舊水泥路面碎石化加鋪粒料基層瀝青罩面結(jié)構(gòu)重載力學(xué)響應(yīng)研究

黃錦 黃慧

摘要：舊水泥路面破損較重時(shí)，為減少道路棄渣和綜合利用舊路，采用碎石化技術(shù)進(jìn)行瀝青罩面是一種綠色循環(huán)利用技術(shù)。舊水泥路面碎石化后加鋪級(jí)配碎石進(jìn)行強(qiáng)度均勻、過(guò)渡、增強(qiáng)后再進(jìn)行瀝青罩面已在廣西地區(qū)應(yīng)用十分廣泛，工程實(shí)踐效果良好。但隨著重載交通的發(fā)展，需對(duì)該結(jié)構(gòu)重載作用下的適應(yīng)性進(jìn)行研究。文章針對(duì)舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石過(guò)渡層瀝青罩面結(jié)構(gòu)，利用有限元建模計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的承載力（彎沉）與應(yīng)力重載的敏感性，可為廣西地區(qū)乃至全國(guó)舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：碎石化;粒料基層;瀝青罩面;重載;承載力;應(yīng)力分布

0 引言

水泥路面在公路工程中發(fā)揮了極其重要的作用，隨著水泥路面運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，路面病害增多，大量的水泥路面面臨著大修，經(jīng)濟(jì)適用型舊水泥路面大修結(jié)構(gòu)技術(shù)需求迫切。當(dāng)舊水泥混凝土路面斷板率較高、損壞面積較大時(shí)，可對(duì)舊水泥混凝土面板先進(jìn)行破裂和穩(wěn)固后再加鋪瀝青面層罩面。在舊水泥路面大修或改造工程中，碎石化瀝青罩面技術(shù)是充分利用舊路剩余強(qiáng)度價(jià)值和綜合循環(huán)利用舊路最重要的技術(shù)手段，分析研究舊路碎石化加鋪罩面結(jié)構(gòu)使用性能與耐久性具有重要實(shí)用價(jià)值。對(duì)舊水泥混凝土進(jìn)行碎石化瀝青罩面，具有較好的抗車(chē)轍、抗疲勞性能，也具有較好的適用性與工程經(jīng)濟(jì)性，是一種耐久經(jīng)濟(jì)環(huán)保型舊路改造加鋪技術(shù)[1]。

1 碎石化加鋪改造結(jié)構(gòu)

對(duì)舊水泥路面進(jìn)行碎石化加鋪改造是一項(xiàng)綠色環(huán)保、道路資源再生循環(huán)利用的路面再生技術(shù)，是舊水泥路面大修或改造工程中最重要的綜合利用技術(shù)手段。其技術(shù)特點(diǎn)為：水泥混凝土路面使用狀況較差時(shí)，對(duì)舊水泥混凝土面板進(jìn)行碎石化，經(jīng)破碎，舊路面板由不均一損壞的“大板塊”轉(zhuǎn)化為均勻穩(wěn)定散體的“小板塊”，舊水泥混凝土碎石化層所受溫度應(yīng)力及荷載應(yīng)力大大減小。同時(shí)經(jīng)過(guò)碎石化和施工碾壓成型，碎石化層整體形成了嵌擠連鎖、較高強(qiáng)度的可承載結(jié)構(gòu)。然而，由于碎石化層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在不均勻、不穩(wěn)定的問(wèn)題，需要設(shè)置過(guò)渡層。考慮到過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、強(qiáng)度均勻化、防反射裂縫，以及降低工程造價(jià)等因素，結(jié)合已有技術(shù)成果和工程實(shí)踐，采用加鋪20cm級(jí)配碎石粒料基層進(jìn)行過(guò)渡，起到強(qiáng)度均勻化、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等作用。同時(shí)，粒料基層可有效地阻斷裂縫尖端的應(yīng)力擴(kuò)展路徑，減少瀝青罩面的反射裂縫發(fā)生隱患。舊水泥路面碎石化+級(jí)配碎石屬于柔性基層類(lèi)，隨著地方普通公路運(yùn)輸重載交通的增長(zhǎng)，需要對(duì)該種瀝青罩面結(jié)構(gòu)重載作用下力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證分析研究。因此本文針對(duì)碎石化瀝青罩面結(jié)構(gòu)，利用有限元建模計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的力學(xué)響應(yīng)，本文可為舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術(shù)參考。

2 有限元建模計(jì)算

本文對(duì)舊水泥路面碎石化后的瀝青罩面結(jié)構(gòu)采用軸對(duì)稱(chēng)模型進(jìn)行計(jì)算分析，選取路面結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)模型的1/2進(jìn)行建模。本文采用某地方公路大修工程公路結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，選用多層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其路面結(jié)構(gòu)自上而下為瀝青混凝土面層、級(jí)配碎石層、舊水泥路面碎石化層，路面模型寬選為4m，面層、基層、土基結(jié)構(gòu)層厚度、各結(jié)構(gòu)層彈性模量及泊松比等計(jì)算參數(shù)如表1所示[2，3]。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)模型受力特點(diǎn)，邊界條件假定為：路基底面約束固定、不產(chǎn)生豎向位移（位移條件為0），模型側(cè)面及對(duì)稱(chēng)面的邊界約束固定、不產(chǎn)生水平位移（X方向位移為0），瀝青面層、粒料層、碎石化層、基層等相鄰結(jié)構(gòu)層間均為完全連續(xù)接觸。根據(jù)二維平面模型計(jì)算方法，本數(shù)值模型荷載作用類(lèi)型采用單元荷載，加載如圖1所示，當(dāng)單元直徑D為30.4cm，荷載均布?jí)毫為0.7MPa。

3 重載力學(xué)響應(yīng)分析

采用上述結(jié)構(gòu)模型，本文計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的力學(xué)響應(yīng)，交通荷載分別考慮為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.4MPa。

3.1 承載力響應(yīng)

在荷載作用下，路基和路面各結(jié)構(gòu)層在不同深度處豎向變形位移累計(jì)總和即為路面彎沉[4]，是反映路面結(jié)構(gòu)整體剛度和承載力的重要指標(biāo)。本文采用路表彎沉值指標(biāo)，分別計(jì)算分析了級(jí)配碎石層模量變化（300～800MPa）對(duì)舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。不同輪載作用下的變化對(duì)舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉的影響，如圖3所示。

由圖2可知，舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)承載力與級(jí)配碎石層模量密切相關(guān)，路表彎沉隨級(jí)配碎石層的模量增加而減小，設(shè)置粒料基層的瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉一般≤40（0.01mm），因此，舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石模量控制宜≥500MPa。由圖3可知，舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)路表彎沉對(duì)重載敏感，路表彎沉隨輪載增大而增大，幾乎呈線性關(guān)系。綜上所述，舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)為獲得良好的結(jié)構(gòu)整體承載力，降低路表彎沉，可采取大粒徑級(jí)配碎石基層或添加低劑量水泥的級(jí)配碎石基層技術(shù)，以提高級(jí)配碎石層的模量。

3.2 應(yīng)力響應(yīng)

在重載交通下，拉應(yīng)力破壞和剪應(yīng)力破壞是瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部最不利受力。因此，根據(jù)舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石瀝青罩面屬于粒料柔性基層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在本文結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，重點(diǎn)研究分析了瀝青層底的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的響應(yīng)。

3.2.1 拉應(yīng)力響應(yīng)

為尋找舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生的層位，計(jì)算分析了在輪載中心位置下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不同輪載作用下的拉應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明：本文結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在約0.1m深度層位（瀝青層底）、0.6～0.9m深度層位（舊路半剛性基層層底），這兩個(gè)層位也正是路面結(jié)構(gòu)力學(xué)需重點(diǎn)考慮防范拉應(yīng)力破壞的層位，其中最大拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生在級(jí)配碎石層頂?shù)臑r青層底位置。因此，在采用級(jí)配碎石過(guò)渡基層時(shí)要重點(diǎn)考慮粒料基層帶來(lái)的瀝青層底拉應(yīng)力破壞問(wèn)題，適當(dāng)提高級(jí)配碎石的強(qiáng)度、提高抗變形能力，有利于減小瀝青層底拉應(yīng)力分布。

為揭示重載交通對(duì)本結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力的影響規(guī)律，計(jì)算了重載作用下該結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力大小變化，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：瀝青罩面層底應(yīng)力對(duì)重載作用敏感性較強(qiáng)，瀝青罩面層底水平拉應(yīng)力隨重載的增加而增加，超載100%時(shí)，應(yīng)力峰值為0.06MPa，雖遠(yuǎn)小于瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，但仍存在發(fā)生拉應(yīng)力疲勞破壞的較大隱患。因此，在該結(jié)構(gòu)中，除增加級(jí)配碎石的強(qiáng)度和模量以減小瀝青層底拉應(yīng)力水平外，還應(yīng)提高瀝青混合料的柔韌性和抗疲勞性能以適應(yīng)瀝青層底拉應(yīng)力作用，如采用橡膠瀝青等骨架密實(shí)型瀝青混合料。

3.2.2 剪應(yīng)力響應(yīng)

在重載交通荷載作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力是瀝青路面發(fā)生流動(dòng)性車(chē)轍病害的主要影響因素。已有研究表明，瀝青面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力一般出現(xiàn)在輪載外側(cè)邊緣的垂直線上，在輪胎外邊緣附近的垂直線上出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值。本文計(jì)算分析了在不同重載水平下，該路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)最不利位置上的剪應(yīng)力分布及其隨重載增加而產(chǎn)生的變化，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：（1）該結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力區(qū)>0.1MPa的剪應(yīng)力主要分布在10cm范圍內(nèi)，恰好為整個(gè)路面瀝青層;（2）隨路面深度的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力先增加，剪應(yīng)力在瀝青面層中部位置達(dá)到峰值點(diǎn)后，隨深度增加而衰減，剪應(yīng)力最大峰值出現(xiàn)在5cm附近，即9cm瀝青面層的中部位置區(qū)域;（3）隨著輪載的增大，面層內(nèi)剪應(yīng)力峰值增大，出現(xiàn)的深度略有增加。由此分析可知：在舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)中，剪應(yīng)力影響區(qū)主要貫穿于整個(gè)瀝青層，并且隨著重載的增加，瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力增加;重載作用下，該結(jié)構(gòu)因剪應(yīng)力發(fā)生車(chē)轍的可能性較大。因此，為防止該結(jié)構(gòu)因剪應(yīng)力發(fā)生車(chē)轍變形類(lèi)病害，應(yīng)提高9cm瀝青面層的抗車(chē)轍能力，采用改性瀝青骨架密實(shí)型抗車(chē)轍混合料，如橡膠改性瀝青混合料等。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算分析在不同重載水平下舊水泥路面碎石化后加鋪級(jí)配碎石基層瀝青罩面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

（1）本文路面結(jié)構(gòu)承載力與級(jí)配碎石層模量關(guān)系密切，路表變形（彎沉）隨重載增加明顯。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)雖然具有良好的應(yīng)力協(xié)調(diào)性，能大幅削弱反射裂縫的發(fā)生，但是也帶來(lái)瀝青層底拉應(yīng)力較大的問(wèn)題。因此級(jí)配碎石加鋪層應(yīng)適當(dāng)提高強(qiáng)度和模量，以提高結(jié)構(gòu)承載力，減小瀝青層底拉應(yīng)力等，建議采用大粒徑級(jí)配碎石基層或添加低劑量水泥的級(jí)配碎石基層技術(shù)。

（2）在本文路面結(jié)構(gòu)中，重載對(duì)本結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力影響較大，尤其是在瀝青層內(nèi)隨著重載的增加剪應(yīng)力峰值增加明顯，對(duì)瀝青混合料的抗車(chē)轍性能提出了較高要求，應(yīng)對(duì)混合料進(jìn)行抗車(chē)轍優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)采用舊水泥路面碎石化后加鋪級(jí)配碎石基層瀝青罩面結(jié)構(gòu)，建議瀝青面層采用橡膠瀝青等骨架密實(shí)型改性瀝青混合料技術(shù)，以提高面層混合料的抗車(chē)轍性能和抗疲勞性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃 慧，馮永平，賴(lài) 強(qiáng)，等.級(jí)配碎石基層在廣西地區(qū)舊水泥路面碎石化加鋪中的應(yīng)用研究[J].公路與汽運(yùn)，2016（6）：147-150.

[2]張洪剛，黃 慧，岳愛(ài)軍，等.舊水泥路面碎石化加鋪級(jí)配碎石與瀝青罩面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)參數(shù)研究[J].公路工程，2012，37（1）：19-22.

[3]張洪剛，黃 慧，岳愛(ài)軍.不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的舊路改造升級(jí)瀝青罩面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)研究[J].公路工程，2013，38（1）：129-132.

[4]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2003.