黃錦 黃慧

摘要：舊水泥路面破損較重時(shí)，為減少道路棄渣和綜合利用舊路，采用碎石化技術(shù)進(jìn)行瀝青罩面是一種綠色循環(huán)利用技術(shù)。舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石進(jìn)行強(qiáng)度均勻、過渡、增強(qiáng)后再進(jìn)行瀝青罩面已在廣西地區(qū)應(yīng)用十分廣泛，工程實(shí)踐效果良好。但隨著重載交通的發(fā)展，需對該結(jié)構(gòu)重載作用下的適應(yīng)性進(jìn)行研究。文章針對舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石過渡層瀝青罩面結(jié)構(gòu)，利用有限元建模計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的承載力（彎沉）與應(yīng)力重載的敏感性，可為廣西地區(qū)乃至全國舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：碎石化;粒料基層;瀝青罩面;重載;承載力;應(yīng)力分布

0 引言

水泥路面在公路工程中發(fā)揮了極其重要的作用，隨著水泥路面運(yùn)營時(shí)間增加，路面病害增多，大量的水泥路面面臨著大修，經(jīng)濟(jì)適用型舊水泥路面大修結(jié)構(gòu)技術(shù)需求迫切。當(dāng)舊水泥混凝土路面斷板率較高、損壞面積較大時(shí)，可對舊水泥混凝土面板先進(jìn)行破裂和穩(wěn)固后再加鋪瀝青面層罩面。在舊水泥路面大修或改造工程中，碎石化瀝青罩面技術(shù)是充分利用舊路剩余強(qiáng)度價(jià)值和綜合循環(huán)利用舊路最重要的技術(shù)手段，分析研究舊路碎石化加鋪罩面結(jié)構(gòu)使用性能與耐久性具有重要實(shí)用價(jià)值。對舊水泥混凝土進(jìn)行碎石化瀝青罩面，具有較好的抗車轍、抗疲勞性能，也具有較好的適用性與工程經(jīng)濟(jì)性，是一種耐久經(jīng)濟(jì)環(huán)保型舊路改造加鋪技術(shù)[1]。

1 碎石化加鋪改造結(jié)構(gòu)

對舊水泥路面進(jìn)行碎石化加鋪改造是一項(xiàng)綠色環(huán)保、道路資源再生循環(huán)利用的路面再生技術(shù)，是舊水泥路面大修或改造工程中最重要的綜合利用技術(shù)手段。其技術(shù)特點(diǎn)為：水泥混凝土路面使用狀況較差時(shí)，對舊水泥混凝土面板進(jìn)行碎石化，經(jīng)破碎，舊路面板由不均一損壞的“大板塊”轉(zhuǎn)化為均勻穩(wěn)定散體的“小板塊”，舊水泥混凝土碎石化層所受溫度應(yīng)力及荷載應(yīng)力大大減小。同時(shí)經(jīng)過碎石化和施工碾壓成型，碎石化層整體形成了嵌擠連鎖、較高強(qiáng)度的可承載結(jié)構(gòu)。然而，由于碎石化層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度存在不均勻、不穩(wěn)定的問題，需要設(shè)置過渡層?？紤]到過渡層的結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)、強(qiáng)度均勻化、防反射裂縫，以及降低工程造價(jià)等因素，結(jié)合已有技術(shù)成果和工程實(shí)踐，采用加鋪20cm級配碎石粒料基層進(jìn)行過渡，起到強(qiáng)度均勻化、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)等作用。同時(shí)，粒料基層可有效地阻斷裂縫尖端的應(yīng)力擴(kuò)展路徑，減少瀝青罩面的反射裂縫發(fā)生隱患。舊水泥路面碎石化+級配碎石屬于柔性基層類，隨著地方普通公路運(yùn)輸重載交通的增長，需要對該種瀝青罩面結(jié)構(gòu)重載作用下力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證分析研究。因此本文針對碎石化瀝青罩面結(jié)構(gòu)，利用有限元建模計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的力學(xué)響應(yīng)，本文可為舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術(shù)參考。

2 有限元建模計(jì)算

本文對舊水泥路面碎石化后的瀝青罩面結(jié)構(gòu)采用軸對稱模型進(jìn)行計(jì)算分析，選取路面結(jié)構(gòu)對稱模型的1/2進(jìn)行建模。本文采用某地方公路大修工程公路結(jié)構(gòu)建立計(jì)算模型，選用多層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其路面結(jié)構(gòu)自上而下為瀝青混凝土面層、級配碎石層、舊水泥路面碎石化層，路面模型寬選為4m，面層、基層、土基結(jié)構(gòu)層厚度、各結(jié)構(gòu)層彈性模量及泊松比等計(jì)算參數(shù)如表1所示[2，3]。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)模型受力特點(diǎn)，邊界條件假定為：路基底面約束固定、不產(chǎn)生豎向位移（位移條件為0），模型側(cè)面及對稱面的邊界約束固定、不產(chǎn)生水平位移（X方向位移為0），瀝青面層、粒料層、碎石化層、基層等相鄰結(jié)構(gòu)層間均為完全連續(xù)接觸。根據(jù)二維平面模型計(jì)算方法，本數(shù)值模型荷載作用類型采用單元荷載，加載如圖1所示，當(dāng)單元直徑D為30.4cm，荷載均布壓力P為0.7MPa。

3 重載力學(xué)響應(yīng)分析

采用上述結(jié)構(gòu)模型，本文計(jì)算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結(jié)構(gòu)在重載作用下的力學(xué)響應(yīng)，交通荷載分別考慮為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.4MPa。

3.1 承載力響應(yīng)

在荷載作用下，路基和路面各結(jié)構(gòu)層在不同深度處豎向變形位移累計(jì)總和即為路面彎沉[4]，是反映路面結(jié)構(gòu)整體剛度和承載力的重要指標(biāo)。本文采用路表彎沉值指標(biāo)，分別計(jì)算分析了級配碎石層模量變化（300～800MPa）對舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉的影響，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。不同輪載作用下的變化對舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉的影響，如圖3所示。

由圖2可知，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)承載力與級配碎石層模量密切相關(guān)，路表彎沉隨級配碎石層的模量增加而減小，設(shè)置粒料基層的瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉一般≤40（0.01mm），因此，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石模量控制宜≥500MPa。由圖3可知，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)路表彎沉對重載敏感，路表彎沉隨輪載增大而增大，幾乎呈線性關(guān)系。綜上所述，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結(jié)構(gòu)為獲得良好的結(jié)構(gòu)整體承載力，降低路表彎沉，可采取大粒徑級配碎石基層或添加低劑量水泥的級配碎石基層技術(shù)，以提高級配碎石層的模量。

3.2 應(yīng)力響應(yīng)

在重載交通下，拉應(yīng)力破壞和剪應(yīng)力破壞是瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部最不利受力。因此，根據(jù)舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面屬于粒料柔性基層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在本文結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中，重點(diǎn)研究分析了瀝青層底的拉應(yīng)力、剪應(yīng)力等關(guān)鍵力學(xué)指標(biāo)的響應(yīng)。

3.2.1 拉應(yīng)力響應(yīng)

為尋找舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生的層位，計(jì)算分析了在輪載中心位置下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的不同輪載作用下的拉應(yīng)力分布，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。計(jì)算結(jié)果表明：本文結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大拉應(yīng)力區(qū)主要出現(xiàn)在約0.1m深度層位（瀝青層底）、0.6～0.9m深度層位（舊路半剛性基層層底），這兩個(gè)層位也正是路面結(jié)構(gòu)力學(xué)需重點(diǎn)考慮防范拉應(yīng)力破壞的層位，其中最大拉應(yīng)力區(qū)發(fā)生在級配碎石層頂?shù)臑r青層底位置。因此，在采用級配碎石過渡基層時(shí)要重點(diǎn)考慮粒料基層帶來的瀝青層底拉應(yīng)力破壞問題，適當(dāng)提高級配碎石的強(qiáng)度、提高抗變形能力，有利于減小瀝青層底拉應(yīng)力分布。

為揭示重載交通對本結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力的影響規(guī)律，計(jì)算了重載作用下該結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力大小變化，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明：瀝青罩面層底應(yīng)力對重載作用敏感性較強(qiáng)，瀝青罩面層底水平拉應(yīng)力隨重載的增加而增加，超載100%時(shí)，應(yīng)力峰值為0.06MPa，雖遠(yuǎn)小于瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度，但仍存在發(fā)生拉應(yīng)力疲勞破壞的較大隱患。因此，在該結(jié)構(gòu)中，除增加級配碎石的強(qiáng)度和模量以減小瀝青層底拉應(yīng)力水平外，還應(yīng)提高瀝青混合料的柔韌性和抗疲勞性能以適應(yīng)瀝青層底拉應(yīng)力作用，如采用橡膠瀝青等骨架密實(shí)型瀝青混合料。

3.2.2 剪應(yīng)力響應(yīng)

在重載交通荷載作用下，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的剪應(yīng)力是瀝青路面發(fā)生流動性車轍病害的主要影響因素。已有研究表明，瀝青面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力一般出現(xiàn)在輪載外側(cè)邊緣的垂直線上，在輪胎外邊緣附近的垂直線上出現(xiàn)剪應(yīng)力峰值。本文計(jì)算分析了在不同重載水平下，該路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)最不利位置上的剪應(yīng)力分布及其隨重載增加而產(chǎn)生的變化，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：（1）該結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的剪應(yīng)力區(qū)>0.1MPa的剪應(yīng)力主要分布在10cm范圍內(nèi)，恰好為整個(gè)路面瀝青層;（2）隨路面深度的增加，瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪應(yīng)力先增加，剪應(yīng)力在瀝青面層中部位置達(dá)到峰值點(diǎn)后，隨深度增加而衰減，剪應(yīng)力最大峰值出現(xiàn)在5cm附近，即9cm瀝青面層的中部位置區(qū)域;（3）隨著輪載的增大，面層內(nèi)剪應(yīng)力峰值增大，出現(xiàn)的深度略有增加。由此分析可知：在舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)中，剪應(yīng)力影響區(qū)主要貫穿于整個(gè)瀝青層，并且隨著重載的增加，瀝青層內(nèi)最大剪應(yīng)力增加;重載作用下，該結(jié)構(gòu)因剪應(yīng)力發(fā)生車轍的可能性較大。因此，為防止該結(jié)構(gòu)因剪應(yīng)力發(fā)生車轍變形類病害，應(yīng)提高9cm瀝青面層的抗車轍能力，采用改性瀝青骨架密實(shí)型抗車轍混合料，如橡膠改性瀝青混合料等。

4 結(jié)語

本文通過計(jì)算分析在不同重載水平下舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石基層瀝青罩面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，得到如下結(jié)論：

（1）本文路面結(jié)構(gòu)承載力與級配碎石層模量關(guān)系密切，路表變形（彎沉）隨重載增加明顯。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)雖然具有良好的應(yīng)力協(xié)調(diào)性，能大幅削弱反射裂縫的發(fā)生，但是也帶來瀝青層底拉應(yīng)力較大的問題。因此級配碎石加鋪層應(yīng)適當(dāng)提高強(qiáng)度和模量，以提高結(jié)構(gòu)承載力，減小瀝青層底拉應(yīng)力等，建議采用大粒徑級配碎石基層或添加低劑量水泥的級配碎石基層技術(shù)。

（2）在本文路面結(jié)構(gòu)中，重載對本結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力影響較大，尤其是在瀝青層內(nèi)隨著重載的增加剪應(yīng)力峰值增加明顯，對瀝青混合料的抗車轍性能提出了較高要求，應(yīng)對混合料進(jìn)行抗車轍優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，當(dāng)采用舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石基層瀝青罩面結(jié)構(gòu)，建議瀝青面層采用橡膠瀝青等骨架密實(shí)型改性瀝青混合料技術(shù)，以提高面層混合料的抗車轍性能和抗疲勞性能。

參考文獻(xiàn)：

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[3]張洪剛，黃 慧，岳愛軍.不同結(jié)構(gòu)類型的舊路改造升級瀝青罩面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)研究[J].公路工程，2013，38（1）：129-132.

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