全　鋒

(1.衡陽(yáng)市衡通公路橋梁勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖南 衡陽(yáng)　421001；2.衡陽(yáng)市公路管理局，湖南 衡陽(yáng)　421001)

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重載交通碎石化加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

全鋒1，2

(1.衡陽(yáng)市衡通公路橋梁勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖南 衡陽(yáng)421001；2.衡陽(yáng)市公路管理局，湖南 衡陽(yáng)421001)

針對(duì)特重交通荷載等級(jí)下，對(duì)國(guó)道G107路面改造工程的碎石化加鋪瀝青路面的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化分析。采用ANSYS有限元軟件建模分層分析碎石化加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)的層底拉應(yīng)力及溫度應(yīng)力的力學(xué)性能，最終分析出最優(yōu)的碎石化加鋪瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合，并利用層狀彈性體系理論程序HPDS2011對(duì)該優(yōu)化結(jié)構(gòu)層進(jìn)行驗(yàn)算，滿足設(shè)計(jì)要求。

；路面改造；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；碎石化；加鋪瀝青路面；有限元；優(yōu)化

水泥混凝土路面改造中的“白改黑”方案，是對(duì)原水泥混凝土路面面層進(jìn)行破碎后并壓實(shí)處理，即對(duì)原水泥混凝土碎石化處理，再加鋪瀝青面層(或基層+瀝青面層)。與這種施工工藝源自美國(guó)，2002年引進(jìn)國(guó)內(nèi)，近幾年在國(guó)內(nèi)開(kāi)始推廣，筆者所在城市是2007年才首次采用了碎石化工藝對(duì)本區(qū)域一條干線公路進(jìn)行路面改造，之后陸續(xù)在國(guó)省干線的路面大修改造中推廣了碎石化技術(shù)。

目前交通運(yùn)輸行業(yè)形勢(shì)嚴(yán)峻，車輛超載情況屢見(jiàn)不鮮，嚴(yán)重影響和縮短了區(qū)域內(nèi)各公路及城市道路路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，對(duì)碎石化改造路面更是如此。優(yōu)化特重交通荷載等級(jí)下的碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)今后的水泥路面改造具有很迫切的現(xiàn)實(shí)意義。本次研究的G107路面改造項(xiàng)目為本區(qū)域典型的重載交通下的舊水泥路面碎石化加鋪瀝青路面的改造工程。

1　碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

針對(duì)碎石化路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要有2個(gè)控制性指標(biāo)；①交通荷載等級(jí)，即項(xiàng)目道路的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次；②碎石化老路面的回彈模量。

1.1交通荷載等級(jí)取值

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化采用G107路面改造項(xiàng)目的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次的等級(jí)：特重交通荷載等級(jí)，累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次：1.7×108(以設(shè)計(jì)彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標(biāo))。

1.2路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

G107路面改造項(xiàng)目的原設(shè)計(jì)方案的路面結(jié)構(gòu)層為：

上面層：4 cm細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13；

下面層：6 cm中粒式瀝青混凝土AC-20；

連接層：1 cm瀝青下封層+透層；

基層：24 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石；

基層：21 cm 4%水泥穩(wěn)定碎石；

底基層：破碎原水泥路面作底基層。

由于碎石化處理后的舊水泥路面情況比較復(fù)雜[1，2]，基本上分為兩層，為更符合實(shí)際情況，根據(jù)G107線路面改造項(xiàng)目的路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)方案，以及本區(qū)域其它碎石化工藝項(xiàng)目的路面結(jié)構(gòu)情況，確定本次優(yōu)化研究的路面結(jié)構(gòu)模型如表1所示：其中計(jì)算層1至計(jì)算層4的具體厚度將根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要選取。

表1 優(yōu)化后路面結(jié)構(gòu)模型表序號(hào)結(jié)構(gòu)層名稱厚度/cm備注1細(xì)粒式瀝青混凝土計(jì)算層12中粒式瀝青混凝土計(jì)算層23粗粒式瀝青混凝土計(jì)算層34水泥穩(wěn)定碎石計(jì)算層45碎石化上層126碎石化下層127原路面(原路面基層)

1.3路面結(jié)構(gòu)材料模量取值

路面結(jié)構(gòu)材料的回彈模量，無(wú)論是半剛性材料還是瀝青路面材料的指標(biāo)都較為成熟，關(guān)鍵是控制水泥路面碎石化層結(jié)構(gòu)的回彈模量，根據(jù)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究資料和G107線路面改造項(xiàng)目的工程實(shí)踐情況，碎石化層結(jié)構(gòu)的回彈模量也趨于一個(gè)較穩(wěn)定的區(qū)間，一般情況下>200 MPa。

本次結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究碎石化處理后的碎石化層上層取模量取200 MPa；碎石化層下層由未完全斷開(kāi)的水泥砼塊組成，鑲嵌緊密，根據(jù)國(guó)外相關(guān)研究資料[3]表明，下層模量取3 450 MPa；原路面基層模量取1 100 MPa，原路基頂面的回彈模量取150 MPa。其它瀝青面層、穩(wěn)定類基層等結(jié)構(gòu)層取值均采用常規(guī)設(shè)計(jì)模量。

2　碎石化加鋪瀝青砼路面結(jié)構(gòu)的有限元分析

2.1碎石化加鋪瀝青砼路面結(jié)構(gòu)有限元模型的建立

本次根據(jù)本區(qū)域項(xiàng)目實(shí)施經(jīng)驗(yàn)及參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，確定各種路面材料的計(jì)算參數(shù)，如表2所示。進(jìn)行路面力學(xué)計(jì)算時(shí)，基于彈性層狀體系，考慮為標(biāo)準(zhǔn)荷載作用形式，采用 ANSYS建立三維應(yīng)力模型，分析路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力情況，并對(duì)照分析評(píng)價(jià)碎石化路面加鋪層設(shè)計(jì)方案的最優(yōu)結(jié)構(gòu)厚度。

汽車荷載采用《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定的雙輪組單軸載BZZ-100作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。軸載參數(shù)見(jiàn)表3所示。為方便計(jì)算，模型尺寸統(tǒng)一采用：寬×長(zhǎng)=3.5 m×2.2 m。

表2 有限元材料計(jì)算參數(shù)表路面結(jié)構(gòu)材料厚度h/cm模量E/MPa密度ρ/(kg·m-3)泊松比υ上面層細(xì)粒式瀝青混凝土4～6130020000.25中面層中粒式瀝青混凝土4～8110020000.25下面層粗粒式瀝青混凝土4～10100021500.25新基層水泥穩(wěn)定碎石15～50140021000.25碎石化上層舊水泥混凝土板1220022000.25碎石化下層舊水泥混凝土板12345022000.25原路面基層水泥穩(wěn)定類基層20110018500.25

表3 標(biāo)準(zhǔn)軸載計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)軸載P/kN輪胎接地壓強(qiáng)p/MPa單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d/cm兩輪中心距1000.721.31.5d

2.2水穩(wěn)基層厚度的分析

1) 根據(jù)G107路面改造項(xiàng)目的路面設(shè)計(jì)情況，首先擬定控制加鋪水穩(wěn)基層厚度設(shè)定路面結(jié)構(gòu)方案，如表4所示。

2) 車輛荷載應(yīng)力分析通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算后，各個(gè)方案的碎石化結(jié)構(gòu)方案在車輛的標(biāo)準(zhǔn)軸載下，結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力分析如下：

如圖1、圖2、圖3所示，水泥穩(wěn)定碎石層和細(xì)粒式瀝青混凝土層的拉應(yīng)力值隨水穩(wěn)層厚度的增厚而逐漸降低，其中水泥穩(wěn)定碎石厚度為15～35 cm的區(qū)間降低趨勢(shì)較為明顯，降幅約為7.1%～3.8%左右；厚度為35～50 cm的區(qū)間降低趨勢(shì)較為緩和，降幅基本穩(wěn)定在1%左右。由此可認(rèn)為，35 cm的厚度附近是水泥穩(wěn)定碎石的最優(yōu)厚度界線。

表4 控制加鋪水泥穩(wěn)定基層厚度結(jié)構(gòu)方案表方案序號(hào)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度/cm瀝青砼細(xì)粒式中粒式水泥穩(wěn)定碎石基層碎石化上層下層原路面基層1461512122024620121220346251212204463012122054635121220646401212207464512122084650121220

行車道方向　　　　　　垂直行車道方向

行車道方向　　　　　　垂直行車道方向

圖2　水泥穩(wěn)定碎石層拉應(yīng)力圖

圖3　細(xì)粒式瀝青混凝土層拉應(yīng)力圖

2.3瀝青面層厚度的分析

1) 前述分析表明，水泥穩(wěn)定碎石基層最優(yōu)厚度適宜采用35 cm，再以控制加鋪瀝青面層厚度設(shè)定路面結(jié)構(gòu)方案，如表5所示。

2) 車輛荷載應(yīng)力分析。

通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算后，各個(gè)方案的碎石化結(jié)構(gòu)方案在車輛的標(biāo)準(zhǔn)軸載下，結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力分析如下：

如圖4、圖5所示，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)的基層固定為35 cm厚水泥穩(wěn)定碎石，其細(xì)粒式瀝青混凝土層的拉應(yīng)力值隨瀝青面層厚度的增厚而逐漸增加，當(dāng)瀝青面層厚度為8 cm厚度附近時(shí)，拉應(yīng)力趨勢(shì)出現(xiàn)明顯變化。當(dāng)瀝青面層厚度為6～8 cm的區(qū)間，拉應(yīng)力增加趨勢(shì)較為明顯，增幅約為4.5%～6.9%左右；8～20 cm的區(qū)間降低趨勢(shì)較為緩和，增幅基本穩(wěn)定在0.4%左右。由此選定，10 cm的厚度附近是瀝青混凝土面層的最優(yōu)厚度界線。

表5 控制加鋪瀝青面層厚度結(jié)構(gòu)方案表方案序號(hào)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)厚度/cm瀝青砼細(xì)粒式中粒式粗粒式水泥穩(wěn)定碎石基層碎石化上層下層原路面基層16351212202443512122034635121220448351212205464351212206466351212207468351212208461035121220

行車道方向　　　　　　垂直行車道方向

圖5　細(xì)粒式瀝青混凝土層拉應(yīng)力圖

3) 溫度應(yīng)力分析。

根據(jù)表5中路面結(jié)構(gòu)，通過(guò)ANSYS有限元計(jì)算，模擬本地區(qū)平均氣溫上升20 ℃和下降20 ℃的變化情況，對(duì)結(jié)構(gòu)層表層瀝青面層的溫度應(yīng)力的影響，溫度應(yīng)力分析如下：

如圖6、圖7、圖8所示，當(dāng)路面結(jié)構(gòu)的基層固定為35 cm厚水泥穩(wěn)定碎石，其細(xì)粒式瀝青混凝土層的溫度應(yīng)力值隨瀝青面層厚度的增厚而逐漸增加并趨于穩(wěn)定，當(dāng)瀝青面層厚度大于8 cm之后，溫度應(yīng)力出現(xiàn)明顯穩(wěn)定趨勢(shì)。由此選定，10 cm的厚度附近是瀝青混凝土面層的最優(yōu)厚度界線。

行車道方向　　　　　　垂直行車道方向

行車道方向　　　　　　垂直行車道方向

圖7　瀝青砼層溫度應(yīng)力圖(升溫20 ℃)

圖8　瀝青砼層溫度應(yīng)力圖(降溫20 ℃)

2.4有限元分析結(jié)論

根據(jù)有限元分析結(jié)果，碎石化加鋪瀝青砼路面的最優(yōu)結(jié)構(gòu)組合為：35 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+10 cm瀝青砼面層。該結(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用及溫度變化下，所受最大拉應(yīng)力及溫度應(yīng)力處于最優(yōu)的狀態(tài)。

3　優(yōu)化后瀝青路面結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算

根據(jù)前節(jié)分析的優(yōu)化結(jié)構(gòu)層組合，利用層狀彈性體系理論程序《公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)》HPDS2011對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，論證該結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。

驗(yàn)算碎石化路面結(jié)構(gòu)厚度如表6所示。

表6 路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算厚度序號(hào)結(jié)構(gòu)層名稱厚度/cm備注1細(xì)粒式瀝青混凝土42中粒式瀝青混凝土6計(jì)算層13水泥穩(wěn)定碎石35計(jì)算層24碎石化上層125碎石化下層126原路面基層20

各結(jié)構(gòu)層的材料模量取值與前章相同，其他計(jì)算參數(shù)參照G107項(xiàng)目的情況選取。

分別以計(jì)算層1與計(jì)算層2作為計(jì)算層驗(yàn)算，設(shè)計(jì)彎沉情況與最大層底拉應(yīng)力值如表7所示。

計(jì)算結(jié)果表明，路面優(yōu)化結(jié)構(gòu)中瀝青面層厚度為10 cm，水泥穩(wěn)定層厚度為35 cm。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)構(gòu)能滿足G107線路面改造項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。該項(xiàng)目原設(shè)計(jì)瀝青面層采用10 cm是較為合適的，原設(shè)計(jì)水泥穩(wěn)定基層厚度45 cm較為保守，厚度可優(yōu)化減薄10 cm。證明碎石化處理后的原路面的實(shí)際承載效果更好，原項(xiàng)目設(shè)計(jì)的路面結(jié)構(gòu)為加強(qiáng)方案。

表7 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算成果結(jié)構(gòu)層厚度/cm是否滿足設(shè)計(jì)彎沉要求層底最大拉應(yīng)力/MPa計(jì)算層1計(jì)算層2設(shè)計(jì)拉應(yīng)力/MPa細(xì)粒式瀝青混凝土AC-134是-0.137-0.1340.23中粒式瀝青混凝土AC-206是-0.102-0.0970.155%水泥穩(wěn)定碎石(基層)20是0.0530.0530.134%水泥穩(wěn)定碎石(基層)15是0.1190.1140.13

4　結(jié)語(yǔ)

1) 通過(guò)ANSYS有限元軟件建模分析，水泥穩(wěn)

定碎石層和細(xì)粒式瀝青混凝土層的層底拉應(yīng)力值隨水泥穩(wěn)定碎石層厚度的增厚而逐漸降低并趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為：水泥穩(wěn)定碎石層最優(yōu)厚度適宜采用35 cm。

2) 通過(guò)ANSYS有限元軟件建模分析，水泥穩(wěn)定碎石基層厚度采用35 cm時(shí)，細(xì)粒式瀝青混凝土層的層底拉應(yīng)力值及溫度應(yīng)力值隨瀝青混凝土厚度的增厚而逐漸增加并趨于穩(wěn)定。分析認(rèn)為：瀝青混凝土最優(yōu)厚度適宜采用10 cm。

3) 采用HPDS2011軟件的驗(yàn)算，優(yōu)化結(jié)構(gòu)厚度“10+35”能滿足G107線路面改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)要求，原設(shè)計(jì)的碎石化加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)方案仍然有優(yōu)化空間。

[1]王松根，張玉宏，曹茂坤，等.水泥混凝土路面碎石化改造技術(shù)應(yīng)用與探討[J].公路，2004(5)：31-35.

[2]黃曉明，張玉宏，李昶，等.水泥混凝土路面碎石化層應(yīng)力強(qiáng)度因子有限元分析[J].公路交通科技，2006，23(2)：52- 56.

[3]邵學(xué)良，秦興華，王胤，等.碎石化水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)[J].城市道橋與防洪，2009(5)：31-35.

[4]JTG D50-2006，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2016-03-30

全鋒(1982-)，男，工程碩士，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)。

；1008-844X(2016)03-0027-04

；U 416.2

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