复合式路面与半刚性路面力学响应的对比
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２０１６年 １２月
石 油 沥 青 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＡＳＰＨＡＬＴ
第 ３Ｏ卷第 ６期
复 合 式 路 面 与 半 刚 性 路 面 力 学 响 应 的对 比
张 明杰 ，祁文 洋
（１．同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室 ，上海 ２０１８０４； ２．上海城建 日沥特种沥青 有限公司 ，上海 ２０００３０）
图 １ 荷载作用位置
收稿 １３期 ：２０１６０４—０７。 作者简介 ：张明杰 （１９９２一 ），男 ，现为同济大学交通运输 工程学院硕士研究生 ，主要研究方向为道路工程材料 。Ｅ—
ｍａｉｌ：１２２４８００５９４＠ ｑｑ．ｔｏｎｉ。
第 ６期
张明杰等 ．复合式路面与半刚性路面力学响应的对 比
刚性基 层 沥青路 面 。 目前 ，已经有 很 多学者对 复
合 式 路 面 在 荷 载 作 用 下 的 力 学 响 应 进 行 研
究¨。Ｊ，然而 ，关于复合式路面与半刚性路面力
学 响应差异 的研 究仍 缺乏 。
本研 究 利 用有 限元 软 件 ＡＢＡＱＵＳ建 立 复 合
式路 面和半 刚性 路面 的计算 模型 ，并对 其力学 响
１７
复合 式路 面和半 刚性路 面三维 有 限元 模 型采 用 ＡＢＡＱＵＳ软 件 建 立 ，模 型 行 车 方 向 、垂 直 行 车方 向 的尺寸均 为 ６ ｍ，厚 度 为 ３ ｍ，采 用 三 维
Ｔ ／ＭＰａ 、
２一 ４一 ６一 一 ８ Ｏ１ ２ １
０
０．０５ ０．１０ ０．１５ ０．２０ ０．２５
摘要 ：利 用有限元软件 ＡＢＡＱＵＳ建 立复合 式路 面和 半刚性路 面 的计算模 型，并对其 力 学响应的差异进行 全面的分析 。结果表 明 ：复合 式路 面沥青层 内剪应 力和水平拉 应变的最大 值 分 别 比 半 刚性 路 面 小 １３％ 、２１％ ； 复 合 式 路 面 水 泥混 凝 土 层 内 的 水 平 拉 应 力最 大 值 是 半 刚性路面基 层 内水平拉应 力最大值 的２．３倍 ，但 复合式路 面水泥混凝土层的疲劳寿命是半 刚 性路 面基层疲劳寿命 的 ２．８倍 。
Ｔ ／ＭＰａ ｙ
０
Ｏ 】０
０．２０
０ ３０
吕
一 一 一 一
０
２ ４ ６ ８ Ｏ ２ ４ ６ ８
（ａ） 包 络 图
／ ｕ
ｚｚ
１００
２００
（８）Ｔｘｙ包 络 图
ｒ ／ＭＰａ
０
０ ０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１０
．
（ｂ）Ｔｘｚ包络 图
（ｂ） 包络 图
图 ４ 复合式路 面和半 刚性路面沥青层 内的 水 平拉应变分布
由图 ３、图 ４可 知 ： （１）复合式路面与半刚性路 面沥青层 内剪 应力沿深度方向的变化规律相 同，水平拉应变沿 深 度方 向 的变化趋 势也 大致相 同 。 （２） 复合 式路 面 沥 青层 内剪 应 力 的最 大 值 为 ０．２０５ ＭＰａ，出现 在路表 下方 ２０ ｍｌｎ处 ；半 刚 性 路 面沥青 层 内剪 应 力 的最 大 值 为 ０．２３６ ＭＰａ， 出现在路 表 下 方 ４０ ｍｍ 处 。 复合 式 路 面沥 青 层
（ｃ）＇ｒｙｚ包络 图
图 ３ 复合式路面和半 刚性路面沥青层内的剪应力分布
来自百度文库
￡ ／
０
５０
１００
１５０
２００
吕
图 ２ 复合式路面和半刚性路面三维有 限元计算模型
２ 两种 结构的 力学特 性分析 ２．１ 沥青层
复合式路 面 、半 刚性路 面沥青层 内不 同深 度 位置 的剪应力 、水 平拉 应变最 大值计 算结 果如 图 ３、图 ４所示 。
应 的差异进 行 全面 的分析 ，以验证 复合 式路 面结
构 的合 理性 。
１ 力学计 算模 型
１．１ 荷载 条件
车辆双 轮荷 载作用 面采 用双矩 形 ，单 一矩 形
尺寸 为 １８．９ ｃｍ ×１８．９ ｃｍ、双 矩 形 中 心距 为 ３２
ｃｍ Ｊ
，
荷 载作 用 位 置如 图 １所 示 。竖 向荷 载 应
力水平 为 ０．７ ＭＰａ。
１．２ 有 限元模型 与相 关参数 本研 究依 托 广 西 省 复 合 式 路 面 结 构 设 计 项
目，采用 的复合 式路 面结构 与材料 参数如表 １所 示 ，半 刚性路 面采用 广西省 较为典 型 的结构 组合 形 式 ，其 结构 与材料 参数见 表 ２。
表 １ 复合式路面结构与材料参数
ＡＣ～１３Ｃ上 面层
４
ＡＣ一２０Ｃ 中面层
６
ＡＣ一２５Ｃ下 面层
８
水泥稳定碎石上基层 ３０
石灰 稳 定 细 粒 土底 基 层 ３Ｏ
土基
２２２
１ ４００ １ ２ｃ１０ １ ０ｏＯ １ ６０ｏ
８００ ４０
Ｏ．３５ Ｏ．３５ Ｏ．３５ Ｏ．３Ｏ ０．３０ ０．４０
石 油 沥 青
８。＼ 瑟 醛 ．一 塞２０＊１巨６鸯年 第 ３０卷
内剪应 力 的最 大 值 比半 刚性 路 面小 １３％ 。这 是 因为 与半刚性 路 面相 比 ，复合式 路 面基层模 量较 大 ，且 面层 厚度较 小 ，面层 的相对 刚度较 小 ，从 而 面层 内的剪应力 最大值 较小 。
六面二次单元 Ｃ３Ｄ２０Ｒ，并将关键 区域 （荷载作用
区 ）的单元 尺寸控 制 在 ７ ｃｍ 以下 ，边界 条 件 假设
为 ：底 面 完 全 固定 ，左 右两 侧 面没 有横 向位 移 ，前
后 两侧 没有 纵 向位 移 ，层 间接 触 状态 均 为 完 全连
续 。所 建立 三维 有 限元计 算模 型外 观见 图 ２。
关键词 ：道路 工程 复合式路面 半刚性路 面 力学响应
近年来 ，复合式路面在国内外得到广泛的应
用 。复合式 路 面是 由水泥混 凝土层 和 沥青层共 同
构 成的路 面结 构 ，由于沥青 层 和水 泥 混凝土层 之
间 的刚度存 在 巨大差 异 ，复合式路 面在 行车荷 载
作用 下 的力学 特性不 同于我 国使 用最 为广泛 的半
石 油 沥 青 ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＡＳＰＨＡＬＴ
第 ３Ｏ卷第 ６期
复 合 式 路 面 与 半 刚 性 路 面 力 学 响 应 的对 比
张 明杰 ，祁文 洋
（１．同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室 ，上海 ２０１８０４； ２．上海城建 日沥特种沥青 有限公司 ，上海 ２０００３０）
图 １ 荷载作用位置
收稿 １３期 ：２０１６０４—０７。 作者简介 ：张明杰 （１９９２一 ），男 ，现为同济大学交通运输 工程学院硕士研究生 ，主要研究方向为道路工程材料 。Ｅ—
ｍａｉｌ：１２２４８００５９４＠ ｑｑ．ｔｏｎｉ。
第 ６期
张明杰等 ．复合式路面与半刚性路面力学响应的对 比
刚性基 层 沥青路 面 。 目前 ，已经有 很 多学者对 复
合 式 路 面 在 荷 载 作 用 下 的 力 学 响 应 进 行 研
究¨。Ｊ，然而 ，关于复合式路面与半刚性路面力
学 响应差异 的研 究仍 缺乏 。
本研 究 利 用有 限元 软 件 ＡＢＡＱＵＳ建 立 复 合
式路 面和半 刚性 路面 的计算 模型 ，并对 其力学 响
１７
复合 式路 面和半 刚性路 面三维 有 限元 模 型采 用 ＡＢＡＱＵＳ软 件 建 立 ，模 型 行 车 方 向 、垂 直 行 车方 向 的尺寸均 为 ６ ｍ，厚 度 为 ３ ｍ，采 用 三 维
Ｔ ／ＭＰａ 、
２一 ４一 ６一 一 ８ Ｏ１ ２ １
０
０．０５ ０．１０ ０．１５ ０．２０ ０．２５
摘要 ：利 用有限元软件 ＡＢＡＱＵＳ建 立复合 式路 面和 半刚性路 面 的计算模 型，并对其 力 学响应的差异进行 全面的分析 。结果表 明 ：复合 式路 面沥青层 内剪应 力和水平拉 应变的最大 值 分 别 比 半 刚性 路 面 小 １３％ 、２１％ ； 复 合 式 路 面 水 泥混 凝 土 层 内 的 水 平 拉 应 力最 大 值 是 半 刚性路面基 层 内水平拉应 力最大值 的２．３倍 ，但 复合式路 面水泥混凝土层的疲劳寿命是半 刚 性路 面基层疲劳寿命 的 ２．８倍 。
Ｔ ／ＭＰａ ｙ
０
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０．２０
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一 一 一 一
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２ ４ ６ ８ Ｏ ２ ４ ６ ８
（ａ） 包 络 图
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１００
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（８）Ｔｘｙ包 络 图
ｒ ／ＭＰａ
０
０ ０２ ０．０４ ０．０６ ０．０８ ０．１０
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（ｂ）Ｔｘｚ包络 图
（ｂ） 包络 图
图 ４ 复合式路 面和半 刚性路面沥青层 内的 水 平拉应变分布
由图 ３、图 ４可 知 ： （１）复合式路面与半刚性路 面沥青层 内剪 应力沿深度方向的变化规律相 同，水平拉应变沿 深 度方 向 的变化趋 势也 大致相 同 。 （２） 复合 式路 面 沥 青层 内剪 应 力 的最 大 值 为 ０．２０５ ＭＰａ，出现 在路表 下方 ２０ ｍｌｎ处 ；半 刚 性 路 面沥青 层 内剪 应 力 的最 大 值 为 ０．２３６ ＭＰａ， 出现在路 表 下 方 ４０ ｍｍ 处 。 复合 式 路 面沥 青 层
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图 ３ 复合式路面和半 刚性路面沥青层内的剪应力分布
来自百度文库
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图 ２ 复合式路面和半刚性路面三维有 限元计算模型
２ 两种 结构的 力学特 性分析 ２．１ 沥青层
复合式路 面 、半 刚性路 面沥青层 内不 同深 度 位置 的剪应力 、水 平拉 应变最 大值计 算结 果如 图 ３、图 ４所示 。
应 的差异进 行 全面 的分析 ，以验证 复合 式路 面结
构 的合 理性 。
１ 力学计 算模 型
１．１ 荷载 条件
车辆双 轮荷 载作用 面采 用双矩 形 ，单 一矩 形
尺寸 为 １８．９ ｃｍ ×１８．９ ｃｍ、双 矩 形 中 心距 为 ３２
ｃｍ Ｊ
，
荷 载作 用 位 置如 图 １所 示 。竖 向荷 载 应
力水平 为 ０．７ ＭＰａ。
１．２ 有 限元模型 与相 关参数 本研 究依 托 广 西 省 复 合 式 路 面 结 构 设 计 项
目，采用 的复合 式路 面结构 与材料 参数如表 １所 示 ，半 刚性路 面采用 广西省 较为典 型 的结构 组合 形 式 ，其 结构 与材料 参数见 表 ２。
表 １ 复合式路面结构与材料参数
ＡＣ～１３Ｃ上 面层
４
ＡＣ一２０Ｃ 中面层
６
ＡＣ一２５Ｃ下 面层
８
水泥稳定碎石上基层 ３０
石灰 稳 定 细 粒 土底 基 层 ３Ｏ
土基
２２２
１ ４００ １ ２ｃ１０ １ ０ｏＯ １ ６０ｏ
８００ ４０
Ｏ．３５ Ｏ．３５ Ｏ．３５ Ｏ．３Ｏ ０．３０ ０．４０
石 油 沥 青
８。＼ 瑟 醛 ．一 塞２０＊１巨６鸯年 第 ３０卷
内剪应 力 的最 大 值 比半 刚性 路 面小 １３％ 。这 是 因为 与半刚性 路 面相 比 ，复合式 路 面基层模 量较 大 ，且 面层 厚度较 小 ，面层 的相对 刚度较 小 ，从 而 面层 内的剪应力 最大值 较小 。
六面二次单元 Ｃ３Ｄ２０Ｒ，并将关键 区域 （荷载作用
区 ）的单元 尺寸控 制 在 ７ ｃｍ 以下 ，边界 条 件 假设
为 ：底 面 完 全 固定 ，左 右两 侧 面没 有横 向位 移 ，前
后 两侧 没有 纵 向位 移 ，层 间接 触 状态 均 为 完 全连
续 。所 建立 三维 有 限元计 算模 型外 观见 图 ２。
关键词 ：道路 工程 复合式路面 半刚性路 面 力学响应
近年来 ，复合式路面在国内外得到广泛的应
用 。复合式 路 面是 由水泥混 凝土层 和 沥青层共 同
构 成的路 面结 构 ，由于沥青 层 和水 泥 混凝土层 之
间 的刚度存 在 巨大差 异 ，复合式路 面在 行车荷 载
作用 下 的力学 特性不 同于我 国使 用最 为广泛 的半