成綿高速路面改造工程瀝青加鋪層力學(xué)分析

鄢桂龍

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

成綿高速路面改造工程瀝青加鋪層力學(xué)分析

鄢桂龍

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院)

以成綿高速公路路面改造工程為依托，通過室內(nèi)足尺模型試驗(yàn)，研究不同碎石化程度下，路面結(jié)構(gòu)力學(xué)行為。研究表明:破碎層的破碎粒徑是決定瀝青加鋪層路用性能的重要因素，碎石化程度較高的瀝青加鋪層(模型Ⅱ)的抗疲勞特性明顯優(yōu)于碎石化程度較低的加鋪層(模型Ⅰ)。

道路改造;碎石化;瀝青加鋪層;力學(xué)分析;抗疲勞特性

0 引言

隨著道路使用年限的增長，原有水泥混凝土路面在交通荷載及環(huán)境條件的共同作用下，必然會產(chǎn)生各種形式的破壞，進(jìn)而影響行車安全。因而，對原有水泥混凝土路面的改造變得越來越重要。目前對水泥混凝土路面的改造主要分為兩種:(1)在原有水凝混凝土路面的基礎(chǔ)上直接加鋪新的水泥混凝土面層(即白加白);(2)將原有損壞的水泥混凝土破碎(即碎石化)，作為基層基礎(chǔ)加鋪瀝青混凝土面層(即白加黑)。白加黑的關(guān)鍵技術(shù)是對面層反射裂縫的控制，大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明:碎石化程度的好壞直接影響加鋪層的結(jié)構(gòu)性能。因而，碎石化程度成為白加黑技術(shù)的關(guān)鍵因素。

1 工程概況

成綿高速從1997年建成通車以來，已運(yùn)營了10多年，是連接四川省南北的交通運(yùn)輸大動脈，為四川的經(jīng)濟(jì)做出了突出的貢獻(xiàn)。但是，隨著使用年限的增長和平均日交通流量的不斷增大，原有水泥混凝土路面出現(xiàn)了不同程度的損壞，對駕駛員及旅客造成嚴(yán)重威脅。相關(guān)部門決定對其進(jìn)行改造，將原有水泥混凝土面層進(jìn)行碎石化，作為基層的基礎(chǔ)，重新鋪筑瀝青混凝土面層(即白加黑)。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒?/h3>

為了探討不同碎石化程度對瀝青加鋪層的影響，結(jié)合成綿高速公路道路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過建立室內(nèi)足尺模型，分兩種工況進(jìn)行平行疲勞性能試驗(yàn)。對相同的條件水泥混凝土路面，以不同的破碎能量將其破碎到不同的破碎粒徑，再以相同的壓實(shí)功將其壓實(shí)到規(guī)范要求的壓實(shí)度作為新路面的基層，然后在其上面鋪筑相同厚度的瀝青混凝土面層。兩種工況模型如下。

模型Ⅰ:40 cm的土基+10 cm的水泥穩(wěn)定基層+30 cm的破碎水泥混凝土板(碎石表層破碎粒徑≤15 cm，破碎深度10 cm)+10 cm的瀝青加鋪面層。

模型Ⅱ:40 cm的土基+10 cm的水泥穩(wěn)定基層+30 cm的破碎水泥混凝土板(碎石表層破碎粒徑≤7.5 cm，破碎深度10 cm)+10 cm的瀝青加鋪面層。

2.2 水泥混凝土破碎

舊水泥混凝土碎石化程度高低直接影響路面加鋪層的路用性能。如果破碎時能量過小，破碎粒徑較大則不能消除舊水泥混凝土對加鋪層的不良影響，導(dǎo)致面層反射裂縫較多，降低加鋪瀝青面層的長期路用性能;反之，如果破碎能量過大，舊水泥混凝土被“粉末化”難以壓實(shí)，相互之間難以形成嵌擠結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致新路面基層強(qiáng)度較低，從而增大了面層彎沉，瀝青層底彎拉應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生疲勞破壞。

因此，采用合適的破碎沖擊能量是保證破碎效果的重要因素。由于場地等條件的限制，本試驗(yàn)采用空壓氣錘將舊水泥混凝土破碎到目標(biāo)粒徑，然后用蛙夯將其壓實(shí)到要求壓實(shí)度。破碎壓實(shí)后的篩分曲線如圖1。

圖1 舊水泥混凝土破碎壓實(shí)后的篩分曲線

2.3 數(shù)據(jù)采集

為了探討碎石層碎石化程度與加鋪層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系，并使測試結(jié)果具有可比性，兩種模型采用相同的測點(diǎn)布置方法。試驗(yàn)擬測試變量為瀝青層底的應(yīng)變、累計(jì)應(yīng)變、面層表面位移、土基層頂?shù)膽?yīng)力。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

破碎后的碎石層作為新瀝青混凝土路面的基層，不僅要起到承受車輛荷載產(chǎn)生的豎向力作用，還要起分散豎向力的作用，即將車輛荷載力均勻分散到路面各結(jié)構(gòu)層。因此，要求碎石層要有足夠的強(qiáng)度，碎石層顆粒粒徑組成決定碎石層強(qiáng)度。模型Ⅰ和模型Ⅱ除碎石層破碎粒徑組成不同外，其它條件均相同，因此，碎石化程度不同是導(dǎo)致試驗(yàn)不同結(jié)果的唯一因素。

向模型Ⅰ和模型Ⅱ加載50 kN正弦力60萬次，所測得的荷載中心處瀝青層底應(yīng)變值如圖2所示。從圖中可以看出:瀝青層底的拉應(yīng)變隨荷載作用次數(shù)的增加而增大;模型Ⅰ瀝青加鋪層層底拉應(yīng)變大于模型Ⅱ?qū)拥桌瓚?yīng)變。由于試驗(yàn)采用的荷載較小，達(dá)不到是瀝青混凝土出現(xiàn)非線性變形的條件，即可以認(rèn)為瀝青加鋪層層底拉應(yīng)變處于彈性變形階段，將層底拉應(yīng)變進(jìn)行線性擬合得模型Ⅰ層底縱向拉應(yīng)變與荷載次數(shù)的關(guān)系方程ε=-0.864n-1.955;模型Ⅱ?qū)拥卓v向拉應(yīng)變與荷載次數(shù)的關(guān)系方程為ε=-0.364n+4.436，n為荷載作用次數(shù)(萬次)。從以上關(guān)系式方程可以看出:模型Ⅰ的層底拉應(yīng)變增長率是模型Ⅱ的2倍，從發(fā)展規(guī)律來看，模型Ⅰ會早于模型Ⅱ進(jìn)入疲勞破壞階段，即碎石化破碎粒徑較小的模型Ⅱ抗疲勞能力要優(yōu)于破碎粒徑較大的模型Ⅰ。

圖2 模型Ⅰ、Ⅱ?yàn)r青加鋪層層底中心處應(yīng)變值

4 結(jié)論

(1)在用白加黑技術(shù)進(jìn)行路面改造的過程中，水泥混凝土的破碎粒徑是決定瀝青加鋪層路用性能的重要因素。

(2)在相同荷載水平及環(huán)境條件下，碎石化程度較高的模型Ⅱ的層底拉應(yīng)變和應(yīng)變增長率要明顯小于碎石化程度較低的模型Ⅰ，因此，模型Ⅱ的瀝青加鋪層抗疲勞特性要優(yōu)于模型Ⅰ。

［1］萬偉.道路白加黑碎石化技術(shù)研究［D］.華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［2］張玉宏.水泥混凝土路面碎石化綜合技術(shù)研究［D］.東南大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

［3］郭林泉，周玉民，談至明.碎石化就混凝土路面上瀝青加鋪層應(yīng)力及頂面模量［J］.公路交通科技，2009.

［4］符冠華，倪富健，戰(zhàn)高峰.舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層反射裂縫疲勞試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2000.

［5］張泉，陸陽，楊智敏，等.碎石化混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析［J］.公路交通科技，2009.

U416.217

C

1008-3383(2012)07-0001-01

2012-03-08

鄢桂龍(1985-)，男，湖北仙桃人，助理工程師，研究方向:公路工程。