沥青路面结构中,影响开级配SAM缓解层的最大温度梯度因素是其本身特性和外部情况.前者包括材料的导热系数,路面材料对太阳辐射的吸收率和放热系数等,后者包括沥青层厚度,太阳辐射和气温.对于路面结构而言,存在3种热量传递模式,lJX流,辐射和传导.气温的日变化一般呈现类似于正弦曲线的变化规律.对于路面结构而言,在气温达到曲线的峰值或谷值时路面结构的变形最大.因而产生的温度应力也最大,考虑到全国各地最大日温差一般不超过20,即以日平均气温为参考温度,每日的升温及降温近似为1O和一10cc.计算路面结构温度应力时,取0oC作为参考温度,路面结构在此参考温度基础上进行升温及降温度.温度变化在一l0l

13、Occ之间,其中010oC为降温阶段,010为升温阶段l12.以下对设置开级配LSAM缓解层的沥青路面结构进行温度场分析,计算基本参数见表1.沥青面层顶面温度变化分别为l0(升温)及一l0(降温),设置歼级配LSAM缓解层的沥青路面结构的温度场.对比结果表明,温度变化随路面结构深度呈非线性变化.沥青混凝土面层顶面温度降低使路面结构产生收缩变形,路面结构的温度梯度又使贫混凝土基层产生凹形翘曲,这两种变形叠加使贫混凝土基层裂缝产牛张开变形而开级配SAM缓解层底面受拉.反之,当沥青混凝土面层顶面温度升高时,路面结构发生膨胀及贫混凝土基层产生凸形翘曲变形,贫混凝土基层裂缝处开级配LSAM缓解层底面受压

14、,这种情况下开级配SAM缓解层底部不易产生反射裂缝.因此,在分析开级配SAM缓解层温度应力时,只考虑降温情况,在计算温度应力时取=一1O.3开级配LSAM缓解层温度应力参数影响分析3.1开级配LSAM缓解层模量图4为开级配SAM缓解层温度应力随其自身模量由40O800MPa时的变化情况.开级配SAM缓解层模量与其自身最大主应力.,最大剪应力Tmax及等效应力基本旱比关系,当开级配SAM缓解层模量400800MPa时,最大主应力盯由0.0300.041MPa,增加37%;最大剪应力Zmax由0.0200.027MPa,增加35%;等效应力dr由0.0660.099MPa,增幅50%.开级配SAM

15、缓解层模量对其自身温度应力具有显着的影响作用.对相同材料的开级配大粒径沥青碎混合料而言,其模量随温度降低而增大,气温越低,开级配LSAM缓解层内的温度应力越大,则越易l:裂,冈此,反射裂缝多在冬季产生.R鸡图4开级配LSAM缓解层模量对温度应力的影响Fig.4InfluenceofopengradedI_SAMrelieflayerSmodulusOntemperaturestress3.2开级配LSAM缓解层厚度图5为开级配LSAM缓解层温度应力随其自身厚度由612CUrl时的变化情况.开级配SAM缓解层厚度对其自身温度应力影响显着.兰娟图5开级配LSAM缓解层厚度对温度应力的影响Fig.5

16、InfluenceofopengradedSAMrelieflayerSthicknessontemperaturestress当开级配LSAM缓解层厚度由612CITI时,其自身最大主应力.,最大剪应力z-及等效应力均呈单调下降.l由0.0560.034MPa,减少39%,基本呈凹形曲线单调下降;r由O.0270.021MPa,减少29%,基本呈线性单调下降;由0.0990.076MPa,减少23%,旱凹型曲线单调下降.由此可见,增加开级配SAM缓解层厚度对减小其自身温l4公路交通科技第26卷度应力起到了很大的作用,结合试验路修筑情况,开级配LSAM缓解层推荐厚度不宜小于9cm,满足开级配L

17、SAM缓解层实际施工最小厚度要求.3.3开级配LSAM缓解层空隙率不同级配开级配LSAM的空隙率有所差异,不同空隙率开级配LSAM的弹性模量也不相同.为了探寻开级配LSAM空隙率与其自身弹性模量之间的相关性,此处根据3种不同级配开级配LSAM(空隙率分别为15%,17%,20%)的抗压回弹模量试验结果进行相关性分析.开级配LSAM的回弹模量试验采用静压法成型直径150mm,高150mm的圆柱体试件.试件的密度采用大马歇尔试验的最佳沥青含量的试件密度,试件空隙率采用设计空隙率.在有空调的试验室内测试,将室温调至要求的温度,试件放置12h以上.3种不同级配开级配LSAM抗压回弹模量试验结果(20o

18、C)见表2.表2开级配LSAM抗压回弹模量试验结果(20)Tab.2TestresultsofcompressiveresilientmodulusofopengradedLSAM(20)图6为开级配LSAM空隙率与其自身弹性模量的相关性分析曲线.由图7可知开级配LSAM空隙率与其自身弹性模量的相关性函数为Y=1.1933x77.787x+1495.2,由此公式推算出当开级配LSAM空隙率分别为15%,16%,17%,18%,19%,20%时,相应的开级配LSAM弹性模量依次为596.6,556.1,517.7,481.7,448.0,416.8MPa.以上开级配LSAM空隙率与其自身弹性模量

19、的相关性分析结果可方便应用于有限元参数影响分析之中.650600550500教450400415l617l819202l空隙%图6开级配LSAM空隙率与弹性模量的相关性Fig.6RelaiionbetweenairvoidsandelasticmodulusofopengradedI_SAM图7为开级配LSAM缓解层温度应力随其自身空隙率由15%增加到20%时的变化情况.山茎槎赠图7开级配SAM缓解空隙率对温度应力的影响Fig.7Influenceofairvoidsofopen-gradedLSAMrelieflayerontemperaturestress当开级配LSAM缓解层空隙率由15

20、%变化到20%时,其自身的最大主应力一1,最大剪应力r及等效应力基本呈线性单调降低趋势.当开级配LSAM缓解层空隙率由15%变化到20%时,最大主应力d1由0.0360.030MPa,降幅17%;最大剪应力r由0.0230.020MPa,降幅13%;等效应力由0.0830.068MPa,减少18%.由此可见,LSAM缓解层空隙率对其自身温度应力影响显着.随着开级配LSAM缓解层空隙率的变化,其自身等效应力的变化幅度最大,最大主应力.的变化幅度次之,最大剪应力r的变化相对较小.当开级配LSAM缓解层空隙率逐渐增大时,在开级配LSAM缓解层中孑L隙分布更为均匀,这种均匀分布的多空隙结构可更为有效地

21、阻断裂尖扩展路径,削弱拉应力和拉应变的传递能力,从而消散和吸收温度应力.但是,开级配LSAM缓解层空隙率并非越大越好,当空隙率过大时混合料拌和,摊铺及碾压质量不易控制.4结论(1)开级配ISAM缓解层模量与其自身温度应力基本呈正比关系,对其自身温度应力具有显着的影响作用.对相同材料的开级配大粒径沥青碎石混合料而言,其模量随温度降低而增大,气温越低,开级配LSAM缓解层内的温度应力越大,则越易开裂,因此,反射裂缝多在冬季产生.(2)开级配LSAM缓解层厚度与其自身温度应力基本呈反比关系,增加厚度对减小其自身温度应力起到了很大的作用.结合试验路修筑情况,开级配LSAM缓解层推荐厚度不宜小于9cm,

22、满足其实际施工最小厚度要求.(3)开级配I_SAM缓解层空隙率与其自身温度应力基本呈反比关系,对其自身温度应力具有显着的影987654320第11期段青英,等:开级配大粒径沥青碎石混合料沥青路面温度应力影响因素分析l5响作用.当开级配I.SAM缓解层空隙率逐渐增大时,其孔隙分布更为均匀.这种均匀分布的多空隙结构可更为有效地阻断裂缝尖端的扩展路径,削弱拉应力和拉应变的传递能力,从而消散和吸收温度应力.但是,开级配KSAM缓解层空隙率并非越大越好,当空隙率过大时混合料拌和,摊铺及碾压施工质量不易控制.参考文献:ReferencesPress,2006.6张俊,朱浮声,李庆昌.沥青碎石混合料毛体积密

23、度测定方法的改进J.公路交通科技,2007,24(1I):2528.COETZZNF.SomeConsiderationsOilReflectionCrackinginAsphaltConcreteOverlayPavementJJ,Ph.0.DissertationUniv.ofCalifornia,1979,14(8):4246.8曾攀.有限元分析及其应用M.北京:清华大学出版社,2004.ZENGPan.FiniteElementAnalysisandItsApplicationlMJ.Beijing:TsinghHaUniversityPress,2004.庄茁.ABAQUS有限元软件

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25、社,20O6.SHIYiping,ZHOUYurong.DetailedExamplesforABAQUSFiniteElementAnalysisM.Beijing:MachineIndustryZHANGJun,ZHUFusheng,LIQingchang.ModificationoftheMe山odf0rstingBalkDensityofAsphaltMacadamwithLargeVoidRatioJ.JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopment,2007,24(11):2528.王秉刚,邓学钧.路面力学数值计算M.北

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