王章彪

(邯鄲市交通局監(jiān)理中心)

近年來(lái),舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層形成PCC-AC復(fù)合式路面,已經(jīng)成為水泥混凝土路面破壞養(yǎng)護(hù)的一種經(jīng)濟(jì)有效的手段。但是近年超載車輛,特別是大幅度超限運(yùn)輸車輛日益顯著增加,后軸從限定的 100kN增加到180kN以上,輪胎充氣壓力從額定的 0.7MPa增加到0.9MPa以上,車輛的超載和重載化給這種復(fù)合式路面帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)PCC-AC復(fù)合式路面路段的病害主要表現(xiàn)在:(1)推移變形。該損壞主要是由于路面在行車荷載和高速行駛所產(chǎn)生水平力的綜合作用下引起的層間剪切變形。(2)路面分層。PCC與AC層之間分離現(xiàn)象嚴(yán)重甚至已完全喪失粘結(jié)力。(3)水損害。如果面層出現(xiàn)損毀,大量的降水將無(wú)阻隔的直接滲入到PCC與AC層之間,致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水損壞。針對(duì)上述現(xiàn)象,本研究將通過(guò)軟件計(jì)算分析PCC與AC層間在不同軸載作用下的接觸狀態(tài),并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)PCC與AC層間的夾層材料進(jìn)行研究。

1 PCC-AC層間剪應(yīng)力力學(xué)分析

由于水泥混凝土路面整體強(qiáng)度高、承載能力大,而瀝青面層屬于柔性材料,在重載作用下,間接導(dǎo)致了PCC與AC層間的剪應(yīng)力大幅增加?，F(xiàn)通過(guò)BISAR3.0來(lái)分析重載對(duì)層間接觸狀態(tài)的影響。計(jì)算采用典型的PCC-AC路面結(jié)構(gòu)見表1。

表1 PCC-AC典型結(jié)構(gòu)

計(jì)算時(shí)依據(jù)粘彈性層狀體系理論,假設(shè)PCC-AC路面結(jié)構(gòu)層間處于完全連續(xù)狀態(tài),設(shè)行車方向?yàn)閄方向,道路橫斷方向?yàn)?Y方向,豎直向下為 Z方向,摩阻系數(shù)取 0.3,計(jì)算結(jié)果見表 2所示。

表2 沿Y方向深度為5cm層間各點(diǎn)剪應(yīng)力

圖1 不同軸載作用下PCC與AC層間剪應(yīng)力分布

從圖 1可以看出,最大剪應(yīng)力發(fā)生在沿 Y方向 1.5σ點(diǎn)處,即輪中心點(diǎn)的位置上。且隨著軸重的增加,剪應(yīng)力值也隨之增加,整體受力分布和標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)的受力分布規(guī)律大體一致,當(dāng)超載達(dá)到 180kN時(shí)的剪應(yīng)力較標(biāo)準(zhǔn)荷載時(shí)的剪應(yīng)力增大了 1倍。在荷載的作用下,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,在較大的剪應(yīng)力的作用下會(huì)造成層間破壞。在荷載的作用下,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,在較大的剪應(yīng)力的作用下會(huì)造成層間破壞。同時(shí)由于我國(guó)路面存在嚴(yán)重的超載情況,加劇了這種破壞的發(fā)展,一旦PCC與AC層脫離,變?yōu)橥耆瑒?dòng)狀態(tài),AC層層底和路表輪跡帶邊緣均產(chǎn)生較大的彎拉應(yīng)力,從而造成兩頭受拉的情況。

取Y方向1.5σ點(diǎn)處作為最大剪應(yīng)力點(diǎn),計(jì)算沿Z軸方向路面深度內(nèi)的剪應(yīng)力變化趨勢(shì)。

由圖 2可以看出,面層是剪應(yīng)力主要集中的區(qū)域,夾層位置處剪應(yīng)力最大,出現(xiàn)位置位于h=5cm處。從表面層下5cm開始,隨路面深度的增加,剪應(yīng)力逐漸減少,且衰減幅度很大。這說(shuō)明AC層與PCC層之間是一個(gè)剪應(yīng)力集中區(qū)域,也是一個(gè)過(guò)渡區(qū)域。當(dāng)剪應(yīng)力衰減到一定范圍內(nèi),軸載增大對(duì)剪應(yīng)力值的影響趨于穩(wěn)定。上述力學(xué)分析表明:當(dāng)汽車高速行駛在路面上時(shí),如果緊急或者緩慢制動(dòng),或是在長(zhǎng)大縱坡緩慢行駛,都會(huì)產(chǎn)生較大的水平力,從而會(huì)在路面結(jié)構(gòu)的面層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力是使PCC與AC層產(chǎn)生嚴(yán)重剪切形變及轍槽的重要原因。剪應(yīng)力愈大,剪切形變及轍槽愈嚴(yán)重。

圖2 不同軸載下PCC與AC剪應(yīng)力與深度關(guān)系

2 PCC-AC層間剪切試驗(yàn)

剪切試驗(yàn)為了測(cè)定PCC-AC層間不同夾層材料的抗剪強(qiáng)度,為PCC-AC層間材料的選取提供依據(jù)。為了更好的模擬真實(shí)路面結(jié)構(gòu),本實(shí)驗(yàn)借助多功能路面層間剪切儀對(duì)不同的夾層材料進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

SBS油氈、玻纖格柵、同步碎石封層、粘層油 +土工布被常用在PCC-AC夾層結(jié)構(gòu)中,因此試驗(yàn)分別對(duì)比了這幾種材料抗剪強(qiáng)度。首先用擊實(shí)法成型一層高度為63.5mm± 0.3mm的馬歇爾水泥混凝土試件,養(yǎng)生好后在其上均勻涂上層間夾層材料,然后用靜壓法成型 5cm厚瀝青混合料。試驗(yàn)溫度為20℃,剪切速率為 10mm/min,剪切時(shí),當(dāng)剪應(yīng)力衰減到峰值時(shí)的 20%時(shí),試驗(yàn)停止。剪切數(shù)據(jù)如表 3所示。

表3 抗剪強(qiáng)度

從表3可以看出,SBS油氈的抗剪強(qiáng)度最大,粘層油+土工布的抗剪強(qiáng)度最小。SBS油氈與玻纖格柵的抗剪強(qiáng)度均大于 180kN時(shí)層間最大剪應(yīng)力。同步碎石封層抗剪強(qiáng)度為0.4153,而BISAR計(jì)算出180kN重載時(shí)層間剪應(yīng)力最大值為 0.417MPa,大于同步碎石封層的抗剪強(qiáng)度,說(shuō)明在180kN軸載下,采用同步碎石封層會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。粘層油+土工布的抗剪強(qiáng)度為0.3491MPa,僅滿足于140kN軸載下層間的剪應(yīng)力。

3 結(jié) 論

(1)超重荷載引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力大幅增加,使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪切形變,這種剪應(yīng)力的增加會(huì)使路面的損壞過(guò)程加快。

(2)層間接觸條件對(duì)層間所受剪應(yīng)力大小有很大的影響。隨著層間界面趨向光滑,PCC與AC層間所受到的剪應(yīng)力不斷增大。

(3)在對(duì)PCC-AC路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),不但要確定適宜的結(jié)構(gòu)層厚度,而且需要對(duì)夾層材料進(jìn)行研究。夾層材料的抗剪強(qiáng)度應(yīng)大于PCC-AC層間的最不利狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度。

[1] 楊太欽.PCC-AC復(fù)合式路面典型結(jié)構(gòu)研究[D].廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[2] 劉浙湘.舊水泥混凝土路面瀝青罩面技術(shù)研究[J].中外公路,2009,(2).

[3] BiooksEW,CountrymanR.GeotextileFabricsunderanAsphalt ConcreteOverlaytoRetardReflectiveCracking[R].Federal HighwayAdministration,1999.