李 均,鄒志發(fā)
(深圳惠鹽高速公路有限公司,廣東 深圳 518000)
當(dāng)混凝土路面由于各項(xiàng)使用性能指標(biāo)下降而不能滿足行車要求時(shí),需要對(duì)其功能或結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善和加固。目前,國(guó)內(nèi)主要采用舊水泥路面加鋪瀝青層的設(shè)計(jì)方法[1-4],在破碎后的水泥混凝土面板上加鋪瀝青混凝土層以恢復(fù)舊路服務(wù)質(zhì)量,避免后期加鋪層出現(xiàn)反射裂縫[5-6]。但在設(shè)計(jì)過(guò)程仍采用與新建瀝青路面相同的設(shè)計(jì)理論[7-9],缺乏系統(tǒng)的舊路面加鋪方案、設(shè)計(jì)參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo);同時(shí)需要針對(duì)舊路面加鋪層結(jié)構(gòu)承載能力及舊路面材料利用,進(jìn)一步優(yōu)化加鋪層方案設(shè)計(jì),以明確不同加鋪方案的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性。本文依托惠鹽高速深圳段改擴(kuò)建工程,針對(duì)工程起點(diǎn)至金錢坳段加鋪方案及優(yōu)化方案提出的路面加鋪結(jié)構(gòu)組合,采用有限元方法建立路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,對(duì)不同加鋪結(jié)構(gòu)的彎沉、拉應(yīng)力進(jìn)行全面分析,對(duì)比評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)軸載和重載作用下各方案的力學(xué)響應(yīng)特征,明確各方案的承載能力,為改擴(kuò)建工程選擇路面加鋪方案提供參考。
惠鹽高速公路深圳段是深圳市“七橫十三縱”干線道路網(wǎng)規(guī)劃中的重要干道,起點(diǎn)至金錢坳段為水泥混凝土路面。該路段出港方向?yàn)橹剌d路段,原水泥路面存在斷板、裂縫,進(jìn)港方向輕載路段,原路面狀況良好;結(jié)構(gòu)為:25 cm厚C40混凝土面板、18 cm厚低劑量(3%~4%)水泥穩(wěn)定碎石、15 cm厚填隙碎石。各加鋪方案結(jié)構(gòu)如表1所示,各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表2所示。進(jìn)港方向使用狀況良好,出港方向存在裂縫和斷板病害。近年來(lái)交通量的快速增長(zhǎng),使惠鹽高速路面病害嚴(yán)重,服務(wù)水平逐年下降。本文以惠鹽高速深圳段改擴(kuò)建工程路面加鋪方案為依托,深入研究路面加鋪層結(jié)構(gòu)承載能力,為惠鹽高速深圳段改擴(kuò)建工程起點(diǎn)至金錢坳段加鋪方案的確定提供參考。
表1 路面結(jié)構(gòu)方案
表2 各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)
注:基礎(chǔ)的彈性模量為原路面基層、下基層、墊層和路基的當(dāng)量值
路面結(jié)構(gòu)由瀝青加鋪層、防裂夾層、水泥混凝土路面和基礎(chǔ)構(gòu)成彈性層狀體系[10]。假設(shè)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體,各層層間豎向、水平位移均連續(xù),基礎(chǔ)底面各向位移為零,基礎(chǔ)側(cè)面水平方向位移為零,不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響[11-12];接縫寬度假設(shè)為1 cm,且接縫處無(wú)傳荷能力,基于此建立空間三維模型。薄夾層采用三維薄膜單元,其余各結(jié)構(gòu)層采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元,進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變及位移分析。
擬定計(jì)算參數(shù)如下:水泥混凝土路面板長(zhǎng)度L=5 m,寬度B=4.5 m,厚度h=22 cm。經(jīng)過(guò)對(duì)不同基礎(chǔ)尺寸計(jì)算的誤差分析,基礎(chǔ)擴(kuò)大尺寸擬定為10 m×4.5 m×9 m。行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,輪胎內(nèi)壓為0.7 MPa,單個(gè)輪壓作用范圍為18.9 cm×18.9 cm,接觸面積為357.21 cm2,雙輪間距為32 cm,兩側(cè)輪隙間距為182 cm。采用車輪荷載作用在接縫一側(cè)中部的偏荷載為加鋪層最不利布載方式,如圖1、2所示。
圖1 車輪布載平面
圖2 接縫處車輪荷載示意
對(duì)稱軸上的單側(cè)輪載比雙側(cè)荷載對(duì)加鋪層產(chǎn)生的不利影響更大,因此在計(jì)算時(shí)僅考慮對(duì)稱軸上的單側(cè)荷載作用。圖2中A點(diǎn)為加鋪層底計(jì)算點(diǎn),1、2點(diǎn)為彎沉及彎沉差計(jì)算點(diǎn)。為滿足計(jì)算精度要求,對(duì)各關(guān)鍵部位,如接縫及其附近加鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,經(jīng)過(guò)誤差分析,最后取最小單元邊長(zhǎng)為0.005 m(接縫處)。
3.1.1 不同加鋪層結(jié)構(gòu)的路表彎沉
為了分析不同加鋪層方案的結(jié)構(gòu)承載能力,對(duì)設(shè)計(jì)方案及優(yōu)化方案加鋪層結(jié)構(gòu)在荷載作用下的路表彎沉值進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖3、4所示。
圖3 不同加鋪層結(jié)構(gòu)在荷載作用下的路表彎沉值
圖4 不同加鋪層厚度方案的路表彎沉
分析計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
(1)4種方案中,優(yōu)化方案二的彎沉計(jì)算值相對(duì)較小,其余3種方案路表彎沉值接近;優(yōu)化方案二未破碎原水泥路面,其余方案均在破碎舊水泥路面后加鋪了ATB瀝青穩(wěn)定碎石基層,設(shè)置柔性基層的加鋪層結(jié)構(gòu),因此彎沉值有所增加,增加幅度為17.5%~39.6%。
(2)與設(shè)計(jì)方案一相比,優(yōu)化方案一增加了“兩油一料”,即黏結(jié)層和熱灑瀝青層,2種方案的路表彎沉值基本一致,層間黏結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層彎沉計(jì)算結(jié)果無(wú)影響。
(3)加鋪層厚度不是影響路表彎沉的主要因素,加鋪厚度為11 cm的優(yōu)化方案二的路表彎沉值小于加鋪厚度為25 cm的設(shè)計(jì)方案一、優(yōu)化方案一和31 cm的設(shè)計(jì)方案二。
(4)不同加鋪層厚度方案的路表彎沉結(jié)果說(shuō)明,影響路表彎沉的主要因素是基層結(jié)構(gòu)類型。采用剛性基層結(jié)構(gòu),即使加鋪層厚度較小,也具有較強(qiáng)的承載力。因此,若舊水泥路面使用狀況良好,不進(jìn)行破碎處理,直接加鋪面層具有良好的經(jīng)濟(jì)性。
3.1.2 重載作用對(duì)加鋪層路表彎沉的影響
為了分析重載作用對(duì)路面加鋪層結(jié)構(gòu)路表彎沉的影響,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載(100 kN)和重載(200 kN)作用下各方案的路表彎沉值進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖5所示。
圖5 不同荷載作用下的加鋪層路表彎沉值
分析計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
(1)重載作用下各方案彎沉增長(zhǎng)比例基本一致,荷載由100 kN增加到200 kN,各方案路表彎沉值同樣增加為原來(lái)的2倍。
(2)重載作用下優(yōu)化方案二彎沉值為0.57 mm,小于其他方案,以路表彎沉為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),優(yōu)化方案二對(duì)重載適應(yīng)性較優(yōu),其余3種方案結(jié)構(gòu)承載力基本相同。
3.2.1 不同加鋪層結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力
為了評(píng)價(jià)各方案的抗疲勞開裂性能,對(duì)設(shè)計(jì)方案與優(yōu)化方案的加鋪層底部拉應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析,計(jì)算結(jié)果如表3、4所示。
表3 軸載100 kN下不同方案加鋪層底部拉應(yīng)力
表4 軸載200 kN下不同方案加鋪層底部拉應(yīng)力
分析計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
(1)4種方案上面層、中面層拉應(yīng)力均為負(fù)值,處于受壓狀態(tài),最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在下面層底部及ATB基層底部。其中,設(shè)計(jì)方案二加鋪層底部拉應(yīng)力較小,設(shè)計(jì)方案一與優(yōu)化方案二層底拉應(yīng)力較大。
(2)設(shè)計(jì)方案一中的ATB基層與舊水泥路面碎石化基層之間未采取層間處治措施,層間黏結(jié)強(qiáng)度較低,路面結(jié)構(gòu)整體性降低,加鋪的ATB基層底部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力。
(3)與設(shè)計(jì)方案一相比,優(yōu)化方案二未設(shè)置ATB柔性基層,加鋪層厚度明顯小于設(shè)計(jì)方案一,但在舊水泥路面與加鋪層之間設(shè)置了應(yīng)力吸收層,不同軸載作用下,其層底最大拉應(yīng)力比設(shè)計(jì)方案一減小約6.4%,說(shuō)明應(yīng)力吸收層能夠起到減小加鋪層底部拉應(yīng)力的效果。
3.2.2 重載作用對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力的影響
為了分析重載作用對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力的影響,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)軸載(100 kN)和重載(200 kN)作用下各方案的加鋪層底部最大拉應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖6所示。
圖6 不同軸載作用下的加鋪層底部最大拉應(yīng)力
分析計(jì)算結(jié)果可以得出以下結(jié)論。
(1)重載作用下,4種方案加鋪層底部最大拉應(yīng)力的增長(zhǎng)比例基本相同,荷載由100 kN增加到200 kN,層底最大拉應(yīng)力增長(zhǎng)比例為93.1%~106.0%。
(2)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,各方案結(jié)構(gòu)層底部最大拉應(yīng)力均小于材料劈裂強(qiáng)度0.6~1.0 MPa,重載作用下,設(shè)計(jì)方案一和優(yōu)化方案二層底最大拉應(yīng)力分別為0.618 MPa和0.565 MPa,超過(guò)或接近材料劈裂強(qiáng)度,容易發(fā)生開裂破壞,設(shè)計(jì)方案一和優(yōu)化方案二對(duì)重載適應(yīng)性較差。
(3)以層底最大拉應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),設(shè)計(jì)方案二對(duì)重載適應(yīng)性較優(yōu),優(yōu)化方案一次之。
3.2.3 層間黏結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層底部拉應(yīng)力的影響
為了分析層間黏結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力的影響,以設(shè)計(jì)方案一和優(yōu)化方案一為例,對(duì)相同加鋪層結(jié)構(gòu)在不同層間黏結(jié)狀態(tài)下的各結(jié)構(gòu)層底部拉應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果如圖7所示。
圖7 不同黏結(jié)狀態(tài)下的加鋪層底部拉應(yīng)力
分析以上計(jì)算結(jié)果可以得出以下幾點(diǎn)。
(1)與設(shè)計(jì)方案一相比,優(yōu)化方案一增加了“兩油一料”黏結(jié)層,ATB基層與碎石化基層之間黏結(jié)強(qiáng)度提高,加鋪層底部拉應(yīng)力減小約23.7%,增強(qiáng)層間黏結(jié)狀態(tài)可以有效減小加鋪層底部最大拉應(yīng)力。
(2)重載作用下,未設(shè)置層間處治措施的設(shè)計(jì)方案一層底最大拉應(yīng)力達(dá)到0.618 MPa,大于ATB瀝青碎石最小劈裂強(qiáng)度0.6 MPa,優(yōu)化方案一層底最大拉應(yīng)力為0.468 MPa,對(duì)于重載具有較好的適應(yīng)性。
本文針對(duì)惠鹽高速深圳段改擴(kuò)建工程,采用有限元方法建立了路面結(jié)構(gòu)數(shù)值模型,提出了路面加鋪結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化方案,基于路表彎沉、層底拉應(yīng)力等指標(biāo)對(duì)不同加鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面的力學(xué)響應(yīng)分析。主要研究結(jié)論如下。
(1)對(duì)比4種加鋪方案,設(shè)置柔性基層的加鋪層結(jié)構(gòu)彎沉值增加幅度為17.5%~39.6%,層間黏結(jié)狀態(tài)對(duì)加鋪層彎沉計(jì)算結(jié)果無(wú)影響,剛性基層結(jié)構(gòu)加鋪厚度小、承載力強(qiáng);重載作用下,各方案路表彎沉值增加了2倍,且以路表彎沉為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),優(yōu)化方案二適應(yīng)性最優(yōu)。
(2)重載作用下,設(shè)計(jì)方案二加鋪層底部拉應(yīng)力較小,設(shè)計(jì)方案一與優(yōu)化方案二層底拉應(yīng)力較大;設(shè)計(jì)方案一未采取層間處治措施,其ATB基層底部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力;優(yōu)化方案二設(shè)置了應(yīng)力吸收層,其層底最大拉應(yīng)力比設(shè)計(jì)方案一減小約6.4%。
(3)重載作用下,4種方案層底最大拉應(yīng)力增長(zhǎng)比例為93.1%~106.0%;標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下,各方案層底最大拉應(yīng)力均小于材料劈裂強(qiáng)度;重載作用下,以層底最大拉應(yīng)力為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),對(duì)重載的適應(yīng)性從優(yōu)到劣依次為:設(shè)計(jì)方案二、優(yōu)化方案一、優(yōu)化方案二、設(shè)計(jì)方案一。
(4)優(yōu)化方案一增加了“兩油一料”黏結(jié)層,提高了ATB基層與碎石化基層之間的黏結(jié)強(qiáng)度,加鋪層底部拉應(yīng)力減小了23.7%;重載作用下,優(yōu)化方案一層底最大拉應(yīng)力為0.468 MPa,說(shuō)明其對(duì)重載具有良好的適應(yīng)性。