夹层防治反射裂缝效果的应力探析摘要：采用三维有限元静力分析方法，计算分析了具有接缝的旧水泥混凝土路面上沥青加铺层在行车荷载和温度变化作用下应力的变化情况，从理论上深入研究了应力吸收夹层和加筋夹层在不同情况下防治反射裂缝的效果，提出了两种夹层的模量推荐取值.关键词：反射裂缝沥青加铺层夹层有限元计算模型与参数本文采用通用结构分析程序sap91.计算采用静力分析方法，研究对象由沥青加铺层、夹层（可选）、带有接缝的旧水泥砼路面层和地基组成.为反映半空间地基的特性，地基采用扩大尺寸，如图1所示.对各结构层作如下假定：1）各层为均匀、连续、各向同性的线弹性体；2）各层层间竖向、水平位移均连续；3）地基底面各向位移为零，地基侧面水平方向位移为零；沥青加铺层和旧水泥砼层在两端横截面上水平位移为零，在两侧侧面上位移自由；4）不计路面结构自重影响；接缝宽度为1cm，旧水泥砼路面在接缝处无传荷能力.沥青面层中反射裂缝的产生是由行车荷载和温度变化引起的.由断裂理论可知，加铺层中产生的反射裂缝主要是由沥青层底正应力qy引起的张开型裂缝和由剪应力tyz引起的剪切型裂缝.根据国内外的研究发现，在行车荷载作用时，当车轮对称作用于接缝上端时，沥青加铺层底面在接缝处正应力ry和主应力r1均为压应力，这是由于旧水泥砼板对其挤压作用导致的，另外由结构、荷载的正对称性可知沥青加铺层底面在接缝处剪应力tyz为零.因此本文认为正对称荷载不是引起反射裂缝的主要原因，此处主要研究偏荷载作用下的受力情况.根据同济大学周富杰的研究，取偏荷载作用下最不利荷载位置如图2所示.行车荷载取bzz-100，荷载集度q=0.7mpa，轮压作用范围等效为18.9cm×18.9cm的正方形，双轮间距32cm，两侧轮隙间距182cm.无特别说明时，材料计算参数取值如下：沥青混凝土e=1200mpa，t=0.25；水泥混凝土e=30000mpa，v=0.15；地基e=80mpa，t=0.30。2荷载应力分析211无夹层时沥青加铺层厚度的影响当沥青加铺层直接摊铺在水泥混凝土板上时，接缝处沥青层底应力随沥青加铺层厚度变化如表1所示.①各应力点的位置坐标（x，y，z）分别如下：qymin（3000，8005，9220）；qymax（3189，8030，9220）；tlmax（3000，8005，9220）；tyzmax（3000，8010，9220）.单位为m.②剪应力虽为负值，但这只是方向问题，对剪切变形程度无影响，故取其下标为max.下同.由表1可以看到，在偏荷载作用下，接缝区沥青层底r1max和syzmax受沥青层厚度影响较大.而qy在接缝处均为负值，在接缝处附近的正值又很小，故可知q1和tyz是引起反射裂缝的主要原因.当沥青层厚度较小时，q1和tyz都很大，已超过了一般沥青混凝土的强度极限，导致反射裂缝的产生.增加加铺层的厚度可有效减小q1和tyz.沥青混凝土的抗拉强度一般为1.0mpa左右，故单从荷载作用角度来看，若要通过增加加铺层的厚度来抑制反射裂缝的产生与扩展，其厚度至少应为20cm以上.212夹层的影响将夹层模拟为厚1cm的弹性层，对应于沥青橡胶层和土工格栅层，取夹层模量e分别为30-140mpa和2000-8000mpa，沥青加铺层厚度取为5cm和10cm，夹层取不同模量时，加铺层中应力变化见表2（表中各第2小列为h=10cm时的值）。可以看到，应力吸收层的存在大大削弱了沥青加铺层中的应力集中现象.对于沥青橡胶膜夹层，模量越小，削弱作用越明显；对于土工格栅夹层，模量越大，削弱作用越明显.就沥青橡胶膜来说，其本身在接缝区的各应力也都很小，这对于抑制反射裂缝的产生是很有用的.但表中有两个现象值得注意：一个是虽然沥青加铺层底ry在接缝区都为负值，但在轮压中心处却为正值，且随着夹层模量的减小而迅速增加，这使沥青加铺层在非接缝区开裂的可能性增大；另一个是随着夹层模量的减小路面弯沉增大，这意味着路面结构整体强度在变小.因此，在选用沥青橡胶等低模量、高变形材料作为应力吸收夹层时，应进行综合考虑，选取合适的材料参数.就土工格栅来说，当加铺层厚为5cm时，模量取2000-6000mpa时的削弱作用较明显；当模量大于6000mpa，削弱作用减缓，并且此时格栅层中的应力已较大；当加铺层厚为10cm时，随格栅模量的增大，加铺层底不利应力的变化较小，模量取得过大已无意义.总的讲，格栅夹层的模量不宜取得过大，从本文计算结果来看，在400