碎石化條件等級路水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

孫晉舉

（棗莊市公路管理局，山東棗莊 277300）

0 前言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，各省均面臨著繁重的交通建設(shè)任務(wù)，近年來公路等級與里程數(shù)均大幅增長，經(jīng)過一段時間運營以后，已建成路面的養(yǎng)護、大修改造也逐步成為工作的重點之一。水泥混凝土路面作為重要的路面結(jié)構(gòu)型式，在我國公路總里程中占有不小比例。水泥混凝土路面改造困難已成為制約水泥混凝土路面廣泛應(yīng)用的主要原因之一。解決舊水泥混凝土路面改造的技術(shù)難題，是廣大工程技術(shù)人員目前面臨的一個現(xiàn)實問題。盡管目前有諸多處治方法，如壓密注漿、加鋪各種土工加筋材料、直接清除等，前兩種方法難以有效控制反射裂縫的發(fā)生，直接清除還會造成環(huán)境污染?；谂f水泥混凝土路面碎石化技術(shù)的處治方法可對舊混凝土路面原位破碎后加以利用，既充分利用既有資源，又能減少對環(huán)境的影響，適用于我國等級路改造建設(shè)[1][2]。根據(jù)國外經(jīng)驗，碎石化破碎完成之后，需加鋪10～15 cm的瀝青碎石等應(yīng)力吸收層，然后鋪筑瀝青面層。但隨著瀝青價格的不斷上漲，這種加鋪層結(jié)構(gòu)難以在等級路中推廣使用，也同時阻礙了碎石化技術(shù)的應(yīng)用。因此，結(jié)合我國等級路建設(shè)的實際情況，以減少工程造價和有效控制反射裂縫為雙控指標(biāo)，通過加鋪半剛性基層和減薄瀝青面層厚度為方法[3]，同時考慮到等級路承受重載交通條件，本文采用有限元分析方法進行路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出經(jīng)濟合理的路面加鋪層結(jié)構(gòu)方案，可以很大程度的降低公路改造費用、節(jié)約資源、保護環(huán)境，適用于等級路改造建設(shè)。

1 舊路面結(jié)構(gòu)層碎石化后模量損失

實踐表明，碎石化技術(shù)適用于舊路面出現(xiàn)大量的接縫缺陷、超過20%的板出現(xiàn)開裂、超過20%的路面需要修補等情況的路段[4]。破碎會降低水泥混凝土路面的平均強度，使加鋪成為必然的后續(xù)工作。在破碎后結(jié)構(gòu)層上進行加鋪可有效消除差異沉降、防止反射裂縫的發(fā)生。水泥混凝土破碎程度是需要把握的重要標(biāo)準，混凝土路面破碎需要在結(jié)構(gòu)性降低和反射裂縫風(fēng)險增高之間尋求平衡。適宜的破碎后有效模量應(yīng)使反射裂縫可能性降低到一定程度，在此情況下盡量保證原混凝土板塊結(jié)構(gòu)性[5]?；炷撩姘迤扑楹笕绾卧u定其承載能力，國內(nèi)缺乏充分研究。由于現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范對于材料是以回彈模量表示其強度的[6]，同時，破碎后的結(jié)構(gòu)層由于表層顆粒較小且松散，因此采用FWD進行破碎后的路面彎沉檢測后換算回彈模量，基層以下則采用剛性承載板，針對代表性路段基層回彈模量進行了現(xiàn)場實測。利用FWD測試的數(shù)據(jù)進行計算，兩段路段測試結(jié)果，E1=172.6 MPa，E2=221.6 MPa,出于測試精度的要求，可以選取221.6 MPa作為碎石化后的當(dāng)量回彈模量，而基層頂面的當(dāng)量回彈模量為342 MPa，221.6 MPa＜342 MPa，故需要進行補強層設(shè)計。由此換算得到打裂混凝土板本身的模量為375 MPa，重新利用ANSYS計算可知結(jié)果相差1%左右，不影響最終結(jié)果，見表1、圖1。

表1 碎石化處理后結(jié)構(gòu)層的回彈模量（單位：MPa）

由表1可以看出，舊水泥混凝土路面破碎成為15～30 cm的塊狀后，回彈模量有顯著的降低且均勻性較好，降至221.6 MPa。碎石化層的剛度要優(yōu)于普通級配碎石結(jié)構(gòu)，碎石化層便形成了堅硬的粒料基層。該模量比較合理地反映了該路段混凝土面板碎石化后實際承載能力，可以作為上面加鋪層結(jié)構(gòu)厚度計算的依據(jù)。這樣設(shè)計者就可以根據(jù)各個路段所測得的不同承載能力進行設(shè)計計算，避免了主觀性和盲目性。路面新加鋪結(jié)構(gòu)層厚度不應(yīng)完全參照新建路加鋪層結(jié)構(gòu)形式，而存在可優(yōu)化的余地。因此，本文結(jié)合棗莊206國道舊水泥混凝土路面的實際改造工程，對不同加鋪層結(jié)構(gòu)形式的受力特點及疲勞壽命進行了分析比較。

2 加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方案

2.1 有限元模型的建立

通過現(xiàn)場實測回彈模量，確定力學(xué)計算參數(shù)，見表2。進行路面力學(xué)計算時，基于彈性層狀體系，考慮為雙圓荷載作用形式，采用ANSYS建立二維平面應(yīng)變模型[7]，重點分析路面結(jié)構(gòu)層彎沉、層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變及疲勞壽命，評價加鋪層方案的合理性?；鶎硬牧蠀?shù)見表3。

表2 有限元計算材料參數(shù)

表3 基層材料參數(shù)

2.2 加鋪層結(jié)構(gòu)方案組合

有限元計算時，改變半剛性基層種類、厚度及面層結(jié)構(gòu)厚度，分別計算在標(biāo)準軸載（0.7 MPa）和超載(1.1 MPa)兩種情況下的加鋪層結(jié)構(gòu)的受力特征（見表 4）。

表4 界面完全連續(xù)加鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

路面彎沉值如圖2所示，對于方案組合類型I，在保證2層16 cm基層厚度的情況下，彎沉隨材料模量變化趨勢明顯。其中密級配水穩(wěn)碎石材料的彎沉值最小，為51(0.01 mm)；對于方案組合II，基層厚度減薄后，路面彎沉上升較快，其中柔性基層方案9最大，如在軸載為0.7 MPa和1.1 MPa條件下，方案7比方案2路面彎沉均增大10%；對于方案組合III，直接加鋪15 cm瀝青混凝土面層，比設(shè)置基層時路面彎沉增大較為明顯，如方案10比方案1增大約15%。因此，舊路破碎后加鋪半剛性路面比直接加鋪瀝青路面的彎沉值更小，而且半剛性基層減薄對路面彎沉的影響不大。

3.2 層底拉應(yīng)力

圖3、表5分別為加鋪層層底拉應(yīng)力圖及與容許拉應(yīng)力比較表。面層最大拉應(yīng)力變化較平緩，基層波動較大。在重載交通條件下，除方案9和10外，其余方案應(yīng)力增加明顯，其中基層應(yīng)力平均增加了98%，面層應(yīng)力平均增加了130%。增值最小的分別是瀝青碎石柔性基層和直接加鋪15 cm瀝青面層，分別為52%和3%。由此說明柔性結(jié)構(gòu)更能應(yīng)對重載交通。

表5 軸載為1.1 MPa時加鋪層層底拉應(yīng)力與容許拉應(yīng)力比較

比較各方案基層層底拉應(yīng)力σ1與容許拉應(yīng)力σR可知，各方案在標(biāo)準軸載下的基層和面層層底拉應(yīng)力較小，(σR-σ1)/σR較大，均在0.50和0.70以上，安全系數(shù)較高；而在超載情況下，方案3、4、5基層層底拉應(yīng)力已經(jīng)超過或接近容許拉應(yīng)力，其余 (σR-σ1)/σR值在0.11和0.80之間波動，說明在重載交通條件下，剛度較大的基層易破壞。面層最大拉應(yīng)力除方案9和10的富余量較小外，其余各方案都在0.30左右，波動較小。

3.3 層底拉應(yīng)變

結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變見圖4。

對于類型I，方案1～6基層及面層層底拉應(yīng)變大小趨近一致。對于類型II，減薄了基層厚度后，基層層底拉應(yīng)變明顯增大，如在1.1 MPa時，方案 8(357με)比方案 5(261με)增大了 37%。對于類型III，直接加鋪15 cm瀝青混凝土的方案10面層層底拉應(yīng)變最大。

3.4 疲勞壽命

疲勞壽命見表6。

表6 疲勞壽命

由表6可知，除方案4、5、6、7基層疲勞壽命明顯偏小外，各方案在標(biāo)準軸載及超載交通條件下均具有較高的疲勞壽命，路面疲勞壽命受控于面層；對于各方案的面層疲勞壽命，除方案10較差外，其余方案相差不大；對比方案1和8，薄基層疲勞壽命降低較為明顯，但面層疲勞壽命卻優(yōu)于或接近厚基層結(jié)構(gòu)，由于整體路面結(jié)構(gòu)壽命仍受控于面層，方案8比方案1更具有經(jīng)濟性優(yōu)勢。對比方案9與其他方案可知，柔性路面結(jié)構(gòu)應(yīng)對超載的能力較強。

3.5 基層和面層厚度的優(yōu)化

在上述計算方案的基礎(chǔ)上，為了驗證基層和面層厚度是否存在優(yōu)化的余地，特設(shè)置類型III進行比較。路表彎沉、面層最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變見圖5～圖 7。

由圖5～圖7可知，減薄了面層厚度后，彎沉、面層最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變均增大，其中1.1 MPa下的最大拉應(yīng)變增大了42%，從而使得疲勞壽命大大降低，說明打碎后直接加鋪瀝青混凝土?xí)r，厚度不應(yīng)低于15 cm。方案12的各項力學(xué)指標(biāo)均好于直接加鋪瀝青混凝土，但與方案8結(jié)果相差無幾，說明16 cm的基層厚度也能滿足要求。

4 結(jié)語

（1）舊混凝土路面實施碎石化后，面層的模量降至384 MPa，形成堅硬的粒料基層，優(yōu)于普通級配碎石基層。

（2）對于多數(shù)半剛性材料，用于碎石化條件下的加鋪層結(jié)構(gòu)時，其路表彎沉、面層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變和疲勞壽命與直接加鋪15 cm瀝青混凝土的各項指標(biāo)相差不大，個別情況下甚至優(yōu)于后者。無論從經(jīng)濟性能，還是從力學(xué)性能分析，舊水泥混凝土路面破碎后采用半剛性基層+10 cm瀝青混凝土作為加鋪層結(jié)構(gòu)是可行的。通過有限元計算表明，采用二灰碎石、水泥石灰碎石和新級配水穩(wěn)碎石作為加鋪層結(jié)構(gòu)的基層更為合理。

[1]王松根,張玉宏,曹茂坤,等.水泥混凝土路面碎石化改造技術(shù)應(yīng)用與探討[J].公路.2004(5):31-35.

[2]黃曉明,張玉宏,李 昶,等.水泥混凝土路面碎石化層應(yīng)力強度因子有限元分析[J].公路交通科技.2006,23(2):52-56.

[3]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]王松根,張玉宏.舊水泥混凝土路面碎石改造技術(shù)應(yīng)用與探討[J].公路,2004(5):31-35.

[5]王松根,張玉宏.舊水泥混凝土路面碎石化再生技術(shù)研究與應(yīng)用[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）,2006(11).

[6]侯利國,馬建青,呂偉民.混凝土面板碎石化承載能力的評定[J].養(yǎng)護機械與施工技術(shù),2006(3):26-29.

[7]嘉木工作室.ANSYS 5.7有限元實例分析教程[M].北京:機械工程出版社,2002.