舊水泥路面改擴(kuò)建拼接結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能評(píng)價(jià)*

房 碩 李 盛 劉朝暉 張 豪 許路凱

(長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院1) 長(zhǎng)沙 410004) (長(zhǎng)沙理工大學(xué)公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室2) 長(zhǎng)沙 410004)

0 引 言

自上世紀(jì)90年末我國(guó)的公路建設(shè)進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期，當(dāng)時(shí)水泥路面是主要的路面結(jié)構(gòu)形式.在氣候環(huán)境和車輛荷載作用下，路面的使用性能逐漸降低，且由于設(shè)計(jì)使用期內(nèi)交通量增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于預(yù)期，我國(guó)不少水泥路面未達(dá)到使用年限即出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞和使用功能衰退，且原有的雙向四車道高速公路也難以滿足日益繁重的交通量需求，迫切需要通過(guò)提質(zhì)改造和擴(kuò)建完成升級(jí)[1].但目前尚未有成熟的舊路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)施工技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是在新舊路面拼接環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)此研究不多.

李沂駿[2]研究了水泥混凝土路面在拓寬改建過(guò)程中路面結(jié)構(gòu)拉桿連接技術(shù)，研究得出在新舊水泥混凝土路面結(jié)合處增設(shè)拉桿能夠很好的避免裂縫變寬同時(shí)能夠起到一定的傳荷作用.余國(guó)紅等[3]對(duì)舊混凝土加寬結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模分析，分別計(jì)算了等厚度和變厚度拼接方案中面板板邊位置的拉應(yīng)力、拉桿所受的拉力、及接縫處剪應(yīng)力，得出變厚結(jié)構(gòu)拼接方案中的板邊縱向拉應(yīng)力大于等厚結(jié)構(gòu)的板邊縱向拉應(yīng)力，而拉桿承受的拉應(yīng)力和接縫處的剪應(yīng)力則小于等厚結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的力.然而在拼接縫的設(shè)置位置及反射裂縫的控制方面總是存在各種不足，所以有必要研發(fā)新的舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接結(jié)構(gòu)，并按照解決現(xiàn)有舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接結(jié)構(gòu)缺陷、提高路面結(jié)構(gòu)使用性能的原則進(jìn)行合理選擇與科學(xué)設(shè)計(jì)，以解決現(xiàn)有舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接結(jié)構(gòu)存在的諸多問題.

1 路面拼接結(jié)構(gòu)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)

路面拼接結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是有效解決現(xiàn)有舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接結(jié)構(gòu)存在的問題，提高路面結(jié)構(gòu)的使用性能，并具有良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益.

優(yōu)化后的舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接結(jié)構(gòu)，其中水泥混凝土面板拼接縫設(shè)置在舊水泥混凝土面板的硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m處；沿水泥混凝土面板拼接縫向擴(kuò)建結(jié)構(gòu)一側(cè)開挖舊路面結(jié)構(gòu)，依次在舊路上基層、舊路下基層、舊路墊層設(shè)置臺(tái)階作為過(guò)渡，所述臺(tái)階寬度為35 cm；擴(kuò)建部分的新路下基層與新路墊層采用與舊路一致的材料與厚度，新路上基層采用貧混凝土，厚度與舊路上基層相同，新路水泥混凝土面板采用與舊路面板相同的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及厚度，新路路床采用未篩分碎石；舊路水泥混凝土面板與新路水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來(lái)連接；水泥混凝土面板拼接縫上，以拼接縫為中線，先粘貼厚度為2 mm、寬度為40 cm的高分子聚合物抗裂貼，再在新舊水泥混凝土面板上加鋪瀝青混凝土抗裂調(diào)平夾層，最后再依次加鋪瀝青混凝土下面層、瀝青混凝土上面層[4].路面結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖

2 路面拼接后的裂縫控制

在一般情況下，舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建的路面拼接后仍存在裂縫開裂不規(guī)則，裂縫寬度過(guò)大的問題，以至于影響路面拼接后的使用壽命及行車舒適度等，需進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化處理.

2.1 拼接縫的設(shè)置

2.1.1拼接縫的位置

水泥混凝土面板拼接縫設(shè)置舊水泥混凝土路面的硬路肩上，相對(duì)于傳統(tǒng)的拼接縫設(shè)在行車道與硬路肩之間的做法來(lái)說(shuō)，既最大程度地利用了舊水泥混凝土面板，減少了廢料處理和堆放，社會(huì)和環(huán)保效益良好，又挖除了舊水泥混凝土路面部分硬路肩及土路肩范圍內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)層、路床，可改善舊路土路肩附近范圍內(nèi)路基及路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度相對(duì)較低且不均勻的問題，延緩路面結(jié)構(gòu)病害出現(xiàn)的時(shí)間[5].拼接縫示意圖見圖2.

圖2 拼接縫示意圖

2.1.2拼接縫的力學(xué)效果

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，運(yùn)用Abaqus有限元軟件[6]，計(jì)算舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層后在荷載作用下，比較在舊水泥混凝土路面硬路肩上靠土路肩方向1.9 m處設(shè)置拼接縫的做法，與在行車道與硬路肩之間設(shè)置拼接縫的傳統(tǒng)做法，瀝青層底部開裂后，裂縫尖端Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ的變化情況[7-8].基本理論與方法及模型參數(shù)同文獻(xiàn)[9]，建立三維的計(jì)算模型.

分別分析這兩種做法，瀝青層底部開裂后裂縫尖端Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ與瀝青加鋪層厚度之間的關(guān)系，見圖3.

圖3 拼接縫KⅡ與瀝青加鋪層厚度關(guān)系

由圖3可知，在相同的瀝青加鋪層厚度條件下，本文拼接縫設(shè)在舊水泥混凝土路面硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m處的做法，遠(yuǎn)離了行車荷載的輪跡帶，比之傳統(tǒng)拼接縫設(shè)在行車道與硬路肩之間的做法，裂縫尖端Ⅱ型應(yīng)力強(qiáng)度因子KⅡ要小很多，故可有效延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)[10]，提高新舊水泥混凝土面板上瀝青混凝土加鋪層的使用壽命.

2.2 臺(tái)階的設(shè)置

目前在舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建路面拼接的研究中，會(huì)出現(xiàn)比如瀝青加鋪層過(guò)早出現(xiàn)反射裂縫等難以克服的問題，因此筆者結(jié)合其他改擴(kuò)建項(xiàng)目的修筑經(jīng)驗(yàn)及多次有限元計(jì)算分析得出，可在舊路上基層、舊路下基層、舊路墊層設(shè)置35 cm寬的臺(tái)階作為過(guò)渡，相對(duì)于傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)拼接來(lái)說(shuō)，可以使新舊路基及路面結(jié)構(gòu)更好地結(jié)合且避免新舊路面結(jié)構(gòu)及路基的拼接縫在豎直方向上位置一致，避免瀝青加鋪層過(guò)早出現(xiàn)反射裂縫[11].本文運(yùn)用Abaqus有限元軟件，建立路面拼接三維模型，選擇對(duì)加鋪的瀝青混凝土下面層AC-20C層進(jìn)行力學(xué)分析，得到不同的臺(tái)階寬度與所對(duì)應(yīng)的最大拉應(yīng)力及最大剪應(yīng)力之間關(guān)系，見圖4.

圖4 最大拉應(yīng)力及剪應(yīng)力與臺(tái)階寬度之間的關(guān)系

由圖4可知，臺(tái)階寬度在35 cm左右時(shí)，瀝青混凝土下面層AC-20C層的最大拉應(yīng)力最小，最大剪應(yīng)力在臺(tái)階寬度從0～35 cm段遞減的最多，達(dá)10.27%，在35 cm之后，遞減幅度不大，即當(dāng)臺(tái)階寬度到達(dá)一定的程度之后，改變路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響很小.再者，若臺(tái)階寬度過(guò)大，舊路路床的處理范圍就會(huì)減少，不能很好地解決舊路路基強(qiáng)度相對(duì)較低且不均勻的問題，若臺(tái)階寬度太小，則起不到拼接作用，開挖難度也相對(duì)較大.綜上所述，本文設(shè)置35 cm寬的臺(tái)階作為過(guò)渡，與傳統(tǒng)的路面拼接結(jié)構(gòu)相比，更有利于提高路用性能.

2.3 抗裂貼及抗裂調(diào)平夾層的設(shè)置

在水泥混凝土面板拼接縫上，以拼接縫為中線，粘貼厚度為2 mm、寬度為40 cm且抗拉強(qiáng)度高于600 N/50 mm，產(chǎn)品延伸率大于30%的高分子聚合物抗裂貼，相對(duì)于傳統(tǒng)的路面拼接抗裂方法來(lái)說(shuō)，具有更好的消能緩沖、隔水防滲效果，可進(jìn)一步消除或減小拼接縫對(duì)瀝青加鋪層的影響，減小拼接縫處瀝青加鋪層的應(yīng)力集中.瀝青混凝土抗裂調(diào)平夾層厚度為2 cm，為細(xì)型密級(jí)配瀝青混凝土，集料最大粒徑為9.5 mm，通過(guò)沖刷試驗(yàn)儀，確定細(xì)型密級(jí)配瀝青混凝土的質(zhì)量損失微乎其微，與本領(lǐng)域常用的水泥穩(wěn)定類材料相比，質(zhì)量損失大大減小，具有更好的抗裂調(diào)平效果.再者，瀝青采用廢胎膠粉改性瀝青[12]，油石比為7.5%，通過(guò)動(dòng)態(tài)剪切流變儀(DSR)黏度掃描試驗(yàn)，確定廢胎膠粉對(duì)瀝青膠漿性能的增粘作用大大增強(qiáng)，與本領(lǐng)域常用的普通瀝青相比，更具有延緩反射裂縫出現(xiàn)的性能.

3 拼接后路面結(jié)構(gòu)的性能提升分析

3.1 路面結(jié)構(gòu)性能的加強(qiáng)

本文擴(kuò)建部分路面結(jié)構(gòu)的上基層采用剛性的貧混凝土，與傳統(tǒng)的舊路上基層通常采用的半剛性材料相比，很好地體現(xiàn)了路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度遞增，有利于提升路面結(jié)構(gòu)的耐久性，從力學(xué)模型的角度來(lái)看，采用雙層小撓度薄板可有效解決擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)及路基工后沉降相對(duì)較大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需補(bǔ)償?shù)膯栴}；新路路床采用未篩分碎石，也可進(jìn)一步減小新舊路基的差異沉降問題.新型路面的瀝青混凝土下面層摻質(zhì)量百分比為0.3%且纖維長(zhǎng)度為6 mm的短切玄武巖纖維[13]，可作為穩(wěn)定劑和增強(qiáng)劑來(lái)改善路面的使用耐久性，與傳統(tǒng)的做法相比，可有效提高瀝青混凝土下面層的彎拉強(qiáng)度、抗裂性能及疲勞性能[14]，減小新舊路基不均勻沉降、路面結(jié)構(gòu)結(jié)合等問題對(duì)瀝青加鋪層的不利影響.

3.2 新舊路面板鋼筋設(shè)置及豎向位移分析

3.2.1雙層鋼筋的設(shè)置

新舊水泥混凝土面板拼接縫是該結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，為了加強(qiáng)新舊相鄰板塊之間的承載協(xié)調(diào)性，在新舊水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來(lái)連接，可進(jìn)一步減小新舊路基差異沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)上下層鋼筋交錯(cuò)布置也能起到剪力鋼筋的作用,雙層鋼筋分別位于水泥混凝土面板厚度的上h/3處和下h/3處，上、下層交錯(cuò)布置[15-16]；所述鋼筋為熱軋帶肋鋼筋，直徑為16 mm，長(zhǎng)度為70 cm，水平方向上的間距為50 cm.雙層鋼筋示意圖見圖5.

圖5 雙層鋼筋示意圖

3.2.2受荷板的豎向位移分析

運(yùn)用Abaqus有限元軟件，分別建立雙層鋼筋和單層鋼筋的新舊水泥混凝土路面模型，混凝土板厚度取0.24 m，路面寬4 m，采用同種鋼筋且保持配筋率相同，并施加荷載作用，分析兩種布筋方案在相同車輛荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)及豎向位移的差異.所用部件的材料屬性見表1.

表1 所用部件的材料屬性

雙層布筋方案：上、下兩層鋼筋錯(cuò)位布置(見圖5)，上層鋼筋8根布置在距面板層頂面0.08 m處(即面層板上h/3處)；下層鋼筋七根布置在距面板底面0.08 m處(即面層板下h/3處)，計(jì)算云圖見圖6.

圖6 雙層鋼筋有限元計(jì)算云圖

單層布筋方案：將橫向鋼筋15根布置在距面板頂面0.12 m處(即面層板h/2處).

上述兩種布筋方案的受荷板板底最大橫向拉應(yīng)力σc與受荷板最大豎向位移Uc計(jì)算結(jié)果見表2.

表2 兩種布筋方案有限元計(jì)算結(jié)果

而受荷板的豎向位移與沿板寬方向距離關(guān)系見圖7.

圖7 受荷板豎向位移與沿板寬方向距離關(guān)系圖

綜上可知，雙層鋼筋方案的受荷板最大橫向拉應(yīng)力與單層鋼筋的大小相當(dāng)，但雙層鋼筋方案的受荷板最大豎向位移比單層鋼筋方案受荷板最大豎向位移小10.64%，雙層鋼筋起到了更大的承受荷載的作用，能夠減小受荷板的豎向位移，進(jìn)一步減小新舊路基差異沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，與設(shè)置單層鋼筋及普通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)相比，大大延長(zhǎng)舊水泥混凝土路面改擴(kuò)建后的壽命.

3.3 社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益

本研究成果在擴(kuò)建部分路面結(jié)構(gòu)的上基層采用剛性的貧混凝土，無(wú)需再像傳統(tǒng)方法那樣在擴(kuò)建部分路面結(jié)構(gòu)的上基層上設(shè)置纖維土工布，簡(jiǎn)化了工序、節(jié)約了修筑成本.新舊水泥混凝土面板上的加鋪結(jié)構(gòu)一致，與傳統(tǒng)的水泥混凝土路面改擴(kuò)建拼接方案相比，避免了瀝青混凝土加鋪層的拼接，消除了因?yàn)r青混凝土加鋪層拼接帶來(lái)的病害和隱患，行車舒適性及安全性將有很大的提升，每年的分?jǐn)偢慕ǔ杀举M(fèi)及養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也大大縮減，同時(shí)也減少了因加鋪結(jié)構(gòu)、材料和厚度不一致帶來(lái)的施工工序復(fù)雜、質(zhì)量難以控制的問題，大大提高了質(zhì)量，節(jié)約了成本.拼接后的新型路面結(jié)構(gòu)性能得到加強(qiáng)，可減少路面損壞對(duì)社會(huì)造成的不良影響，也可解決城市道路常常因路面損壞及養(yǎng)護(hù)維修造成交通中斷或擁堵，甚至引發(fā)交通事故的問題，有良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，可廣泛應(yīng)用于舊水泥混凝土路面的改擴(kuò)建.

4 結(jié) 論

1) 拼接縫設(shè)在靠路肩方向的1.9 m處，可有效延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現(xiàn)，提高新舊水泥混凝土面板上瀝青混凝土加鋪層的使用壽命.最大程度地利用了舊水泥混凝土面板，減少了廢料處理和堆放，社會(huì)和環(huán)保效益良好.

2) 在舊路上基層、下基層、墊層所設(shè)置的35 cm寬的臺(tái)階作過(guò)渡，不僅可以使新舊路基及路面結(jié)構(gòu)更好地結(jié)合，而且可以避免新舊路面結(jié)構(gòu)及路基的拼接縫在豎直方向上位置一致所導(dǎo)致瀝青加鋪層過(guò)早出現(xiàn)反射裂縫的問題.

3) 新舊水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來(lái)連接，可進(jìn)一步減小新舊路基差異沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，上下層鋼筋交錯(cuò)布置可起到剪力鋼筋的作用.

4) 本拼接結(jié)構(gòu)有效利用舊水泥混凝土面板，減少路面結(jié)構(gòu)拼接引發(fā)的病害，改擴(kuò)建后的路面結(jié)構(gòu)也具有整體強(qiáng)度高、行車舒適性好、維修費(fèi)用小等優(yōu)點(diǎn)，采用雙層小撓度薄板可有效解決擴(kuò)建路面結(jié)構(gòu)及路基工后沉降相對(duì)較大、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度需補(bǔ)償?shù)膯栴}.