水泥路面碎石化加鋪設(shè)計(jì)研究

黎純

(湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

在早期公路建設(shè)中，水泥路面以其高強(qiáng)度、高耐久性、長使用壽命及原材料易得、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于各級公路建設(shè)。隨著人們對道路通行質(zhì)量要求的提高，高等級公路建設(shè)中瀝青路面正逐漸取代水泥砼路面。當(dāng)水泥砼路面出現(xiàn)損壞且需要變更為瀝青路面時(shí)，碎石化技術(shù)以其可有效減緩反射裂縫的產(chǎn)生、避免水泥板與瀝青層高模量差、符合建材循環(huán)使用原則、經(jīng)濟(jì)性良好等優(yōu)勢，正逐漸受到廣泛關(guān)注。水泥砼路面“白改黑”關(guān)鍵技術(shù)有兩項(xiàng)，一是碎石化，主要有共振碎石化、多錘頭碎石化等，對此的研究較多；另一項(xiàng)為加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由于其與傳統(tǒng)新建路面成熟的結(jié)構(gòu)體系存在較大差異，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚未形成廣泛使用的理論基礎(chǔ)。該文針對水泥路面碎石化加鋪瀝青層改造項(xiàng)目，以ABAQUS有限元軟件構(gòu)建本構(gòu)模型及邊界條件，對SMA-13厚度、SMA-13模量、碎石化下承層模量及碎石化層與瀝青層層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響進(jìn)行分析，為水泥路面碎石化加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 加鋪結(jié)構(gòu)ABAQUS有限元分析

1.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

某省省道公路改擴(kuò)建工程原路面為水泥砼路面，采用多錘頭碎石化或共振碎石化處理后，將破碎的水泥砼作為基層進(jìn)行瀝青面層加鋪。由于原道路水泥砼路面之下各結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同運(yùn)營路段差異較大且檢測確定較困難，為簡化計(jì)算模型，將碎石化以下各結(jié)構(gòu)層作為下承層統(tǒng)一考量。采取目前常用的高等級路面結(jié)構(gòu)組合形式進(jìn)行加鋪設(shè)計(jì)，中面層采用6 cm SUP-20，上面層采用4 cm SMA-13。碎石化前后路基路面結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 碎石化前后路基路面結(jié)構(gòu)形式

為保證上面層SMA-13模擬參數(shù)的準(zhǔn)確性，其模量采用試驗(yàn)方法確定。參照J(rèn)TG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中單軸壓縮動態(tài)模量測試方法，在5、25、30、50 ℃試驗(yàn)溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，測試結(jié)果見圖1。由圖1可知：20 ℃、10 Hz時(shí)SMA-13的動態(tài)模量為8 000 MPa。采用全自動落錘式彎沉儀對碎石化后水泥路面進(jìn)行當(dāng)量回彈模量測試，結(jié)果顯示碎石化層模量為200～500 MPa，均值為300 MPa左右。其余結(jié)構(gòu)層參照J(rèn)TG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》取值(見表2)。

圖1 SMA-13動態(tài)模量測試結(jié)果

表2 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

1.2 加載及邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100 kN進(jìn)行加載模擬，即采用100 kN單軸雙輪組軸載，當(dāng)量圓接地壓強(qiáng)為0.7 MPa。為方便加載分析，采用ABAQUS進(jìn)行分析時(shí)，將雙圓均布荷載轉(zhuǎn)換為矩形荷載進(jìn)行模擬。有限元三維模擬中，X、Y、Z軸分別表示道路橫斷面、厚度方向及縱斷面方向，模型尺寸為6 m×6 m，利用八節(jié)點(diǎn)減縮積分立方體單元(C3D8R)進(jìn)行分析。模型邊界條件為：底部根據(jù)實(shí)際情況采用零自由度約束，X、Y方向采用對稱邊界條件；由于上、下面層均為柔性同質(zhì)材料，而下承層為散體顆粒柔性材料，將上、下面層層間設(shè)置為完全連續(xù)，下面層與下承層之間設(shè)置為非完全連續(xù)。法向加載產(chǎn)生的切向應(yīng)力采用庫倫摩擦計(jì)算，系數(shù)取0.6。

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，水泥路面碎石化后加鋪瀝青面層時(shí)，應(yīng)對瀝青混合料疲勞開裂、瀝青層永久變形進(jìn)行驗(yàn)算。鑒于SMA類面層具有較好的高溫穩(wěn)定性，能有效抵抗車轍形成，僅對道路縱向面層層底拉應(yīng)變進(jìn)行分析，并結(jié)合交工驗(yàn)收最大允許彎沉進(jìn)行對比。分析各單因素對面層力學(xué)響應(yīng)參數(shù)的影響時(shí)，基準(zhǔn)參數(shù)值按表2選取。

2.1 SMA-13厚度的影響

考慮上面層SMA-13的可施工性，根據(jù)施工技術(shù)規(guī)范，其加鋪層最小厚度應(yīng)不小于混合料公稱最大粒徑的2.5～3倍，即不小于3.25～3.9 cm。考慮施工時(shí)壓實(shí)度質(zhì)量保證率及經(jīng)濟(jì)性，厚度不宜超過8 cm。綜合選取4 ～8 cm厚度進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)隨SMA-13厚度的變化

注：變化幅度為力學(xué)響應(yīng)參數(shù)相對于基準(zhǔn)值的變化程度，下同。

由表3可知：隨著上面層厚度的增大，層底拉應(yīng)變、路表彎沉均減小，厚度由4 cm增加至8 cm時(shí)，兩參數(shù)分別減小13.4%、18.2%。表明增加上面層加鋪厚度可改善面層結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，延長路面使用壽命。

2.2 SMA-13模量的影響

SMA-13混合料動態(tài)模量受混合料級配、瀝青膠結(jié)料質(zhì)量的影響，隨著原材料、級配設(shè)計(jì)等的改變，動態(tài)模量值也可能發(fā)生變化。以8 000 MPa為基準(zhǔn)，模擬上面層模量在6 000～10 000 MPa變化時(shí)面層的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)果見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)隨SMA-13模量的變化

由表4可知：隨著上面層模量的變化，層底拉應(yīng)變及路表彎沉變化幅度均較小，其中層底拉應(yīng)變最大變化幅度為1.8%；模量減小至6 000 MPa時(shí)，路表彎沉增加幅度最大，為4.8%。整體而言，在上面層結(jié)構(gòu)類型確定后，在其模量可變范圍內(nèi)，模量變化對路面力學(xué)響應(yīng)的影響較小。

2.3 下承層模量的影響

前期檢測及相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，水泥砼路面碎石化后模量值差異較大，受原水泥路面板狀態(tài)、碎石化工藝等因素影響。下承層模量作為上述影響因素的綜合反映，有必要對其影響進(jìn)行分析。以300 MPa為基準(zhǔn)，在100～600 MPa內(nèi)取值，有限元模擬分析結(jié)果見表5。

表5 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)隨下承層模量的變化

由表5可知：整體而言，隨著下承層模量的增大，層底拉應(yīng)變和路表彎沉均呈現(xiàn)顯著減小趨勢，其變化幅度比上述各因素的變化幅度大；下承層模量減小對路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng)的影響大于下承層模量增大的影響，模量減小200 MPa時(shí)，層底拉應(yīng)變和路表彎沉增大幅度分別達(dá)40.5%、116.3%；相較于層底拉應(yīng)變，下承層模量對路表彎沉的影響更大。

2.4 層間接觸狀態(tài)的影響

鑒于面層為柔性同質(zhì)材料，下承層為散體顆粒柔性材料，有必要設(shè)置功能黏結(jié)層對其黏結(jié)狀態(tài)進(jìn)行處理，而施工工藝及處理質(zhì)量直接影響下承層與瀝青面層的層間接觸狀態(tài)。為此，以摩擦系數(shù)0.6為基準(zhǔn)，對比下承層與瀝青面層層間接觸狀態(tài)由完全光滑(摩擦系數(shù)為零)至完全連續(xù)(摩擦系數(shù)為1)對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響，分析結(jié)果見表6。

表6 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)隨層間接觸狀態(tài)的變化

由表6可知：層間由光滑狀態(tài)變?yōu)榉峭耆B續(xù)狀態(tài)時(shí)，層底拉應(yīng)變、路表彎沉均呈線性變化，但變化幅度較?。粚娱g由部分連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆B續(xù)狀態(tài)時(shí)，兩參數(shù)的變化幅度較大。表明改善層間黏結(jié)狀態(tài)對提高路面疲勞壽命具有積極作用。

2.5 單因素影響灰關(guān)聯(lián)分析

為綜合分析并比較各因素對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響大小，采用灰關(guān)聯(lián)分析法對上述因素進(jìn)行相關(guān)系數(shù)分析，結(jié)果見表7。

表7 單因素影響灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

由表7可知：1) 總體而言，各因素對層底拉應(yīng)變和路表彎沉的影響程度均為下承層模量>SMA-13 厚度>SMA-13模量>層間接觸狀態(tài)。在“白改黑”改擴(kuò)建中，應(yīng)首先關(guān)注碎石化層模量，通過合理工藝提高其當(dāng)量頂面模量，如合理控制施工工藝保證碎石場級配良好、摻補(bǔ)碎石層斷檔粒徑碎石、合理控制碎石化后碾壓工藝等。同時(shí)注重碎石化層模量數(shù)據(jù)的快速有效檢測，如通過全自動落錘式彎沉儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)時(shí)反饋并指導(dǎo)碎石化施工。2) SMA-13 厚度對力學(xué)參數(shù)有較大影響，條件允許的情況下可適當(dāng)提高該結(jié)構(gòu)層厚度。但考慮到SMA-13 層厚度過大不利于改擴(kuò)建道路全壽命周期成本控制，且厚度過大會導(dǎo)致碾壓控制難度增大，存在施工質(zhì)量隱患，對該因素應(yīng)慎重考慮。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

某省省道公路改擴(kuò)建工程全長35.2 km，公路等級為一級，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬度22.5 m。原路面結(jié)構(gòu)為18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18 cm素水泥砼路面。經(jīng)過5年運(yùn)營，水泥砼面層已出現(xiàn)不同程度破損，主要表現(xiàn)為縱橫向裂縫、斷板及角隅破損等。設(shè)計(jì)采用多錘頭碎石化進(jìn)行水泥路面板處治，碎石化后將破碎板體作為基層在其上加鋪6 cm SUP-20及4 cm SMA-13。

根據(jù)交通量調(diào)查結(jié)果，結(jié)合歷史交通量數(shù)據(jù)，該項(xiàng)目交通量為2 132 輛/d，年交通量增長系數(shù)為4.5%，取0.7作為車道系數(shù)，方向系數(shù)取0.50。按設(shè)計(jì)年限為10年進(jìn)行計(jì)算，累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)為1.145×107次。根據(jù)項(xiàng)目所在地前期氣象資料，該項(xiàng)目季節(jié)性地區(qū)調(diào)整系數(shù)為1.00，路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.4。根據(jù)上述分析結(jié)論，影響瀝青路面面層層底拉應(yīng)變的最重要因素為下承層模量，根據(jù)不同下承層模量值計(jì)算對應(yīng)瀝青路面疲勞壽命次數(shù)，計(jì)算結(jié)果見圖2。通過線性擬合分析，擬合方程為y=0.007 82x+0.733 44(R2=0.974)，推算出當(dāng)下承層模量≥239 MPa時(shí)，瀝青層疲勞壽命大于設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸載作用次數(shù)1.145×107次，符合疲勞

圖2 瀝青層疲勞壽命隨下承層模量的變化

開裂驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

(1) 隨著SMA-13厚度和模量、碎石化下承層模量的增加及碎石化層與瀝青層層間接觸狀態(tài)的改善，路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)變、路表彎沉減小。

(2) 各參數(shù)對層底拉應(yīng)變與路表彎沉的影響程度均為下承層模量>SMA-13厚度>SMA-13模量>層間接觸狀態(tài)。

(3) “白改黑”改擴(kuò)建項(xiàng)目建設(shè)中，應(yīng)首先關(guān)注碎石化層模量，通過合理工藝提高其當(dāng)量頂面模量，同時(shí)注重碎石化層模量數(shù)據(jù)的快速有效檢測，實(shí)時(shí)反饋并指導(dǎo)碎石化施工。

(4) 為滿足結(jié)構(gòu)驗(yàn)算要求，某省省道公路改擴(kuò)建工程碎石化下承層模量應(yīng)≥239 MPa。