灌注式復(fù)合混凝土在重交通路面中的層位設(shè)置研究

王 毅

(遼寧新發(fā)展公路科技養(yǎng)護(hù)有限公司 沈陽(yáng)市 110103)

0 引言

經(jīng)濟(jì)建設(shè)快速發(fā)展使公路建設(shè)迎來(lái)重大發(fā)展機(jī)遇的同時(shí),也面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。一方面,公路里程需求與質(zhì)量要求快速增長(zhǎng),另一方面,資金相對(duì)不足無(wú)法大規(guī)模建設(shè)高質(zhì)量公路[1]。因此,在有限資金條件下,通過(guò)不斷改進(jìn)技術(shù),提高公路建設(shè)質(zhì)量,成為廣大公路建設(shè)者的共同追求[2]。

長(zhǎng)期以來(lái),全國(guó)已建大規(guī)模公路網(wǎng)瀝青路面損壞給路面維修造成較大壓力,特別是隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,交通荷載出現(xiàn)了不同以往的新特點(diǎn)[3]。交通量不斷激增,且重載、超載車輛比例也在不斷攀升,加之部分道路由于設(shè)計(jì)不合理、建養(yǎng)技術(shù)老舊、使用壽命短、耐久性差以及后期養(yǎng)護(hù)不到位等諸多因素,使得路面結(jié)構(gòu)損傷逐漸加劇,極大加速路面使用狀況的衰變,實(shí)際使用壽命大大縮短,多數(shù)瀝青路面不得不提前進(jìn)行中修、大修[4]。為滿足路面使用性能和耐久性要求,增加路面厚度后,路面損壞情況仍未得到有效控制,該現(xiàn)象在寒冷地區(qū)表現(xiàn)得尤為突出。

大量工程應(yīng)用表明,灌注式復(fù)合混凝土路面是一種全新的,集材料、結(jié)構(gòu)與功能性于一體的高強(qiáng)耐久路面[5],可應(yīng)用于各等級(jí)公路的鋪筑和升級(jí)改造,尤其適用于重交通干道、長(zhǎng)大縱坡、高車阻路段、道路交叉口、公交和汽車等?？空?、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)等路面的鋪筑。該技術(shù)最早于1954年在法國(guó)提出,并在科涅雅克航空港噴氣式飛機(jī)跑道上作為耐熱路面進(jìn)行了試驗(yàn)鋪筑[6]。至20世紀(jì)70年代,英、美、前蘇聯(lián)等國(guó)相繼在路面工程、港口碼頭、機(jī)場(chǎng)路面中應(yīng)用。近年來(lái),復(fù)合混凝土路面技術(shù)在我國(guó)功能性路面中的應(yīng)用逐漸增多。該技術(shù)不僅可提升路面使用品質(zhì),延長(zhǎng)使用壽命,降低道路養(yǎng)護(hù)維修頻次,也可較大程度提高行車的安全性和舒適度,使行駛環(huán)境得到明顯改善,增加暢通,降低社會(huì)車輛運(yùn)營(yíng)成本,創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

文章采用數(shù)值模擬對(duì)重交通干線路面進(jìn)行受力分析,提出灌注式復(fù)合混凝土在重交通干線路面的適宜層位,并結(jié)合實(shí)體工程進(jìn)行驗(yàn)證,使之能夠更好發(fā)揮功能層的使用特點(diǎn),改善重交通路面整體性能及使用效果,為各級(jí)管理者科學(xué)決策提供技術(shù)支持。

1 工程概況

選取遼寧省代表性國(guó)道G304(丹霍線)威寧至候屯段。該路段屬普通公路極重交通干線,為一級(jí)公路。原路面結(jié)構(gòu)為4cm SBS改性瀝青混凝土AC-13(上面層)+6cm SBS改性瀝青混凝土AC-20(下面層)+40cm水泥穩(wěn)定碎石基層+15cm就地冷再生基層。

該路段重載車輛偏多,多為水泥、石料、鋼材等重載運(yùn)輸車輛,且超載現(xiàn)象十分嚴(yán)重。同時(shí),該路段交通量增長(zhǎng)速度已超出可研階段預(yù)測(cè)的交通量增速。至2016年底,全線多數(shù)路段瀝青路面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的車轍、擁包、推移、龜裂等病害,車轍深度在5～12.5cm,其中5cm以上車轍路段約占路線總長(zhǎng)度的41.7%,尤其是彎道爬坡及道路交叉口路段,已嚴(yán)重影響行車安全及道路正常運(yùn)營(yíng)。

2017年,根據(jù)該路段建設(shè)性質(zhì)及重載交通現(xiàn)狀,對(duì)全線瀝青路面進(jìn)行維修處治,并對(duì)路面病害嚴(yán)重區(qū)域采用灌注式復(fù)合混凝土及其結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗(yàn)性鋪筑。

2 灌注式復(fù)合混凝土層位設(shè)置分析

2.1 灌注式復(fù)合混凝土路面技術(shù)介紹

灌注式復(fù)合混凝土路面是以開(kāi)級(jí)配大空隙(18%～28%)特種瀝青混合料為基體,灌入特制高性能水泥基灌漿材料填充其內(nèi)部空隙形成的一種“剛?cè)岵?jì)”的新型路面材料與結(jié)構(gòu),具有高強(qiáng)、早強(qiáng)、抗裂、防滑、耐油蝕等特性。

2.2 層位設(shè)置分析

重交通瀝青路面車轍和推移等病害,其力學(xué)機(jī)制實(shí)質(zhì)是剪應(yīng)力作用下的形狀改變問(wèn)題,特別是重壓輪胎的水平作用力對(duì)剪應(yīng)力場(chǎng)的影響更為顯著。

在縱坡路段,重載車輛慢速行駛過(guò)程中,其重力會(huì)施加給垂直于路面的垂直作用力,同時(shí)還施加給平行于路表面的水平作用力。而在道路交叉口處,車輛頻繁制動(dòng)、啟動(dòng),也會(huì)施加給路面較大的水平力。就力學(xué)機(jī)制而言,路表面承受單向水平作用力屬于典型的非軸對(duì)稱問(wèn)題,自然會(huì)加劇路面各層,特別是面層瀝青混合料的剪應(yīng)力、偏應(yīng)力,從而導(dǎo)致瀝青層更易發(fā)生塑性屈服等形狀改變,這也是車轍、推移病害產(chǎn)生的最主要原因。因此,以現(xiàn)行《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017)提出的水平力系數(shù)為指標(biāo)(水平力系數(shù)f=水平力/垂直力,用以表征施加在路表面的水平力大小),基于路面剪應(yīng)力場(chǎng)分析,論證不同路段灌注式復(fù)合混凝土適宜的結(jié)構(gòu)層位。

2.2.1結(jié)構(gòu)層計(jì)算力學(xué)參數(shù)

為對(duì)比分析灌注式復(fù)合混凝土最佳抗剪層位,以一般路段(包括縱坡路段)、道路交叉口等路段典型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),計(jì)算灌注式復(fù)合混凝土分別用于不同路段的面層剪應(yīng)力分布,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)

考慮到該路段超載車較多,直接采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)荷載與實(shí)際交通荷載情況差異較大,因此需適度考慮超載情況。最終考慮50%超載,軸重為150kN,輪胎接地壓強(qiáng)為0.9MPa。

在車輪與路面接觸面上,除了垂直于路面的法向力外,還有平行于路表面的水平剪應(yīng)力。當(dāng)汽車進(jìn)行制動(dòng)、啟動(dòng)、加減速行駛時(shí),在勻速情況下,水平剪應(yīng)力的大小一般為垂直作用力的0.1倍左右;在正常啟動(dòng)情況下,為垂直力的0.1～0.2倍;啟動(dòng)較迅速時(shí),可達(dá)0.3～0.4倍;在一般制動(dòng)時(shí),為垂直力的0.5～0.7倍;緊急剎車時(shí),為垂直力的0.7～1.0倍。考慮交叉口車輛啟剎較為頻繁,取水平制動(dòng)系數(shù)f為0.5。

2.2.2有限元建模

利用對(duì)稱性建立模型,如圖1所示。各結(jié)構(gòu)層均采用SOLID 45單元。荷載作用區(qū)域加密網(wǎng)格,其他區(qū)域網(wǎng)格的最大邊長(zhǎng)為10cm。深度方上面層單元厚度為1cm,下面層單元厚度為2cm,基層、墊層和路基單元厚度均為10cm。在底面施加完全約束,在側(cè)面施加法向約束,在對(duì)稱面施加對(duì)稱條件。

圖1 有限元模型

2.2.3原路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果

最大剪應(yīng)變?cè)谠访娼Y(jié)構(gòu)分布見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 最大剪應(yīng)變?cè)诿鎸臃植?f=0.5)

圖3 最大剪應(yīng)變?cè)诿鎸臃植?f=0)

根據(jù)力學(xué)計(jì)算結(jié)果可知:

對(duì)于原路面結(jié)構(gòu),在一般路段,即不考慮水平荷載條件下,最大剪應(yīng)變主要分布在下面層和上面層底部,分布范圍較大,容易產(chǎn)生嚴(yán)重車轍問(wèn)題。

在交叉口路段,考慮剎車啟動(dòng)的影響及水平荷載,最大剪應(yīng)變位置顯著上移,最大位置發(fā)生在路表,在輪胎與路面接觸邊緣集中分布。

綜上,在道路交叉口路面和一般路面(包括縱坡路段)的最大剪應(yīng)變分布存在顯著差異,其車轍發(fā)生發(fā)展的力學(xué)機(jī)制不同,有必要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于交叉口復(fù)合路面結(jié)構(gòu),灌注式復(fù)合混凝土代替6cm SBS改性瀝青混凝土AC-20下面層,對(duì)于一般路段(包括縱坡路段)復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu),灌注式復(fù)合混凝土代替4cm SBS改性瀝青混凝土AC-13上面層。

(1)道路交叉口復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果:對(duì)于交叉口復(fù)合路面結(jié)構(gòu),考慮水平荷載下最大剪應(yīng)變分布。交叉口復(fù)合路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變主要分布在上面層,集中于路表輪胎與路面接觸的邊緣,如圖4所示。

圖4 灌注式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變?cè)诿鎸臃植紙D(道路交叉口)

(2)一般路段復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算結(jié)果:對(duì)于一般路段(包括縱坡路段)復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu),最大剪應(yīng)變?cè)诿鎸臃植既鐖D5所示。

圖5 灌注式復(fù)合路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變?cè)诿鎸臃植紙D(一般路段)

(a)在一般路段(包括縱坡路段),復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變主要分布在下面層,且與原始結(jié)構(gòu)相比,上面層的剪應(yīng)變明顯減小。因此,在下面層采用抗車轍性能優(yōu)異的灌注式復(fù)合混凝土路面材料,在上面層采用綜合性能突出的SBS改性瀝青混合料,符合路面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),能夠起到良好的抗車轍作用。

(b)在道路交叉口路段,復(fù)合混凝土路面結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變主要分布在上面層,上面層剪應(yīng)變較大。因此,在道路交叉口路段的上面層采用抗車轍性能優(yōu)異的灌注式復(fù)合混凝土路面材料,符合路面結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),能夠起到良好的抗車轍作用。

3 工程應(yīng)用

3.1 灌注式復(fù)合混凝土路面鋪筑

選取典型路段K229+800～K231+000(1.2km)長(zhǎng)大重載爬坡路段右幅,維修方案為:銑刨原瀝青路面面層,加鋪5cm灌注式復(fù)合混凝土中面層+4cm改性瀝青混凝土上面層。選取李時(shí)珍大街、藥都博物館、南上街道路交叉口,維修方案為:銑刨原路面5cm,加鋪5cm灌注式復(fù)合混凝土上面層。

2017年8月上旬,完成了國(guó)道G304(丹霍線)灌注式復(fù)合混凝土路面試驗(yàn)段鋪筑。

3.2 試驗(yàn)路運(yùn)營(yíng)狀況跟蹤觀測(cè)

截至2022年4月,經(jīng)過(guò)56個(gè)月的運(yùn)營(yíng),國(guó)道G304丹霍線長(zhǎng)大縱坡及道路交叉口處的灌注式復(fù)合混凝土路面總體運(yùn)營(yíng)狀況良好。如圖6所示,長(zhǎng)大縱坡段(K229+800～K231+000)僅面層SBS改性瀝青混凝土局部路面出現(xiàn)了輕度車轍(平均車轍深度0.8cm,最大車轍深度1.2cm),無(wú)沉陷、推移、龜裂等其他不良狀況發(fā)生。

圖6 長(zhǎng)大縱坡段中面層復(fù)合混凝土路面運(yùn)營(yíng)狀況

經(jīng)過(guò)對(duì)灌注式復(fù)合混凝土路面試驗(yàn)路的跟蹤觀測(cè)與檢測(cè)可知,復(fù)合混凝土路面既提高了重壓輪載作用下路面的高溫穩(wěn)定性(抗剪切能力),也有效改善了下面層疲勞開(kāi)裂(抗彎拉強(qiáng)度高),避免行車輪載的沖擊破壞,使路面使用性能得到大幅度提升,取得了預(yù)期效果。

3.3 縱坡路段表面層車轍產(chǎn)生原因分析

經(jīng)調(diào)查,長(zhǎng)大縱坡段路面車轍均發(fā)生在SBS改性瀝青混凝土表面層,屬表層路面壓密型車轍,而5cm灌注式復(fù)合混凝土中面層未發(fā)生豎向變形,其路面結(jié)構(gòu)完整;道路交叉口路段上面層5cm復(fù)合混凝土路面運(yùn)營(yíng)狀況良好。

(1)在長(zhǎng)大重載爬坡路面結(jié)構(gòu)中,重壓輪載會(huì)施加給垂直于路面的壓應(yīng)力及平行于路表的剪切應(yīng)力,從而導(dǎo)致SBS改性瀝青層在夏季高溫時(shí)段受重壓輪載作用發(fā)生剪切變形。

(2)長(zhǎng)大爬坡段路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力主要集中分布在中、下面層,而5cm復(fù)合混凝土路面作為中面層正是起到連接和擴(kuò)散荷載的作用,可以抵抗較大的塑性和剪切變形。因此,復(fù)合混凝土路面長(zhǎng)大縱坡試驗(yàn)段面層較其他爬坡路段車轍更輕。

4 結(jié)論

基于灌注式復(fù)合混凝土設(shè)計(jì)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果,分析得出:

(1)依據(jù)非軸對(duì)稱層狀彈性體系力學(xué)理論,基于不同水平力系數(shù)、垂直荷載下的瀝青路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力分析,論證了不同路段下灌注式復(fù)合混凝土的適宜層位。

(2)在一般路段(包括縱坡路段),水平力系數(shù)較小,將灌注式復(fù)合混凝土用于中面層(面層為3層)或下面層(面層為2層),以有效抵抗剪切破壞和面層永久變形。

(3)在道路交叉口路段,其水平力系數(shù)較大,表面層的最大剪應(yīng)力也較大,而下面層受拉。因此,將灌注式復(fù)合混凝土用于表面層以抵抗較大的剪切應(yīng)力,同時(shí)考慮復(fù)合混凝土優(yōu)良的抗疲勞特性及較大的劈裂抗拉強(qiáng)度,可將其用于上面層以抵抗下面層的疲勞開(kāi)裂。

(4)研究結(jié)果驗(yàn)證了復(fù)合混凝土路面層位設(shè)置的適用性及可行性,為該技術(shù)在重交通道路中的應(yīng)用積累基礎(chǔ)性數(shù)據(jù),為各級(jí)管理者進(jìn)行科學(xué)決策提供技術(shù)支持。