廠區(qū)道路混凝土基層加鋪雙層瀝青混凝土受力及反射裂縫防治技術(shù)經(jīng)濟性分析

鄭得標(biāo)，陳德洋，萬學(xué)林，王 哲，蔣 軻，蘇金鴻，熊豪文

(中建三局集團(深圳)有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引言

近年來，為契合廠區(qū)道路對景觀和行駛舒適性的要求，水泥混凝土路面加鋪雙層瀝青混凝土路面復(fù)合結(jié)構(gòu)因其具有施工方便、基層穩(wěn)定性好、面層美觀的特點，得到較廣泛推廣。該類路面水泥混凝土基層由于其本身存在的橫縫，在外荷載作用下，瀝青面層層底將產(chǎn)生局部拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，在反復(fù)的交通荷載作用下，該處瀝青面層將出現(xiàn)疲勞開裂而后貫通至面層，形成反射裂縫。結(jié)合高速公路和市政道路“白改黑”工程經(jīng)驗[1-2]，針對該情況的防治措施主要有4類：結(jié)構(gòu)層厚度、瀝青混凝土類型、是否加鋪應(yīng)力吸收層、是否鋪設(shè)柔性隔離層。以往研究表明，增加結(jié)構(gòu)層厚度可延緩反射裂縫的開展[3-4]；改進瀝青面層材料類型，加強瀝青面層材料剛度可改善路面結(jié)構(gòu)受力[5]，效果較好，但需對結(jié)構(gòu)進行反復(fù)驗算；加鋪應(yīng)力吸收層對防治反射裂縫的作用較明顯，且具有較成熟的施工經(jīng)驗[6-7]；加鋪聚酯玻纖布對延緩反射裂縫有明顯作用[8-9]，且施工簡便，使用較靈活。

而對于農(nóng)產(chǎn)品物流廠區(qū)特定軸載情況下，反射裂縫的防治并無較好經(jīng)驗推廣，主要原因為：①廠區(qū)道路設(shè)計規(guī)范35年未更新，反射裂縫防治研究滯后；②廠區(qū)新建道路往往投資規(guī)模小，受成本制約明顯，裂縫防治更多體現(xiàn)在運營、維護階段；③不同種類廠區(qū)交通軸載多樣，交通量未明確統(tǒng)計，難以定量研究。

針對以上情況，本文對建設(shè)單位的相似廠區(qū)進行交通量調(diào)研，再利用有限元模型對20種技術(shù)方案進行受力分析，對比不同方案降低層底拉應(yīng)力的效果，并開展技術(shù)經(jīng)濟性比選，以廣東省某冷鏈產(chǎn)業(yè)園園區(qū)道路項目為實例予以驗證。

1 反射裂縫防治技術(shù)作用機理

反射裂縫的防治措施主要有4類：增加結(jié)構(gòu)層厚度、改進瀝青混凝土類型、加鋪應(yīng)力吸收層、鋪設(shè)柔性隔離層。其中，改變?yōu)r青面層厚度將會改變荷載作用下各層應(yīng)力的分布狀態(tài)。隨著面層厚度的增大，水泥混凝土基層頂?shù)膽?yīng)力將會減小，裂縫尖端處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象隨之減弱，從而減小疲勞應(yīng)力數(shù)值、降低應(yīng)力比、延長瀝青層使用壽命。

改變?yōu)r青面層材料類型與改變面層結(jié)構(gòu)厚度的作用原理相似，也可改變應(yīng)力分布狀態(tài)。當(dāng)使用高標(biāo)號瀝青或高強度瀝青作為面層黏結(jié)劑時，面層材料的彈性模量將會隨之增大，面層剛度增大，從而使得中性軸向上移動。由此，通過調(diào)整面層剛度，精準控制中性軸的位置，使得中性軸處于水泥混凝土與瀝青混凝土交界面處，理論上該區(qū)域應(yīng)力為0，從而降低裂縫尖端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

應(yīng)力吸收層是在水泥混凝土基層和瀝青面層中間設(shè)置的過渡層，一般是由高比例的瀝青及低比例的碎石組合而成，該種材料油石比占比高，具有良好的抗疲勞性能及自愈合能力，可較好地阻隔應(yīng)力集中，使得瀝青面層受力較小，從而延長使用壽命。

柔性隔離層與應(yīng)力吸收層類似，其本身的高強抗拉及優(yōu)越的抗疲勞性能起到隔離裂縫尖端應(yīng)力集中的作用。目前實際中使用到的材料類型主要是瀝青卷材、土工布、聚酯玻纖布等。與應(yīng)力吸收層不同的是，此類材料一般是直接鋪貼在水泥混凝土基層的橫縫上，每隔6m 1道，橫向通長，縱向?qū)挾?～1.5m，有自黏結(jié)和涂刷黏結(jié)劑2種形式。

2 不同反射裂縫防治措施數(shù)值模擬分析

本文以廣東省沿海某農(nóng)產(chǎn)品冷鏈產(chǎn)業(yè)園項目為依托。該產(chǎn)業(yè)園廠區(qū)道路主要提供園區(qū)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品物流車輛通行和卸貨，主要車型為40ft(1ft=304.8mm)集裝箱冷藏車，按標(biāo)準軸載換算，15年使用壽命內(nèi)的總交通累計標(biāo)準軸次約為8.2×106，其道路結(jié)構(gòu)組合如圖1所示。

圖1 本案例原設(shè)計方案

2.1 有限元模型建立

本文借助ABAQUS有限元仿真軟件，將道面簡化為4類結(jié)構(gòu)層，分別為面層、基層、墊層及土基，通過不同的模量、泊松比、密度表示其不同的力學(xué)特性，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表1所示[9-11]。

表1 道面結(jié)構(gòu)層厚度及材料參數(shù)

為了提高計算效率，進行反射裂縫防治技術(shù)措施分析時將道面結(jié)構(gòu)近似簡化為平面應(yīng)變問題的層狀體系，采用2D模型進行模擬。假設(shè)水泥混凝土板與水穩(wěn)基層的黏結(jié)狀態(tài)介于完全連續(xù)和光滑之間，層間受力狀態(tài)滿足莫爾-庫侖強度理論，假設(shè)層間摩擦系數(shù)為0.3[12]。

我國道路設(shè)計規(guī)范中的標(biāo)準荷載BZZ-100為雙圓均布荷載，壓強為0.7MPa，根據(jù)靜力等效原則將其轉(zhuǎn)換為二維線荷載，單個輪壓的作用范圍為21.3cm，輪間距為31.95cm，大小為117 371N/m。

左、右混凝土板間裂縫區(qū)域處于加載面附近，是反射裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的重要區(qū)域[13]。因此，本模型從加載面直到混凝土板底層設(shè)置網(wǎng)格密度較大，控制所選邊緣的種子密度為8單元，其余位置一般只受壓應(yīng)力作用，種子密度為4單元，網(wǎng)格較稀疏，最終建立的模型如圖2所示，試驗組別設(shè)計如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 仿真模擬試驗工況設(shè)計

2.2 不同結(jié)構(gòu)厚度對反射裂縫的影響

本文設(shè)計3種瀝青下面層厚度，分別為5，8，10cm。不同下面層厚度所對應(yīng)受力云圖如表2所示。從云圖中可看出，隨著下面層厚度的增加，裂縫尖端的應(yīng)力集中程度逐漸減小。統(tǒng)計瀝青層底拉應(yīng)力如圖4所示。通過層底拉應(yīng)力的數(shù)值對比可認為，隨著瀝青下面層厚度的增加，下面層層底拉應(yīng)力逐漸減小，但該趨勢隨厚度的增大而減弱。當(dāng)下面層厚度從5cm增大到10cm時，瀝青層層底最大拉應(yīng)力分別減小29.9%(普通瀝青上面層)，32.3%(SBS改性瀝青上面層)和30.0%(高強瀝青上面層)。

表2 不同結(jié)構(gòu)尺寸技術(shù)措施及影響

圖4 不同道面結(jié)構(gòu)尺寸的瀝青層底拉應(yīng)力

2.3 不同上面層類型對反射裂縫的影響

本文設(shè)計了3組常用的上面層瀝青混合料類型，分別是普通瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土及高強瀝青混凝土，其對反射裂縫下道路結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)影響如表3所示。在不同上面層類型下，應(yīng)力響應(yīng)規(guī)律大致相同，并未改變混凝土層底和層頂為最大拉應(yīng)力出現(xiàn)位置的規(guī)律，但改變了最大拉應(yīng)力響應(yīng)值大小。不同上面層瀝青材料所對應(yīng)的瀝青下面層層底拉應(yīng)力響應(yīng)情況如圖5所示。結(jié)果表明，SBS改性瀝青和高強瀝青混合料性能優(yōu)于普通瀝青混合料。當(dāng)上面層類型為高強瀝青混凝土?xí)r，4，5，8cm下面層尺寸的瀝青層底最大拉應(yīng)力較普通瀝青混凝土分別減小19.1%，18.0%，21.8%。

圖5 不同瀝青上面層的瀝青層底拉應(yīng)力

表3 不同上面層類型技術(shù)措施及影響

2.4 加鋪橡膠應(yīng)力吸收層對反射裂縫的影響

本試驗設(shè)置了3組對照組，如表4所示，A1組作為基本對照組，代表了相同結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)及材料下無橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的層底拉應(yīng)力響應(yīng)情況；E2，E3分別作為1cm和2cm橡膠瀝青應(yīng)力吸收層厚度的道面結(jié)構(gòu)試驗組；前面最優(yōu)組合B3設(shè)置為對照組。

表4 加鋪應(yīng)力吸收層防治措施及影響

通過表3中應(yīng)力云圖可知，由于應(yīng)力吸收層的存在，瀝青層的最大拉應(yīng)力明顯下降。加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的瀝青層底拉應(yīng)力響應(yīng)值如圖6所示，結(jié)果顯示，加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可有效降低瀝青層層底拉應(yīng)力，E2，E3工況分別使瀝青層底拉應(yīng)力減小225.8，235.5kPa，瀝青層底最大拉應(yīng)力較A1減小66.6%?？梢?，加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層有效減少反射裂縫的產(chǎn)生，且優(yōu)于增加厚度和更換上面層材料的處置措施，隨著應(yīng)力吸收層的厚度增加，效果愈加顯著。

圖6 加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的瀝青層底拉應(yīng)力

2.5 加鋪聚酯玻纖布對反射裂縫的影響

聚酯玻纖布是玻璃纖維和聚酯纖維組成的混合物，具有較高的強度、柔韌性和良好的防治反射裂縫能力[14-15]。工程實際中，常在水泥基層橫縫上鋪貼1.2m寬沿縫通長聚酯玻纖布，數(shù)值模擬結(jié)果如圖7所示。由圖8可知，增設(shè)聚酯玻纖布可有效減弱反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，在聚酯玻纖布作用下，瀝青層底的最大拉應(yīng)力明顯降低。其中，E1-C1工況效果最為明顯，瀝青層底的拉應(yīng)力較原方案A1降低了44.3%。

圖7 加鋪聚酯玻纖布防治措施及影響

圖8 加鋪聚酯玻纖布的瀝青層底拉應(yīng)力

由圖9可看出，對于同一種道路結(jié)構(gòu)組合形式，增設(shè)聚酯玻纖布效果較弱于加鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，優(yōu)于改變道路結(jié)構(gòu)尺寸和瀝青加鋪層材料。

圖9 不同反射裂縫防治措施的瀝青層底拉應(yīng)力

3 反射裂縫防治技術(shù)經(jīng)濟對比分析

3.1 各技術(shù)方案成本測算

根據(jù)屬地造價站提供的信息，列出各種材料的信息價，如表5所示。人工費與機械費以定額為依據(jù)再結(jié)合工效均攤到每個建設(shè)單元。由于定額的人工費與實際情況相比有較大出入，以下價格僅用于本文對比計算。

表5 各反射裂縫防治措施成本概況 (元·m-2)

3.2 質(zhì)量、成本指標(biāo)歸一化

為方便從質(zhì)量優(yōu)劣與成本高低2個方面對各技術(shù)措施進行對比，需對2個方面的指標(biāo)進行歸一化。質(zhì)量方面選取下面層瀝青混凝土層底拉應(yīng)力作為指標(biāo)，成本方面則以長1 000km、寬7m的路面(基層水泥混凝土以上部分)施工總費用作為指標(biāo)。2個指標(biāo)歸一化的標(biāo)準均以原設(shè)計圖方案(A1)為準，其余技術(shù)方案的指標(biāo)數(shù)值與之相比即可，整理得表6。

表6 所有技術(shù)方案質(zhì)量與成本指標(biāo)歸一化結(jié)果

3.3 質(zhì)量增益與成本節(jié)約比選

質(zhì)量的重要性優(yōu)于成本，只有在保證工程質(zhì)量的前提下才能考慮經(jīng)濟效益。而保證工程質(zhì)量就是保證本工程在設(shè)計使用年限內(nèi)瀝青層的疲勞壽命大于該設(shè)計交通軸次[16]。

瀝青混合料的疲勞壽命與應(yīng)力比有關(guān)，而應(yīng)力比與疲勞壽命的關(guān)系并非線性。選取AC-20普通瀝青混合料疲勞方程[17](見式(1))及其彎拉強度7.2kN[18]，可反算出：當(dāng)應(yīng)力比<0.03時，即應(yīng)力<215.5kPa時，Nf>8.2×106次。

(1)

式中：Nf為疲勞壽命；ts為應(yīng)力比，即瀝青層實際應(yīng)力除以瀝青混合料的彎拉強度。

由此，當(dāng)質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值<215.5kPa后，質(zhì)量對于整個工程將不產(chǎn)生更優(yōu)的增益。故對瀝青層底拉應(yīng)力優(yōu)于215.5kPa的技術(shù)方案對應(yīng)的質(zhì)量指標(biāo)均按215.5kPa計算。將歸一化質(zhì)量指標(biāo)數(shù)值與成本歸一化指標(biāo)相除得技術(shù)經(jīng)濟指數(shù)，最后進行排序，可得表7。

表7 技術(shù)經(jīng)濟比選概況

由表7可看出，質(zhì)量與成本最優(yōu)組合是E1-C1，即2層瀝青混凝土皆采用普通瀝青且下面層厚度為5cm的瀝青面層結(jié)構(gòu)，在水泥混凝土基層裂縫處加鋪1道聚酯玻纖布。結(jié)合表6所示結(jié)果可認為，在裂縫處加鋪聚酯玻纖布和滿鋪橡膠瀝青應(yīng)力吸收層均可使道路的抗反射裂縫性能滿足設(shè)計要求，且在成本方面較增加瀝青層結(jié)構(gòu)厚度和改變材料類型更有利。

對于以上最優(yōu)方案僅僅是考慮了抗反射裂縫性能單個因素，若考慮路面上面層的水損、車轍等路用性能，AC-13普通瀝青混合料難以滿足要求，應(yīng)采用排名第2的EI-A1方案。

4 廠區(qū)道路實例驗證

結(jié)合本文依托的廣東省某冷鏈產(chǎn)業(yè)園園區(qū)道路項目實例，對水泥混凝土路面接縫處加鋪聚酯玻纖布的效果進行了現(xiàn)場驗證。

4.1 施工工藝

1)對水泥混凝土基層裂縫進行熱瀝青砂漿灌縫處理，處理范圍包括板塊間的接縫、脹縫、使用過程出現(xiàn)的裂縫。

2)噴灑乳化瀝青黏層油，并粘貼聚酯玻纖布。聚酯玻纖布覆蓋裂縫居中貼置，寬1.2m，若遇弧形裂縫，則裁剪使之貼合；搭接長度50cm。

3)在聚酯玻纖布上方再灑布1層乳化瀝青，使之上表面與瀝青混凝土層連接緊密。

4)在黏層未干燥前應(yīng)封閉交通，不允許車輛駛?cè)?，以保護聚酯玻纖布粘貼牢靠；待黏層達到施工要求后，再鋪筑瀝青混凝土。

4.2 現(xiàn)場實施情況

本項目為廠區(qū)道路，道路面積2萬m2，主要為大面積的冷藏車回轉(zhuǎn)場，無明確的橫縫與縱縫，故對所有水泥混凝土板的接縫均鋪設(shè)聚酯玻纖布(見圖10)，施工時間為2021年9月30日，施工周期3d。

圖10 聚酯玻纖布鋪設(shè)情況

2022年9月1日進行第1次回訪，此時已通車超過半年，車型均為40ft集裝箱冷藏車或半掛冷藏車，經(jīng)原地調(diào)查，原先標(biāo)記的水泥混凝土接縫處的瀝青路面未出現(xiàn)裂縫，整體使用情況較好。

5 結(jié)語

本文基于20種技術(shù)組合方案，建立與之相對應(yīng)的有限元模型，開展力學(xué)分析，并結(jié)合定額測算每種方案對應(yīng)的成本，最后開展技術(shù)經(jīng)濟分析，得到以下結(jié)論。

1)在原方案基礎(chǔ)上，增加3cm結(jié)構(gòu)厚度可減小目標(biāo)位置處的拉應(yīng)力24.2%，同時增加29.8%的成本；上面層采用高強瀝青可減小目標(biāo)位置拉應(yīng)力11.5%，同時增加2.2%的成本；加鋪2cm橡膠應(yīng)力吸收層可減小目標(biāo)位置拉應(yīng)力66.6%，同時增加27.3%的成本；加鋪聚酯玻纖布隔離層可減小目標(biāo)位置拉應(yīng)力44.3%，增加2.4%的成本；本案例中，質(zhì)量和成本最優(yōu)組合為E1-C1。

2)對于抗反射裂縫性能的技術(shù)經(jīng)濟分析，應(yīng)考慮各技術(shù)方案對性能的增益是否達到或超過設(shè)計規(guī)范要求，為此，需對各方案做進一步的針對性驗算，求得剛好滿足規(guī)范要求的歸一化的質(zhì)量指標(biāo)后才可進行技術(shù)經(jīng)濟分析。

3)通過跟蹤實體工程實施過程，采用E1-C1方案，即水泥混凝土基層接縫處鋪設(shè)聚酯玻纖布方案的施工工藝操作簡單，施工質(zhì)量易于控制，但需注意聚酯玻纖布與黏層油粘貼牢靠后才能鋪筑面層瀝青，以減少碾壓對聚酯玻纖布的擾動。