舊瀝青路面新建半剛性路面結(jié)構(gòu)合理性分析*

姚新宇，彭華，周勝波

（1.廣西交通科學(xué)研究院廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢 430063）

舊瀝青路面新建半剛性路面結(jié)構(gòu)合理性分析*

姚新宇1，彭華2，周勝波1

（1.廣西交通科學(xué)研究院廣西道路材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530007；2.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院，湖北武漢 430063）

采用ANSYS分析新水泥穩(wěn)定碎石層不同厚度、模量衰減條件下各結(jié)構(gòu)層壓應(yīng)變與剪應(yīng)變，并通過檢測(cè)彎沉值計(jì)算路面回彈模量，分析不同厚度新水泥穩(wěn)定碎石層對(duì)路面整體強(qiáng)度的影響。檢測(cè)與計(jì)算結(jié)果表明，新水泥穩(wěn)定碎石層厚度對(duì)路面整體強(qiáng)度具有較大影響，當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石層強(qiáng)度下降到一定程度時(shí)路面結(jié)構(gòu)受力分布會(huì)發(fā)生較大改變，同時(shí)舊瀝青層對(duì)路面結(jié)構(gòu)存在不利影響。

公路；舊路改造；水泥穩(wěn)定碎石基層；舊瀝青層；力學(xué)分析

隨著中國(guó)公路建設(shè)與城市化建設(shè)的加快，舊路改造規(guī)模逐年加大。舊路改造結(jié)構(gòu)形式與改造后的使用壽命和性能逐漸引起國(guó)內(nèi)外專家的關(guān)注。根據(jù)工程條件與使用需求的不同，目前存在“白加黑”、“黑加白”及“白加白”等多種舊路改造形式。Cole L.W.等研究了在舊瀝青路面上進(jìn)行纖維加筋水泥砼罩面的破壞特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它能有效防止路面早期病害，并可應(yīng)用于頻繁制動(dòng)區(qū)域如停車場(chǎng)等。國(guó)內(nèi)不少高校均對(duì)舊路改建路面新結(jié)構(gòu)形式與新材料的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，但結(jié)構(gòu)形式大多局限于“白加黑”。下面依托現(xiàn)有工程與檢測(cè)項(xiàng)目，研究舊半剛性瀝青路面面層經(jīng)過部分銑刨調(diào)平后直接新建半剛性瀝青砼路面的結(jié)構(gòu)性能，探討新建水泥穩(wěn)定碎石層強(qiáng)度與厚度對(duì)路面整體結(jié)構(gòu)的影響，以探索新的舊路改造方式。

1 材料參數(shù)擬定與模型建立

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立長(zhǎng)×寬×高為3 m×3 m×8 m的立方體，其中下承層與路面總厚度為8 m，路面結(jié)構(gòu)層模型根據(jù)工程設(shè)計(jì)圖紙擬定（見表1）。

采用有限元軟件ANSYS中的Solid45單元進(jìn)行離散處理。約束立方體4個(gè)側(cè)面的水平方向位移，允許垂直方向的位移及任意方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，立方體底部進(jìn)行完全約束，立方體上表面為自由面。因取芯鑒定新建結(jié)構(gòu)層之間的接觸條件良好，采用Glue粘結(jié)和下層建立聯(lián)系，新水穩(wěn)層與舊瀝青層采用Canta173接觸單元。根據(jù)有關(guān)研究成果，瀝青面層與半剛性基層之間的摩擦系數(shù)為0.399～0.829，考慮到舊瀝青層與新水穩(wěn)層粘結(jié)并不理想，取摩擦系數(shù)為0.75。為便于計(jì)算和分析，根據(jù)Groenendijk、Ronald Blab及文獻(xiàn)［12］等的研究成果，采用圖1所示荷載分布形式，荷載選用100 k N標(biāo)準(zhǔn)軸載，參數(shù)見表2。

表1 各結(jié)構(gòu)層材料特性及厚度

圖1 車輛荷載接地面積區(qū)域劃分

表2 荷載參數(shù)

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

瀝青路面壽命不僅受到土基模量變化的影響，也受到水穩(wěn)層條件變化的影響，不同水穩(wěn)層模量下路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能不同。因此，選取水穩(wěn)層模量作為路面結(jié)構(gòu)受力影響因素。改變水穩(wěn)層模量為理論模量的100%、50%、75%、25%，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下分析其變化對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響。不同檢測(cè)段新水穩(wěn)層的厚度和模量見表3。

表3 各檢測(cè)段新水穩(wěn)層的厚度和彈性模量

對(duì)不同水穩(wěn)層模量條件時(shí)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下結(jié)構(gòu)層的壓應(yīng)變進(jìn)行分析，得知沿水平方向輪跡中心點(diǎn)處壓應(yīng)變最大、路面結(jié)構(gòu)層中輪跡外邊緣點(diǎn)處剪應(yīng)變最大。因此，選取輪跡中心點(diǎn)作為壓應(yīng)變計(jì)算點(diǎn)、輪跡外邊緣點(diǎn)作為剪應(yīng)變計(jì)算點(diǎn)。

2.1 檢測(cè)段1＃力學(xué)響應(yīng)分析

該路段水泥穩(wěn)定碎石基層為36 cm，其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.1.1 壓應(yīng)變分析

不同模量新水穩(wěn)層條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下最大壓應(yīng)變隨深度的變化見圖2。

圖2 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段1＃不同深度壓應(yīng)變的變化

由圖2可知：隨著水穩(wěn)層模量的逐漸減小，檢測(cè)段1＃上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變小幅度減小，下面層內(nèi)壓應(yīng)變逐漸增大且增幅較大，基層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇^大。水穩(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變減小幅度分別為12.9%、7.1%，下面層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇鶠?01.8%。

2.1.2 剪應(yīng)變分析

不同模量新水穩(wěn)層條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下輪跡外邊緣點(diǎn)水平剪應(yīng)變隨深度的變化見圖3。

圖3 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段1＃不同深度剪應(yīng)變的變化

由圖3可知：隨著水穩(wěn)層模量的減小，檢測(cè)段1＃面層內(nèi)水平剪應(yīng)變逐漸增大，下面層內(nèi)水平剪應(yīng)變?cè)龇笥谏?、中面層，基層?nèi)剪應(yīng)變?cè)龇畲?。水穩(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇謩e為29.5%、33.5%，下面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇鶠?8.2%。

2.2 檢測(cè)段2＃力學(xué)響應(yīng)分析

該路段水泥穩(wěn)定碎石基層為30 cm，其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.2.1 壓應(yīng)變分析

新水穩(wěn)層不同模量條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下最大壓應(yīng)變隨深度的變化見圖4。

圖4 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段2＃不同深度壓應(yīng)變的變化

由圖4可知：隨著水穩(wěn)層模量的逐漸減小，檢測(cè)

段2＃上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變小幅度減小，下面層內(nèi)壓應(yīng)變逐漸增大且增幅較大，基層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇^大。水穩(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變減小幅度分別為12.1%、7.0%，下面層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇鶠?02.1%。

2.2.2 剪應(yīng)變分析

新水穩(wěn)層不同模量條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下輪跡外邊緣點(diǎn)水平剪應(yīng)變隨深度的變化見圖5。

圖5 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段2＃不同深度剪應(yīng)變的變化

由圖5可知：隨著水穩(wěn)層模量的減小，檢測(cè)段2＃面層內(nèi)水平剪應(yīng)變逐漸增大，下面層內(nèi)水平剪應(yīng)變?cè)龇笥谏?、中面層，基層?nèi)剪應(yīng)變?cè)龇畲蟆Ｋ€(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇謩e為28.3%、31.8%，下面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇鶠?3.9%。

2.3 檢測(cè)段3＃力學(xué)響應(yīng)分析

該路段水泥穩(wěn)定碎石基層為18 cm，其余結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.3.1 壓應(yīng)變分析

新水穩(wěn)層不同模量條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下最大壓應(yīng)變隨深度的變化見圖6。

圖6 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段3＃不同深度壓應(yīng)變的變化

由圖6可知：隨著水穩(wěn)層模量的逐漸減小，檢測(cè)段3＃上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變小幅度減小，下面層內(nèi)壓應(yīng)變逐漸增大且增幅較大，基層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇^大。水穩(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)壓應(yīng)變減小幅度分別為9.6%、5.7%，下面層內(nèi)壓應(yīng)變?cè)龇鶠?08.1%。

2.3.2 剪應(yīng)變分析

新水穩(wěn)層不同模量條件下，標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下輪跡外邊緣點(diǎn)水平剪應(yīng)變隨深度的變化見圖7。

圖7 水穩(wěn)層模量改變時(shí)檢測(cè)段3＃不同深度剪應(yīng)變的變化

由圖7可知：隨著水穩(wěn)層模量的減小，檢測(cè)段3＃面層內(nèi)水平剪應(yīng)變逐漸增大，下面層內(nèi)水平剪應(yīng)變?cè)龇笥谏?、中面層，基層?nèi)剪應(yīng)變?cè)龇畲?。水穩(wěn)層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇謩e為23.3%、24.3%，下面層內(nèi)剪應(yīng)變?cè)龇鶠?5.0%。

3 路面整體強(qiáng)度分析

路表彎沉是路面各結(jié)構(gòu)層（包括土基）各自變形的綜合結(jié)果，該變形在一定程度上反映路面各結(jié)構(gòu)層及土基的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)通過路表彎沉反算路面當(dāng)量回彈模量，可反映路面結(jié)構(gòu)整體抗剪強(qiáng)度。通過貝克曼梁法對(duì)3個(gè)檢測(cè)段路面彎沉進(jìn)行測(cè)量，并采用式（1）、式（2）分別反算其路面當(dāng)量回彈模量，結(jié)果見表4。

各路段彎沉值計(jì)算公式為：

式中：l為路段內(nèi)實(shí)測(cè)路表彎沉平均值（0.01 mm）；Za為與保證率相關(guān)的系數(shù)，高速公路、一級(jí)公路Za=1.645，其他公路瀝青路面Za=1.5；S為路段內(nèi)實(shí)測(cè)路面彎沉標(biāo)準(zhǔn)差；K1、K2分別為季節(jié)影響系數(shù)和濕度影響系數(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定；K3為溫度修正系數(shù)，可按照《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》的規(guī)定或條文說明或當(dāng)?shù)氐膶?shí)測(cè)資料進(jìn)行修正。

原路面的當(dāng)面回彈模量計(jì)算公式為：

式中：p、δ分別為標(biāo)準(zhǔn)車型的輪胎接地壓強(qiáng)（MPa）和當(dāng)量圓半徑（cm）；l0為原路面的計(jì)算彎沉（0.01 mm）；m1為用標(biāo)準(zhǔn)軸載汽車在原路面上測(cè)得的彎沉值與用承載板在相同壓強(qiáng)條件下所測(cè)回彈變形值之比，即輪板對(duì)比值，根據(jù)各地的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果論證地確定，在沒有對(duì)比試驗(yàn)資料的情況下取m1=1.1（輪隙彎沉法）；m2為原路面當(dāng)量回彈模量擴(kuò)大系數(shù)，取1.0。

表4 路面當(dāng)量回彈模量計(jì)算結(jié)果

由表4可知：檢測(cè)段2＃所測(cè)彎沉值比檢測(cè)段1＃平均高65.5%，相應(yīng)地路面回彈模量低23.7%；檢測(cè)段3＃所測(cè)彎沉值比檢測(cè)段2＃平均高25.0%，相應(yīng)地路面回彈模量低6.4%。且檢測(cè)段3＃車轍、坑槽、網(wǎng)裂等路面病害現(xiàn)象比檢測(cè)段2＃更顯著，說明水泥穩(wěn)定碎石層厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度具有很大貢獻(xiàn)。

4 結(jié)論

（1）新水泥穩(wěn)定碎石層是路面承載能力的重要組成部分，決定路面的整體強(qiáng)度。

（2）新水泥穩(wěn)定碎石層的強(qiáng)度穩(wěn)定性影響路面的使用壽命，隨著新水穩(wěn)層模量的下降，各結(jié)構(gòu)層同深度剪、壓應(yīng)變都有一定程度增大；當(dāng)新水穩(wěn)層模量下降到25%時(shí)，會(huì)在路面深度12～40 cm處出現(xiàn)較大的壓、剪應(yīng)變區(qū)域；新水穩(wěn)層強(qiáng)度衰減會(huì)加劇這一區(qū)域結(jié)構(gòu)層的破壞，影響路面整體強(qiáng)度。

（3）舊瀝青層對(duì)路面壽命存在不利影響；新水穩(wěn)層越厚，在舊瀝青面層深度范圍內(nèi)的剪、壓應(yīng)變?cè)酱?，舊瀝青層較大的應(yīng)變會(huì)加劇新水穩(wěn)層的破壞，影響路面壽命。

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2016-05-24

廣西壯族自治區(qū)交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（桂科教發(fā)2015-261-1-12）