周祖蘭

（貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

隨著交通建設(shè)的發(fā)展，交通荷載增加的速度越來越快，對路面的損耗也日益加劇，特別是水泥混凝土路面，在自然條件和荷載增加的情況下，極易出現(xiàn)裂縫、錯板、斷板等病害，導(dǎo)致公路的服務(wù)水平下降。

舊水泥混凝土路面通常采用修復(fù)、加鋪的方式來解決路面病害問題，最常見的方法是“白加黑”，即在舊水泥混凝土路面（PCC）上直接加鋪熱拌瀝青混合料（HMA）。這樣雖然能夠很好地提高道路承載能力，但隨之而來的反射裂縫問題也更加嚴(yán)重［1-3］。有工程上使用橡膠瀝青混凝土代替HMA，在一定程度上能夠緩解開裂，但隨著交通時間的增加，效果并不理想［4］。為了徹底地防治反射裂縫問題，國內(nèi)眾多學(xué)者也進(jìn)行了相應(yīng)的研究：謝中友通過把現(xiàn)有PCC面板破碎成碎塊，再加鋪HMA，以消除HMA加鋪層內(nèi)的反射裂縫問題［5］；時寧研究了 HMA／PCC路面結(jié)構(gòu)的車轍和層間剪切破壞，結(jié)果表明，瀝青層厚度越小，RAP混凝土的抗彎拉彈性模量越小，瀝青混凝土的模量越大，層間結(jié)合狀態(tài)越好，HMA／PCC路面結(jié)構(gòu)車轍永久變形量越?。?］；秦宏飛等對混凝土路面進(jìn)行碎石化施工，用以限制新鋪的熱拌瀝青罩面上出現(xiàn)反射裂縫［7］。

大量研究表明，碎石化施工技術(shù)可有效解決反射裂縫問題。碎石化技術(shù)分為多錘頭碎石化法（MHB）和共振碎石化法（RPB），MHB能解決反射裂縫的問題，但對于公路路基的損壞較大［8］。RPB用于板塊性較差的水泥路面，通過設(shè)備產(chǎn)生的自振與水泥面板產(chǎn)生共振，從而將舊混凝土板破碎成較高強(qiáng)的粒料層，有效防治反射裂縫［9-10］。目前，國內(nèi)對共振碎石化技術(shù)的研究較少，本文結(jié)合舊路改造工程，用理論分析與室內(nèi)試驗來說明碎石化技術(shù)的特征及其應(yīng)用價值。

1 工程概況

試驗路段樁號為K0+090～K4+480，全長3 500m，路面寬度為12.55m。該路段為水泥混凝土路面，且已進(jìn)行過多次大中修改造，路面狀況整體較差，存在橫縱向裂縫、接縫破損等多處病害，如圖1所示。在改造前，對試驗路段路面病害部位進(jìn)行調(diào)查，并評價病害情況，見表1。從表1可以看出，路面病害指數(shù)（PCI）較低，需要對水泥混凝土路面改造后的情況進(jìn)行分析。

圖1 路面病害

表1 路面病害分析評價

2 試驗分析

2.1 破碎層表現(xiàn)及級配分析

對試驗段水泥混凝土路面進(jìn)行碎石化處理，在路面取芯，從芯樣發(fā)現(xiàn)碎石粒徑從上至下逐漸遞增，表層小于3cm，上中層小于6cm，下層小于14cm。在碎石化層0～10cm內(nèi)的碎石料中，破碎程度好，碎石粒徑較小且均勻，對37.5mm以下碎石料進(jìn)行篩分，篩分情況見表2，級配曲線在連續(xù)型級配碎石、級配礫石的級配范圍內(nèi)。

表2 37．5mm以下共振碎石篩分結(jié)果

2.2 彎沉檢測及分析

為了能夠得到路面總體強(qiáng)度的真實情況，采用貝克曼梁彎沉儀測定部分試驗路段靜止加載時的路面彈性彎沉值；對樁號K1+590處施工前后板中的彎沉值進(jìn)行對比，結(jié)果見表3。

由表3可知，破碎加鋪前水泥混凝土層頂面的彎沉值是破碎前的9.1倍，破碎后幾乎喪失板體性，成為散粒層，頂面彎沉大幅下降，破碎后水泥混凝土面層更加穩(wěn)定和均勻，對加鋪有利。

表3 K1＋590處彎沉測試結(jié)果

3 碎石化過程中的仿真模擬

3.1 破碎前水泥混凝土面板的自由振動頻率

水泥混凝土面板的自由振動頻率可按薄板振動方程求解，邊界條件與面板的破裂狀況有關(guān)。當(dāng)面板既有橫向裂縫又有縱向裂縫時，可視為四邊簡支［11］，此時面板的自由振動頻率

式中：a、b為面板的長度和寬度；m、n為振動頻率的階數(shù)；D為面板的抗彎剛度；ρ、h分別為面板的密度和厚度。

面板的抗彎剛度

式中：E、μ分別為面板的回彈模量和泊松比。

為掌握共振碎石化路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，通過有限元軟件ANSYS構(gòu)建面板有限元模型［12-13］，如圖2所示。對有限元模型進(jìn)行計算，將有限元與解析式結(jié)果進(jìn)行對比（表4），發(fā)現(xiàn)有-2.2%的誤差。

圖2 面板有限元模型

表4 有限元與解析式計算結(jié)果對比

3.2 碎石化后的力學(xué)響應(yīng)

水泥混凝土面板經(jīng)共振碎石化后變成碎石層，成為新路面結(jié)構(gòu)的基層，其承載力是否滿足設(shè)計要求是改造后路面效果的關(guān)鍵。為使瀝青層拉應(yīng)力峰值不超過容許拉應(yīng)力指標(biāo)，同時使得受拉區(qū)域控制在一定范圍內(nèi)，碎石層的回彈模量不宜太小，因此碎石化施工不要過度破碎［14-15］。對碎石化后有限元模型（圖3）進(jìn)行計算，得到的數(shù)值滿足設(shè)計要求。

3.3 碎石化后回彈模量及彎沉檢測

對舊水泥混凝土路面進(jìn)行共振碎石處理，如圖4所示。由于共振破碎舊水泥板的上面層碎塊形狀大小相鄰互補(bǔ)、原位嵌擠；下面層為斜向嵌鎖，能分散載荷和防止突變，整層構(gòu)成高密實度的水泥混凝土碎裂層。因此，不能簡單地從級配分析來看共振碎石化層，而應(yīng)檢測其回彈模量及彎沉值。試驗路部分路段碎石化層的彎沉值和回彈模量檢測結(jié)果見表5。

圖3 碎石化后有限元模型

圖4 共振碎石后的碎裂層

表5 碎石化層的彎沉值和回彈模量

彎沉值應(yīng)滿足

當(dāng)量回彈模量應(yīng)滿足

式中：X1、X2分別為碎石化層的彎沉值和頂面當(dāng)量回彈模量的均值；λa為保證率系數(shù)，與保證率（置信度a）和檢測點數(shù)n有關(guān)，λa可由t分布表查得；S為檢測值的方差；L1、L2分別為碎石化層的回彈彎沉值和頂面回彈模量的設(shè)計要求值。

試驗段共振碎石層取90%保證率，去掉超過2倍均方差的數(shù)據(jù)，當(dāng)量回彈模量代表值為164.37 MPa，大于設(shè)計要求的150MPa，回彈彎沉代表值為69.6（0.01mm），小于設(shè)計要求的74（0.01mm）。因此，整段試驗路經(jīng)過共振碎石化處理后，作為路面基層可達(dá)到較好的預(yù)期效果，在上面直接加鋪瀝青路面，能夠有效保證路面的使用性能及壽命。

4 結(jié) 語

（1）共振碎石化技術(shù)可消除水泥混凝土路面的板體性，碎石粒料層強(qiáng)度較高，消除了舊路裂縫處的應(yīng)力集中，有效防止了反射裂縫，碎石化后的彎沉值、回彈模量均滿足設(shè)計要求。

（2）碎石層的回彈模量不宜太小，瀝青層拉應(yīng)力峰值不超過容許拉應(yīng)力指標(biāo)，同時使得受拉區(qū)域控制在一定范圍內(nèi)，應(yīng)注意碎石化施工不應(yīng)破碎過度。

（3）破碎前與加鋪前應(yīng)對原水泥混凝土面板及碎石料進(jìn)行技術(shù)檢測，破碎過程中應(yīng)當(dāng)適時調(diào)整共振設(shè)備的工作參數(shù)，并對破碎后的水泥混凝土碎石進(jìn)行回彈模量和回彈彎沉的檢測。