MHB碎石化后瀝青加鋪層應(yīng)力有限元研究

尚志剛，王玉平

（1.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市 300073；2.長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064）

0 前言

板底脫空、接縫錯(cuò)臺(tái)等是水泥路面常見(jiàn)的病害，且病害發(fā)生后路面難以修復(fù)，國(guó)外在處理舊水泥路面的過(guò)程中形成了原位再生利用的MHB碎石化技術(shù)，該技術(shù)具有工程造價(jià)低、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、消除加鋪層的反射裂縫等優(yōu)點(diǎn)。

2002年，我國(guó)首次從國(guó)外引進(jìn)MHB碎石化技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)一些道路中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了一些成果，但對(duì)碎石化層的力學(xué)性能研究還較少，且目前的研究大都沒(méi)有考慮碎石化松散層的作用，與實(shí)際情況不符，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)碎石化層對(duì)加鋪層的應(yīng)力影響作用，本文建立了考慮松散層的碎石化結(jié)構(gòu)有限元模型。

1 松散層的作用分析

舊水泥路面碎石化后，根據(jù)形成顆粒的物理特性沿豎向把舊水泥路面碎石化后分為表面松散層、碎石化層上部及碎石化層下部三層，其中松散層厚約2～5 cm、碎石化層上部厚約10 cm、碎石化層下部厚約10 cm，見(jiàn)圖1。

圖1 舊水泥路面碎石化后結(jié)構(gòu)分層

各層由于吸收能量多少的不同，粒徑相差較大。舊水泥路面表層與MHB設(shè)備的錘頭直接接觸，吸收的能量最充分，碎石化后成鱗片狀，同時(shí)由于受到破碎設(shè)備的振動(dòng)較大，破碎后的片狀顆粒在表面形成松散狀的一層。該層經(jīng)Z型壓路機(jī)和光輪壓路機(jī)進(jìn)一步的破碎壓實(shí)后，顆粒間的聯(lián)結(jié)有所加強(qiáng)，該層強(qiáng)度的形成原理與碎石材料相似，可把該層看做松散粒料類材料，但破碎后松散層呈現(xiàn)開(kāi)放狀態(tài)，容易受到大氣降水的影響（見(jiàn)圖2）。

圖2 碎石化松散層

基于以上原因，推薦對(duì)松散層進(jìn)行一定的技術(shù)處理。目前，國(guó)內(nèi)常采用在碎石化后灑布乳化瀝青透層油并拋灑石屑的方法（碎石化層撒布透層油后見(jiàn)圖3）。乳化瀝青可以增強(qiáng)松散層和碎石化上部頂層的聯(lián)系，透層油灑完后應(yīng)撒布適量石屑，但由于石屑不能填滿顆粒間的縫隙，該層次形成骨架-空隙結(jié)構(gòu)。透層瀝青的規(guī)格和質(zhì)量均按《公路瀝青路面施工規(guī)范》有關(guān)規(guī)定選用，用于透層油的液體瀝青用量為2.5～3 kg/m2，其中瀝青含量50%～55%，然后，灑布用量為2～3 m3/1 000 m2的碎石一層，但碎石用量不宜過(guò)多。碎石灑布完立即用20 t的光輪壓路機(jī)穩(wěn)壓兩遍，壓實(shí)效果以不粘輪為準(zhǔn)。

圖3 撒布透層油后的碎石化層

松散層處理后具有一定正面作用，如松散層顆粒粒徑較小，因此容易吸收下部層次的不均勻沉降等，其作用類似于應(yīng)力吸收層，對(duì)消除瀝青加鋪層的反射裂縫有很大的作用。因此，在建立有限元模型時(shí)不能將該層次省略，本文首次在有限元模型中獎(jiǎng)松散層看做一層，其厚度為為4 cm的均有一層。

2 有限元模型的建立

2.1 邊界條件及模型的假設(shè)

（1）瀝青加鋪層、碎石化層、舊基層、地基等都為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體；

（2）新建瀝青混凝土面層兩端橫截面上的水平位移為零；

（3）原基層及土基底面各向位移為零，側(cè)面水平方向位移為零；

（4）碎石化層為板單元，路基采用彈性地基；

（6）各層層間豎向、水平向位移均連續(xù)；

（7）層間完全連續(xù)，不計(jì)路面結(jié)構(gòu)自重，

（8）各層在水平方向均為無(wú)限長(zhǎng)，但厚度均有限；

（9）瀝青面層表面自由，在其上作用均布垂直荷載和水平荷載。

2.2 路面結(jié)構(gòu)尺寸及材料參數(shù)

由上述分析可知，混凝土顆粒粒徑沿豎向逐漸增大，可分為三個(gè)層次。其中，松散層強(qiáng)度較低，屬松散粒料，其性能類似于級(jí)配碎石，可將其簡(jiǎn)化為4 cm的級(jí)配碎石；碎石化層上部類似于瀝青穩(wěn)定粒料，將其簡(jiǎn)化為連續(xù)均勻的一層；石化層下部顆粒粒徑較大，塊體粒徑約為30 cm，塊體相對(duì)于水泥板來(lái)說(shuō)較小，因此無(wú)法和水泥板一樣靠板體的撓曲擴(kuò)散荷載，本文將其簡(jiǎn)化為存在大量較寬裂縫的水泥混凝土塊層，在有限元建模時(shí)仍將其看作線彈性體。

（1）瀝青加鋪層采用三層，其模量依次取1 400MPa、1 200 MPa、1 000 MPa，各層泊松比均采用μ=0.25；

（2）松散層模量取50 MPa，其泊松比為0.3，厚度為4 cm；

（3）碎石化層上部類似于瀝青穩(wěn)定粒料，其厚度和模量根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究資料分別取10 cm、207 MPa；

（4）碎石化層下部厚度和模量根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有成果分別取10 cm、3 450 MPa；

（5）舊路基層與土基看做一層，其厚度和模量根據(jù)現(xiàn)有資料分別取300 cm、157 MPa；

（6）荷載采用規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)荷載BZZ-100，輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa。

3 碎石化層與級(jí)配碎石層上瀝青加鋪層對(duì)比

3.1 碎石化層上加鋪瀝青混凝土面層的有限元計(jì)算

模型各層結(jié)構(gòu)的尺寸及材料參數(shù)見(jiàn)表1，考慮松散層時(shí)的計(jì)算模型示意和有限元模型見(jiàn)圖4、圖 5。

表1 考慮松散層路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

圖4 考慮松散層時(shí)的計(jì)算模型示意圖

圖5 考慮松散層時(shí)有限元模型

3.2 級(jí)配碎石上加鋪瀝青混凝土面層的有限元計(jì)算

傳統(tǒng)的處理方法如在舊水泥混凝土板或半剛性基層上加鋪瀝青混凝土面層后，反射裂縫成為加鋪層的主要病害，而在級(jí)配碎石上加鋪瀝層則可以減少反射裂縫的發(fā)生，因此，在舊路基層和新的瀝青加鋪層之間加鋪一定厚度的級(jí)配碎石是一種可行的施工方案。

為對(duì)比分析碎石化層和級(jí)配碎石對(duì)瀝青加鋪層層底應(yīng)力和應(yīng)變的影響，本文建立以級(jí)配碎石為基層，其上加鋪瀝青混凝土路面的的有限元模型。級(jí)配碎石層的模量根據(jù)相關(guān)研究資料取235 MPa，其泊松比為0.35，為使計(jì)算結(jié)果具有可對(duì)比性，級(jí)配碎石層厚度與舊水泥路面厚度相同，本文按舊水泥路面為一級(jí)公路，其厚度取24 cm。計(jì)算模型各層結(jié)構(gòu)的尺寸及材料參數(shù)見(jiàn)表2，等厚度級(jí)配碎石時(shí)的計(jì)算模型示意和有限元模型見(jiàn)圖6、圖7。

表2 級(jí)配碎石時(shí)路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

圖6 級(jí)配碎石基層的計(jì)算模型示意圖

圖7 級(jí)配碎石基層的有限元模型

本文計(jì)算時(shí)主要考慮了荷載作用時(shí)荷載中心下瀝青混凝土加鋪層層底的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變和彎沉隨距荷載中心水平距離的變化情況，對(duì)比分析結(jié)果分別見(jiàn)圖8～圖10，拉應(yīng)力最大值為0.566 MPa。

圖8 瀝青層底拉應(yīng)力分布

圖9 瀝青層底拉應(yīng)變分布

圖10 瀝青層底彎沉分布

4 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以得出如下結(jié)論：

（1）距離荷載中心相同距離時(shí)，碎石化層上加鋪的瀝青層底拉應(yīng)力下，且進(jìn)入受壓區(qū)比級(jí)配碎石要早。

（2）碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應(yīng)力峰值為0.485，同厚度級(jí)配碎石上瀝青加鋪層的層底拉應(yīng)力峰值為0.566，碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應(yīng)力峰值小了0.081MPa，其峰值小了14.3%，距荷載中心水平距離相同位置的拉應(yīng)力則小的更多。

（3）兩種基層上瀝青加鋪層的主應(yīng)力與其拉應(yīng)力的變化規(guī)律類似，碎石化層上瀝青加鋪層的層底主應(yīng)力峰值小了71×10-6，其峰值小了11.1%。

（3）兩種基層上瀝青加鋪層的彎沉與其拉應(yīng)力的變化規(guī)律類似，但兩者彎沉相差不大。

綜上所述，碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應(yīng)力和應(yīng)變峰值均比級(jí)配碎石的要低，其上瀝青層進(jìn)入受壓也較早，這表明碎石化層的強(qiáng)度比級(jí)配碎石要高，改善加鋪層受力狀況的性能更好。分析其原因：碎石化層下部由粒徑較大的混凝土塊體組成，由于其粒徑比該層次的厚度要大，在結(jié)構(gòu)上與塊料路面類似，由粒徑較大的相互間并未完全斷開(kāi)的混凝土塊組成，該結(jié)構(gòu)具有“裂而不碎、聯(lián)鎖咬合和契合良好”的特點(diǎn)，且具有良好的“拱效應(yīng)”。該層具備傳遞剪力的能力，能將豎向壓力變?yōu)樗酵屏?，借以擴(kuò)散荷載，具有比級(jí)配碎石更大強(qiáng)度，所以其相應(yīng)瀝青加鋪層的層底拉應(yīng)力和應(yīng)變峰值要小。

5 結(jié)語(yǔ)

MHB碎石化技術(shù)是一種重要的舊水泥路面處治技術(shù)，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)有限元方法，考慮松散層的作用，對(duì)碎石化后瀝青加鋪層和同厚度級(jí)配碎石層上瀝青加鋪層的層底應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)構(gòu)表明：碎石化層的性能由于同厚度的級(jí)配碎石。

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