蔡葉瀾

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

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大修工程不同車道瀝青路面結(jié)構(gòu)搭接受力分析

蔡葉瀾

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350000)

不同車道瀝青路面搭接是舊瀝青路面大修工程中需要面臨的問(wèn)題，其搭接方式對(duì)新建路面結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有較大影響，直接影響著路面的使用壽命。文章依托實(shí)體工程，通過(guò)建立ABAQUS二維有限元模型，分析不同搭接寬度下，瀝青加鋪面層的拉應(yīng)力與剪應(yīng)力的變化規(guī)律。分析表明：瀝青加鋪面層最大拉應(yīng)力隨著搭接寬度的增大呈先增后減，最后趨于穩(wěn)定，而最大剪應(yīng)力隨著搭接寬度的增加呈冪函數(shù)式遞減。最后提出大修工程中不同車道路面搭接的技術(shù)建議。

大修工程;搭接寬度;拉應(yīng)力;剪應(yīng)力

0 引言

瀝青路面是我國(guó)城市道路路面的主要結(jié)構(gòu)型式，早期修建的瀝青路面已經(jīng)到達(dá)使用年限，相繼進(jìn)入養(yǎng)護(hù)及改、擴(kuò)建階段。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，對(duì)于多車道的橫斷面型式，不同車道的路面病害嚴(yán)重程度往往相差較大，且以中間車道病害最為嚴(yán)重，可能原因在于中間車道重載車輛使用頻率較高，且車速較慢，加速了路面的損壞。因此，對(duì)于同一斷面內(nèi)不同車道病害嚴(yán)重程度不一的情況，存在不同舊路處治手段，對(duì)于病害較少、彎沉較小的車道可以考慮直接加鋪罩面；然而，對(duì)于病害較多、彎沉較大的車道應(yīng)對(duì)舊路基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)后，方可加鋪瀝青面層。此時(shí)，對(duì)于同一斷面內(nèi)，不同車道新舊路面結(jié)構(gòu)層之間存在著路面結(jié)構(gòu)的搭接問(wèn)題。為此，本文基于福州市西三環(huán)路大修工程實(shí)體案例，針對(duì)不同搭接形式、搭接寬度下路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行分析，為路面大修工程設(shè)計(jì)提供相關(guān)建議。

1 不同車道路面搭接形式

福州市西三環(huán)路大修工程道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為：8.5m(人行道及行道樹)+10.5m(輔路車道)+7m(側(cè)綠化帶)+12m(主路三車道)+3m(中分帶)+12m(主路三車道)+5m(側(cè)綠化帶)+7m(輔路車道)=65m。舊路路基填料均為砂性土，路基情況良好。本文主要針對(duì)主路大修進(jìn)行分析，主路舊路面結(jié)構(gòu)為半剛性基層瀝青路面。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)病害調(diào)查及彎沉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主路第二車道路面病害嚴(yán)重程度較第一、第三車道嚴(yán)重得多、主路第二車道彎沉代表值約為55(0.01mm)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于旁邊兩個(gè)車道，約為33(0.01mm)。

出現(xiàn)以上現(xiàn)象結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)主要原因：中間車道重載車輛使用頻率較高，且車速較慢，加速了半剛性基層強(qiáng)度與模量的衰減?；耍岢龅诙嚨啦捎矛F(xiàn)場(chǎng)全深式就地冷再生工藝對(duì)舊路基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，第一、第三車道先進(jìn)行簡(jiǎn)單病害處理，最后全斷面一并進(jìn)行加鋪改造方案。具體做法如下：

先銑刨第二車道范圍內(nèi)的舊瀝青面層，然后對(duì)舊基層進(jìn)行就地冷再生形成就地冷再生混合料層，接著在就地冷再生混合料層上加鋪密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層至標(biāo)高與第一、第三車道加鋪罩面前標(biāo)高一致，最后整個(gè)斷面統(tǒng)一加鋪兩層瀝青混凝土層。

基于以上，存在著第二車道現(xiàn)場(chǎng)全深式就地冷再生層及ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層與第一、第三車道的路面結(jié)構(gòu)搭接問(wèn)題。根據(jù)文獻(xiàn)[1-3]調(diào)研，可知現(xiàn)場(chǎng)全深式就地冷再生采用的維特根冷再生機(jī)施工寬度為2.5m。因此，第二車道現(xiàn)場(chǎng)冷再生需要分兩幅同時(shí)進(jìn)行，且考慮到兩幅之間存在至少40cm的搭接寬度，所以第二車道現(xiàn)場(chǎng)冷再生路幅寬度最多為4.6m。

西三環(huán)路大修工程主路第二車道路面寬度為3.75m，考慮到現(xiàn)場(chǎng)冷再生路幅寬度最多為4.6m，因此第二車道現(xiàn)場(chǎng)全深式就地冷再生層與第一、第三車道舊路面結(jié)構(gòu)的搭接寬度最多為42.5cm，為方便施工，將搭接寬度取整，搭接寬度取為40cm，現(xiàn)場(chǎng)冷再生路幅寬度為4.55m。

因此，本文重點(diǎn)討論ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層與第一、第三車道的路面結(jié)構(gòu)搭接。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)冷再生與舊路搭接接縫位置，擬定ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層與第一、第三車道的路面結(jié)構(gòu)搭接寬度L，對(duì)搭接寬度為0cm、30cm、50cm、80cm、100cm、120cm、150cm這7種工況進(jìn)行分析，如圖1所示。

2 計(jì)算模型與參數(shù)取值

2.1 模型尺寸

主路單向路面寬度為12m，布置型式為0.5m路緣帶+3.5m車行道+3.75車行道+3.75車行道+0.5m路緣帶。因此，本文建立ABAQUS二維軸對(duì)稱分析模型進(jìn)行分析。模型詳細(xì)尺寸，如圖1所示。

2.2 模型網(wǎng)格

(1)單元類型：選用平面應(yīng)變單元(八節(jié)點(diǎn)縮減積分CPE8R)。

(2)單元總數(shù)：其中瀝青面層、加載位置、現(xiàn)場(chǎng)全深式就地冷再生層及ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層4部分進(jìn)行加密處理，共14 658個(gè)單元。

2.3 基本假定

(1)路面各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的線彈性體。

(2)層間接觸假定[4]：舊路面層和基層間采用庫(kù)倫摩擦接觸，舊路面層與新建ATB-25密級(jí)配瀝青穩(wěn)定碎石層搭接處采用庫(kù)倫摩擦接觸，各搭接縫新舊材料之間也采用庫(kù)倫摩擦接觸，其余層間接觸均采用完全聯(lián)系(tie)約束。

(3)模型邊界條件假定：左側(cè)設(shè)為水平方向約束，右側(cè)設(shè)為水平和轉(zhuǎn)角約束土基底部設(shè)為完全固定，路表自由。

2.4 材料參數(shù)

模型各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)一般取值(即基準(zhǔn)值)，如表1所示。

表1 模型結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)一般取值

注：舊路各結(jié)構(gòu)層彈性模量是基于彎沉代表值進(jìn)行反算，并考慮模量的折減進(jìn)行取值。

2.5 車輛荷載

(1)軸型

計(jì)算采用的車輛荷載軸型為單軸雙輪組，為單軸雙輪組，其輪距和軸距，如圖2所示。

(2)輪胎接地壓強(qiáng)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]可知，不同單軸雙輪組后軸輪胎接地壓強(qiáng)與后軸軸重的關(guān)系大致，如表2所示。

表2 單軸雙輪組后軸輪胎接地壓強(qiáng)[5]

(3)荷載作用面積

由于輪胎橫向剛度較大，輪胎接地寬度基本為一定值，不受充氣壓力和負(fù)荷條件影響。隨著軸重增加，輪胎變長(zhǎng)，愈偏離圓形荷載假設(shè)，接近矩形假設(shè)。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]實(shí)測(cè)結(jié)果，輪胎接地寬度約為22cm?；诰匦屋喬プ饔妹娣e假定，則單軸雙輪組后軸輪胎長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

(1)

式中：F——后軸軸重，N；

p——輪胎接壓強(qiáng)，MPa。

因此，當(dāng)F=100kN，p=0.7MPa時(shí)，單軸雙輪組后軸輪胎長(zhǎng)度為16cm。

(4)加載位置

考慮到各個(gè)車道同時(shí)加載為結(jié)構(gòu)最不利情況，因此本文選擇車輛荷載的加載位置如圖3所示。

3 不同搭接寬度路面力學(xué)響應(yīng)分析

對(duì)不同搭接寬度的路面搭接模型進(jìn)行分析，可以為選取合理的路面搭接寬度提供依據(jù)。新舊路面搭接處發(fā)生開裂，主要是由于下層的不均勻變形，導(dǎo)致瀝青加鋪面層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力過(guò)大，而發(fā)生破壞。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注瀝青加鋪面層的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力隨搭接寬度不同的變化。

3.1 最大拉應(yīng)力

通過(guò)計(jì)算得到不同搭接寬度下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的拉應(yīng)力分布，其中列舉搭接寬度0cm、30cm及100cm的拉應(yīng)力云圖，如圖4～圖6。

由圖4～圖6可以看出，瀝青加鋪面層層底最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在新舊搭接縫處，匯總以上計(jì)算結(jié)果，得到不同搭接寬度下加鋪面層層底最大拉應(yīng)力，如圖7所示。

由圖7可知，瀝青加鋪面層層底最大拉應(yīng)力隨著搭接寬度的增大呈現(xiàn)先增后減，最后趨于穩(wěn)定。在搭接寬度為30cm時(shí)，瀝青加鋪面層層底最大拉應(yīng)力達(dá)到峰值，原因在于：此時(shí)搭接縫正好位于荷載位置的正下方。因此，在路面結(jié)構(gòu)層的搭接設(shè)計(jì)應(yīng)注意避免出現(xiàn)在荷載位置的正下方。

除去搭接寬度為30cm與50cm的點(diǎn)，瀝青加鋪面層層底最大拉應(yīng)力隨搭接寬度變化的幅度不大。這種情況表明，通過(guò)對(duì)病害較為嚴(yán)重車道冷再生處理后，再全斷面加鋪瀝青面層，能夠使得瀝青加鋪面層下臥層模量更均勻。

3.2 最大剪應(yīng)力

通過(guò)計(jì)算得到不同搭接寬度下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力分布，其中列舉搭接寬度0cm、30cm及100cm的拉應(yīng)力云圖，如圖8～圖10所示。

從圖8～圖10可以看出，隨著搭接寬度的增加，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)位置從新舊搭接縫處轉(zhuǎn)移走，搭接寬度為100cm時(shí)，最大剪應(yīng)力未出現(xiàn)在新舊搭接縫處。并將以上計(jì)算結(jié)果匯總，得到不同搭接寬度下加鋪面層層底最大剪應(yīng)力，如圖11所示。

由圖11可知，瀝青加鋪面層最大剪應(yīng)力隨著搭接寬度的增加而減小，基本呈現(xiàn)冪函數(shù)式遞減。從不設(shè)搭接到搭接寬度為30cm時(shí)，剪應(yīng)力下降29.5%，變化最大。當(dāng)搭接寬度≥100cm后，瀝青加鋪面層最大剪應(yīng)力基本保持不變。

綜上，從瀝青加鋪面層拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的路面力學(xué)響應(yīng)角度出發(fā)，建議路面結(jié)構(gòu)層的搭接設(shè)計(jì)應(yīng)避免出現(xiàn)在荷載位置的正下方，且搭接寬度建議≥100cm。

4 不同車道路面搭接工程建議

基于以上分析，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)機(jī)械咬合、界面粘結(jié)與格柵加筋等方面提出大修工程不同車道路面搭接的工程建議：

(1)應(yīng)避免車輛輪跡線位于搭接范圍內(nèi)；

(2)建議設(shè)置≥100cm的搭接寬度，以提高新舊結(jié)構(gòu)之間的機(jī)械咬合；

(3)建議在接縫處設(shè)置寬為2m的玻纖格柵，兩側(cè)各跨縫1m，以增加新舊結(jié)構(gòu)之間的加筋作用；

(4)嚴(yán)格按照路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，采用切割機(jī)進(jìn)行切割后，按臺(tái)階進(jìn)行分層銑刨，銑刨時(shí)應(yīng)減少對(duì)現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)擾動(dòng)，對(duì)局部松動(dòng)處應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；

(5)粘層油的噴灑范圍應(yīng)包括接縫垂直面，要求粘層油噴灑均勻，不露白不流淌，以提高新舊結(jié)構(gòu)之間的界面粘結(jié)；

(6)接縫壓實(shí)：碾壓時(shí)先距接縫20cm～30cm將新料壓實(shí)，然后緊靠縫面碾壓，最后對(duì)接縫處兩側(cè)新舊混合料應(yīng)進(jìn)行一并碾壓。

5 結(jié)論

(1)應(yīng)避免車輛輪跡帶位于搭接范圍內(nèi)。當(dāng)搭接縫設(shè)在車輛輪跡帶范圍內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致瀝青加鋪面層層底拉應(yīng)力產(chǎn)生較大的突變，對(duì)瀝青加鋪面層極為不利。

(2)通過(guò)全深式就地冷再生對(duì)病害較為嚴(yán)重的車道進(jìn)行基層補(bǔ)強(qiáng)，能夠縮小原路面結(jié)構(gòu)頂面模量差異，使得瀝青加鋪面層下臥層模量更均勻。

(3)瀝青加鋪面層最大剪應(yīng)力隨著搭接寬度的增加而減小，基本呈現(xiàn)冪函數(shù)式遞減。從不設(shè)搭接到搭接寬度為30cm時(shí)，剪應(yīng)力下降29.5%，變化最大。當(dāng)搭接寬度≥100cm后，瀝青加鋪面層最大剪應(yīng)力基本保持不變。

[1] 師郡. 舊瀝青混凝土路面現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)及施工工藝研究[J].公路, 2004(10).

[2] 周洪飛. 瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)冷再生基層技術(shù)的應(yīng)用研究[D].吉林: 吉林大學(xué), 2006.

[3] 楊寧. 瀝青路面全深度復(fù)拌式現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2007.

[4] 馬曉輝,李立寒. 道路拓寬中路面拼接臺(tái)階尺寸的分析[J].公路交通科技, 2010,27(5), 52-55.

[5] 鄒雪英.福建省重載交通水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)性能研究 [D].福州: 福州大學(xué), 2008.

Analysis of The Overlapping of Asphalt pavement in different Lanes in Overhaul project of old Asphalt pavement

CAIYelan

(Fuzhou Planning Design & Research Institute ,Fuzhou 350000)

The overlapping of asphalt pavement in different lanes is a problem that needs to be faced in the overhaul project of old asphalt pavement, which has great influence on the overall stability of the new pavement structure and has a direct impact on the service life of pavement. This paper is based on the engineering entity, which analyze the variation of asphalt pavement layer tensile stress and shear stress under different overlap width through the establishment of two-dimensional finite element model of ABAQUS. The analysis shows that the asphalt pavement layer maximum tensile stress with the overlap width increasing first increases and then decreases and finally tends to be stable, while the maximum shear stress with overlap width increasing decreases in the form of the power function. In the end, the technical proposal for the lap of different lanes in the overhaul project is put forward.

Overhaul project; Overlap width; Tensile stress;Shear stress

蔡葉瀾(1973.2- ),女，高級(jí)工程師。

E-mail:caiyelan_214@163.com

2016-07-14

U41

A

1004-6135(2016)10-0078-05