舊水泥混凝土路面加瀝青面層抗剪切破壞分析研究

戴佑才，鄧 蓉

(1.湖南路橋建設(shè)集團(tuán)公司，湖南長(zhǎng)沙 410004;2.湖南省永吉高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410003)

0 前言

目前我省上世紀(jì)90年代修筑高速公路、地方公路、城市道路等大量采用水泥混凝土路面，目前均處于大修改造時(shí)期。高速公路有長(zhǎng)益高速、潭耒高速、潭邵高速湘潭段、衡棗高速衡陽(yáng)段等等;地方公路有老107國(guó)道以及許多省道和縣道;對(duì)城市道路而言，目前長(zhǎng)沙市已基本完成白加黑或白改黑的改造，省內(nèi)其他城市還有大量的舊混凝土路面需要進(jìn)行加鋪改造。目前在舊混凝土路面上直接加鋪瀝青面層是改造舊混凝土路面最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的方法，在省內(nèi)外舊混凝土路面改造工程中大量使用。在舊混凝土路面上加鋪瀝青層，其重點(diǎn)考慮的問(wèn)題有兩點(diǎn):其一如何防止舊混凝土板的接裂縫產(chǎn)生的反射裂縫;第二就是如何防止瀝青層產(chǎn)生高溫剪切流動(dòng)性變形，比如車(chē)轍、推移等。本文對(duì)舊混凝土路面加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)的加鋪層內(nèi)部進(jìn)行剪應(yīng)力計(jì)算分析，以防止舊混凝土路面加鋪瀝青層發(fā)生車(chē)轍破壞。

1 常用的舊混凝土路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)組合

為更好地研究分析舊混凝土路面加鋪瀝青層內(nèi)部剪應(yīng)力分析，根據(jù)目前省內(nèi)多條道路舊混凝土路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案，初擬了以下的幾種典型結(jié)構(gòu):

1)結(jié)構(gòu)方案一。在我省長(zhǎng)潭高速大修改造、長(zhǎng)益高速大修(在建)采用，一般適用于重交通、特重交通高速公路，其主要特點(diǎn)是增加了一層連續(xù)配筋混凝土補(bǔ)強(qiáng)層，其典型結(jié)構(gòu)組合如下:4 cm改性瀝青混凝土+6 cm改性瀝青混凝土+18 cm連續(xù)配筋混凝土面層+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm舊水泥穩(wěn)定砂礫底基層。

2)結(jié)構(gòu)方案二。在我省長(zhǎng)永高速大修改造采用，一般適用于重交通高速公路，其典型結(jié)構(gòu)組合如下:4 cm改性瀝青混凝土+5 cm中粒式改性瀝青混凝土+6 cm粗粒式瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm舊水泥穩(wěn)定砂礫底基層。

3)結(jié)構(gòu)方案三。在我省長(zhǎng)沙、邵陽(yáng)、婁底許多舊城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其結(jié)構(gòu)組合如下:4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土+6 cm中粒式改性瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm舊水泥穩(wěn)定砂礫底基層。

4)結(jié)構(gòu)方案四。在近年我省長(zhǎng)沙、婁底許多舊城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其結(jié)構(gòu)組合如下:5 cm中粒式橡膠瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩(wěn)定碎石基層+15 cm舊水泥穩(wěn)定砂礫底基層。

2 理論分析基礎(chǔ)及設(shè)計(jì)參數(shù)的取值

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

為分析舊混凝土路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力，確定各結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表1所示，計(jì)算理論采用目前規(guī)范所采用的彈性層狀體系，計(jì)算軟件采用BISAR3.0，計(jì)算坐標(biāo)及圖例見(jiàn)圖1。

表1 各結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參數(shù)取值

2.2 剪應(yīng)力分析的計(jì)算模型

瀝青面層在力學(xué)性質(zhì)上屬于非線性的彈—粘—塑性體，但考慮到行駛車(chē)輛作用的瞬時(shí)性(百分之幾秒)，在路面結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)量很小，所以對(duì)于厚度較大、強(qiáng)度較高的高等級(jí)路面，將其視作線性彈性體并應(yīng)用彈性層狀體系理論進(jìn)行分析計(jì)算是合適的，我國(guó)與大部分國(guó)家的現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法均是以該理論為基礎(chǔ)的。

在進(jìn)行彈性層狀體系理論分析時(shí)，一般引入以下的假設(shè)(與規(guī)范設(shè)計(jì)理論的相同)，即假設(shè)研究對(duì)象為彈性半空間體，各層均是連續(xù)的、完全彈性的(在進(jìn)行損壞分析時(shí)考慮非線性因素)、均勻的、各向同性的，以及位移和形變是微小的，且無(wú)限遠(yuǎn)處其應(yīng)力、形變和位移均為0。

荷載采用設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)荷載型式，即單軸——雙輪組，軸重P=100 kN，輪胎接地壓強(qiáng)p=0.7 MPa，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑 d=2δ=21.3 cm，兩輪中心距為1.5d。為了分析的可比性，都采用相同的輪胎接地壓強(qiáng)、當(dāng)量圓直徑、兩輪中心距。研究路面的位置作用點(diǎn)為 A(0，0.159 8)、B(0，0.053 3)、C(0，0.266 3)、D(0.106 5，0.159 8)、E(－0.106 5，0.159 8)、F(0.053 2，0.159 8)、G(－0.053 2，0.159 8)、H(0.079 9，0.159 8)以及其縱向不同位置的點(diǎn)，記為 Az、Bz、Cz、Dz、Ez、Fz、Gz、Hz(Z表示距地表的深度值，單位為cm)。其平面位置見(jiàn)圖1，采用殼牌公司開(kāi)發(fā)的彈性層狀體系計(jì)算分析軟件 BISAR3.0。

圖1 平面位置示意圖

3 各結(jié)構(gòu)方案剪應(yīng)力分析結(jié)果

3.1 結(jié)構(gòu)方案一

用于舊混凝土損壞相當(dāng)嚴(yán)重的路段，在舊混凝土上增加了18 cm連續(xù)配筋混凝土補(bǔ)強(qiáng)層，其A、B、C、D、E、F、G點(diǎn)各點(diǎn)各深度處的最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

從計(jì)算結(jié)果及示意圖可以看出:

1)當(dāng)無(wú)水平力時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)6 cm深處，最大值為0.257 5 MPa;

2)當(dāng)考慮正常行駛狀態(tài)水平力系數(shù)F=0.1時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在E點(diǎn)表面，最大值為0.268 2 MPa;

3)當(dāng)考慮長(zhǎng)大上坡或緊急剎車(chē)狀態(tài)水平力系數(shù) F=0.2時(shí)，在 E點(diǎn)表面，最大值為0.434 6 MPa。

圖2 不同水平力系數(shù)時(shí)各位置的剪應(yīng)力分布圖(一)

3.2 結(jié)構(gòu)方案二

直接在舊混凝土加鋪較厚的瀝青層，用于舊混凝土損壞不嚴(yán)重的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 點(diǎn)各點(diǎn)各深度處的最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

從計(jì)算結(jié)果及示意圖可以看出:

1)當(dāng)無(wú)水平力時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)8 cm深處，最大值為0.248 0 MPa;

2)當(dāng)考慮正常行駛狀態(tài)水平力系數(shù)F=0.1時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力仍出現(xiàn)在A點(diǎn)8 cm深處，最大值為0.248 5 MPa;

3)當(dāng)考慮長(zhǎng)大上坡或緊急剎車(chē)狀態(tài)水平力系數(shù) F=0.2時(shí)，在 E點(diǎn)表面，最大值為0.408 9 MPa。

3.3 結(jié)構(gòu)方案三

直接在舊混凝土加鋪較薄的瀝青層，用于舊混凝土損壞很少的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 點(diǎn)各點(diǎn)各深度處的最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖3 不同水平力系數(shù)時(shí)各位置的剪應(yīng)力分布圖(二)

從計(jì)算結(jié)果及示意圖可以看出:

1)當(dāng)無(wú)水平力時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)6 cm深處，最大值為0.249 7 MPa;

2)當(dāng)考慮正常行駛狀態(tài)水平力系數(shù)F=0.1時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在E點(diǎn)表面，最大值為0.262 2 MPa;

3)當(dāng)考慮長(zhǎng)大上坡或緊急剎車(chē)狀態(tài)水平力系數(shù) F=0.2時(shí)，在 E點(diǎn)表面，最大值為0.428 7 MPa。

3.4 結(jié)構(gòu)方案四

直接在舊混凝土加鋪很薄的瀝青層，一般采用橡膠瀝青混凝土，用于舊混凝土損壞很少的路段，且重型車(chē)輛很少，一般為城市道路，其 A、B、C、D、E、F、G、H點(diǎn)各點(diǎn)各深度處的最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖4 不同水平力系數(shù)時(shí)各位置的剪應(yīng)力分布圖(三)

從計(jì)算結(jié)果及示意圖可以看出:

1)當(dāng)無(wú)水平力時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在H點(diǎn)2 cm深處，最大值為0.236 4 MPa;

2)當(dāng)考慮正常行駛狀態(tài)水平力系數(shù)F=0.1時(shí)，瀝青層最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在E點(diǎn)表面，最大值為0.253 4 MPa;

3)當(dāng)考慮長(zhǎng)大上坡或緊急剎車(chē)狀態(tài)水平力系數(shù) F=0.2時(shí)，在 E點(diǎn)表面，最大值為0.387 0 MPa。

3.5 對(duì)比分析

通過(guò)綜合計(jì)算分析上述常用的幾種舊混凝土加鋪方式，其結(jié)果見(jiàn)表2，無(wú)論是否考慮水平力，結(jié)構(gòu)方案一的剪應(yīng)力均為最大。對(duì)于直接在舊混凝土路上直接加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)方案二、結(jié)構(gòu)方案三、結(jié)構(gòu)方案四，結(jié)構(gòu)方案三的剪應(yīng)力最大。

圖5 不同水平力系數(shù)時(shí)各位置的剪應(yīng)力分布圖(四)

表2 結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)四最大剪應(yīng)力匯總表 MPa

4 結(jié)論

通過(guò)分析舊混凝土路面加鋪瀝青層的瀝青層最大剪應(yīng)力分析，可得出如下結(jié)論:

1)在舊混凝土路面上加鋪瀝青層，不但要認(rèn)真考慮防反射裂縫問(wèn)題，而且要著重防止高溫車(chē)轍問(wèn)題;加鋪連續(xù)配筋混凝土+瀝青面層，雖然進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)和防反射裂縫功能設(shè)計(jì)，但是也提高了瀝青層內(nèi)部的剪應(yīng)力，增大了車(chē)轍病害產(chǎn)生的可能性，因此在瀝青層的材料設(shè)計(jì)中應(yīng)提高其抗剪強(qiáng)度，采用抗車(chē)轍能力的瀝青混合料，比如改性瀝青混合料、高模量瀝青混合料、添加抗車(chē)轍劑等。

2)對(duì)于在舊混凝土路上直接加鋪瀝青層的結(jié)構(gòu)方案，瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力首先隨著瀝青層的增加而增加，到瀝青層厚度為10～12 cm達(dá)到最大;之后隨著加鋪瀝青層厚度的增加而減少。

3)對(duì)于舊混凝土路上加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)方案時(shí)，瀝青層0～10 cm深度范圍均存在較大的剪應(yīng)力，考慮水平力系數(shù)為0.2，最大達(dá)到0.4 MPa以上，因此在深度0～10 cm范圍內(nèi)均要采用抗車(chē)轍能力強(qiáng)的瀝青混合料，比如改性瀝青混合料或橡膠瀝青混合料，必要時(shí)還應(yīng)摻加抗車(chē)轍劑。

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