李平

摘要：文章結(jié)合工程實例，通過舊路評定確定力學(xué)參數(shù)，建立力學(xué)模型，進(jìn)行力學(xué)分析，探索最佳的微裂均質(zhì)化再生路面方案。結(jié)果表明：微裂均質(zhì)化再生技術(shù)適用于整體狀況“良”但承載能力一般、斷裂板較多的舊水泥混凝土路面；瀝青加鋪層并非越厚力學(xué)性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應(yīng)力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大；基于經(jīng)濟(jì)和力學(xué)性能綜合考慮，10～12 cm厚瀝青加鋪層+再生舊水泥基層為最佳的微裂均質(zhì)化再生路面方案。

關(guān)鍵詞：微裂均質(zhì)化再生；舊水泥混凝土路面；應(yīng)力；應(yīng)變

中圖分類號：U416.26 A 38 120 4

0 引言

自20世紀(jì)90年代起，我國開始大量修建水泥混凝土路面，根據(jù)我國交通運輸部發(fā)布的《2010年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報》，2010年水泥混凝土路面已建成137.55×104 km［1］。時至今日，該時期建成的水泥混凝土路面已經(jīng)使用將近或超過15年，這期間我國交通運輸行業(yè)高速發(fā)展，重載交通量快速增加，這部分水泥混凝土路面已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的損壞，使用性能下降，進(jìn)入使用壽命的末期，亟須進(jìn)行升級改造。

面對水泥混凝土路面發(fā)展的新階段，如何在科學(xué)合理地評定舊水泥混凝土路面技術(shù)狀況的基礎(chǔ)上，探索經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、結(jié)構(gòu)優(yōu)良的舊路面利用方案已成為舊水泥混凝土路面改造領(lǐng)域面臨的主要問題。本文結(jié)合工程案例，將微裂均質(zhì)化再生技術(shù)［2］與就地破碎原路面再生利用、原路面修復(fù)利用方案進(jìn)行對比分析，研究微裂均質(zhì)化再生技術(shù)在道路改造工程中的應(yīng)用效果，以期為類似項目提供參考和借鑒，并推動舊水泥混凝土路面的綠色低碳化改造。

1 項目概況

廣東東莞市某舊水泥混凝土路面改造工程，路線全長約5.8 km，道路等級為一級公路，雙向四車道，舊路面寬17 m，舊路基寬24.5 m，路基斷面組成為3.75 m土路肩+8.5 m行車道+8.5 m行車道+3.75 m土路肩，于2002年竣工交付使用。舊路交通量較大，大型、特大型貨車占比接近25%，屬于重交通道路。原舊路路面結(jié)構(gòu)層自上而下為：24 cm水泥混凝土面層、16 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、16 cm水泥穩(wěn)定石屑底基層。舊路擬改擴(kuò)建為一級公路兼城市主干道，道路中線不動，斷面往兩側(cè)拓寬至35 m，斷面組成為4.5 m慢行道+12 m行車道+2 m中分帶+12 m行車道+4.5 m慢行道，新建路面擬采用瀝青混凝土面層。

2 舊路評估

為了給舊路利用方案提供全面的數(shù)據(jù)支撐，本次研究對舊路從路面破損狀況、接縫傳荷能力、板底脫空、基層頂面當(dāng)量回彈模量及面層芯樣強(qiáng)度進(jìn)行了全面的評價分析［3］。

2.1 舊路路面狀況評價

本次研究采用目測、儀具量測并結(jié)合拍照的方法，對舊路面的損壞類型、損壞程度及位置、范圍等進(jìn)行調(diào)查和評價。路面破損評定及斷板率分別見表1、圖1。

根據(jù)破損狀況、斷板率數(shù)據(jù)，舊路面整體評定等級為“良”，左幅評定等級為“次”，右幅評定等級為“良”。局部路段裂縫板和斷裂板相對較多，錯臺現(xiàn)象比較明顯。

2.2 接縫傳荷能力評價

如表2所示，舊路面整體接縫傳荷能力較好，評為優(yōu)良等級的比例占68%，且右幅優(yōu)于左幅，左幅接縫傳荷系數(shù)的代表值為39.52，右幅為46.865。兩個方向的變異系數(shù)均較大，見表2。

2.3 板底脫空評價

舊路主車道的脫空率均在16%左右，超車道的脫空率均在50%左右，超車道的脫空率均大于相應(yīng)的主車道，左右幅總的脫空率為33%左右。各車道脫空率分布見圖2。

2.4 基層頂面當(dāng)量回彈模量及路面芯樣參數(shù)

舊路面基層頂面當(dāng)量回彈模量數(shù)值均在200 MPa左右，左幅均值為205 MPa，代表值為200 MPa，變異系數(shù)較??；右幅均值為203 MPa，代表值為197 MPa，變異系數(shù)較小。

舊路水泥混凝土芯樣顯示路面結(jié)構(gòu)較完整，路面板芯樣抗折強(qiáng)度最大值為8.53 MPa，最小值為5.69 MPa，平均抗折強(qiáng)度為7.1 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.8，變異系數(shù)為0.11，代表值為6.9 MPa；彈性模量平均值32.2 GPa。

3 舊水泥混凝土路面利用方案的選擇

本次舊路擬改擴(kuò)建為一級公路兼城市主干道，擬采用瀝青混凝土面層，無論從經(jīng)濟(jì)還是環(huán)保的角度，舊水泥路面都不能直接挖除丟棄，因此舊水泥路面的利用是改擴(kuò)建的重點、難點。根據(jù)舊路路面狀況評價，現(xiàn)有路面狀況為“良”、結(jié)構(gòu)較完整、整體接縫傳荷能力較好、面板強(qiáng)度大；但結(jié)構(gòu)層整體承載能力一般，板底脫空率較高，“中”“次”路段有單幅3.7 km，占整個檢測路段的32%左右。據(jù)此，為了選擇最優(yōu)的舊路面利用方案，本次研究將微裂均質(zhì)化再生與傳統(tǒng)的修復(fù)換板及就地碎石化方案進(jìn)行綜合比選，各項對比見表3。

經(jīng)過綜合比選，考慮到該項目舊路狀況相對良好，就地碎石化舊路強(qiáng)度損失大且需要加鋪水泥穩(wěn)定碎石，成本巨大，因此首先排除就地碎石化方案。由于“中”“次”路段占整個檢測路段的32%左右，修復(fù)利用需要進(jìn)行大面積的換板，造價較高，同時難以有效解決舊路整體承載能力一般、板底脫空率較高的隱患。而微裂均質(zhì)化再生無須大面積換板，能有效克服剪切、疲勞、溫縮三類反射裂縫源，穩(wěn)定舊水泥板塊，加固基層和路基，改善舊路結(jié)構(gòu)層整體承載能力，消除層間脫空［5］，因此本次研究推薦采用微裂均質(zhì)化再生技術(shù)對舊路面進(jìn)行利用。

4 微裂均質(zhì)化再生路面方案

為了驗證擬采用的微裂均質(zhì)化再生路面方案是否能滿足道路使用要求，本文將采用Abaqus有限元軟件對微裂均質(zhì)化再生路面方案的受力狀態(tài)進(jìn)行分析［6］。

4.1 微裂均質(zhì)化再生路面方案的力學(xué)模型

本次計算采用三維模型，為了計算簡便將路面結(jié)構(gòu)簡化為舊路面留用結(jié)構(gòu)復(fù)合地基、微裂均質(zhì)化舊板、瀝青加鋪層三部分。

4.1.1 模型尺寸

模型平面取舊水泥路面4.25 m×4 m的板塊尺寸，考慮到路面行車荷載的影響深度一般≤5 m，因此深度取5 m，三維模型尺寸為4.25 m×4 m×5 m［7］。三維模型簡圖見圖3。

4.1.2 結(jié)構(gòu)層參數(shù)

舊路面留用結(jié)構(gòu)復(fù)合地基的當(dāng)量回彈模量采用原舊路面基層頂面當(dāng)量回彈模量，取200 MPa。舊水泥面板微裂后表面無松散破碎顆粒，具有“表面裂而不碎、內(nèi)部斜向開裂、完全契合、嵌鎖力強(qiáng)”的結(jié)構(gòu)特點，處于“剛?cè)嵯酀?jì)”的受力狀態(tài)。根據(jù)其受力特點，將其視為內(nèi)部連續(xù)的具有柔性基層特點的剛性結(jié)構(gòu)層，取微裂后控制彎沉為38（0.01 mm），參考相關(guān)工程經(jīng)驗后換算微裂均質(zhì)化舊板回彈模量［8］為5 200 MPa。瀝青路面加鋪層采用200、10 Hz條件下的動態(tài)壓縮模量［9］。具體參數(shù)見表4。

4.1.3 荷載參數(shù)

行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，軸重100 kN，輪胎接地壓強(qiáng)0.7 MPa，單輪接地當(dāng)量圓直徑為21.3 cm，兩輪中心距31.95 cm。為了便于計算，按照荷載應(yīng)力等效的原則［10］，將雙圓均布荷載換算兩個18.9 cm×18.9 cm的正方形，接觸面積為357.21 cm2，雙輪中心距為32 cm，詳見圖4。

4.1.4 邊界約束

計算模型底部被近似認(rèn)為是全約束的，即各方向的位移都為0，繞方向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)角也為0。模型側(cè)面受到外側(cè)土體或結(jié)構(gòu)體的壓力，可近似認(rèn)為水平方向的位移為零，僅存在豎向微小位移。

4.2 微裂均質(zhì)化再生路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

根據(jù)所建立的力學(xué)模型，本次研究分別對微裂均質(zhì)化水泥板加鋪8 cm、10 cm、12 cm、16 cm、20 cm厚度的瀝青層進(jìn)行計算。由于微裂均質(zhì)基層具有“剛?cè)嵯酀?jì)”的特性，因此本次計算主要研究瀝青加鋪層層底應(yīng)力、應(yīng)變的狀態(tài)及地基基頂壓應(yīng)變。

4.2.1 瀝青加鋪層的應(yīng)力分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，各瀝青加鋪層層底的等效應(yīng)力σe、最大主應(yīng)力σ1、X軸向應(yīng)力σx、Y軸向應(yīng)力σy、豎向應(yīng)力σz分別見表5、圖5。瀝青加鋪層的應(yīng)力云圖以12 cm厚瀝青加鋪層行車方向Y軸向應(yīng)力σy為例，見圖6。

由表5及圖5～6可知，等效應(yīng)力σe隨著加鋪層厚度的增加逐步減少；最大主應(yīng)力σ1隨著加鋪層厚度的增加由壓應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力；X軸向應(yīng)力σx、Y軸向應(yīng)力σy隨著加鋪層厚度的增加而增加，但在16 cm厚加鋪層后轉(zhuǎn)而減少；豎向應(yīng)力σz隨著加鋪層厚度的增加逐步減少，但減小的幅度逐漸放緩。

4.2.2 瀝青加鋪層應(yīng)變及地基基頂壓應(yīng)變分析

根據(jù)模型計算結(jié)果，各瀝青加鋪層層底行車方向應(yīng)變εy、地基基頂壓應(yīng)變εz及瀝青永久變形量Ra分別見表6、圖7。

由表6和圖7可知，加鋪層層底行車方向應(yīng)變εy隨著加鋪層厚度的增加而增加，但在16 cm厚加鋪層后轉(zhuǎn)而減少；瀝青永久變形量Ra隨著加鋪層厚度的增加而增加，20 cm厚加鋪層時已超過容許永久變量15 mm；地基基頂壓應(yīng)變εz則隨著加鋪層厚度的增加而減少。該項目設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道上的當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為14.454×106，反算加鋪層疲勞開裂容許拉應(yīng)變約為78.5×10-6～94.5×10-6，地基基頂壓應(yīng)變約為162×10-6～196×10-6。各加鋪層εy、εz計算結(jié)果與應(yīng)變?nèi)菰S值相距甚遠(yuǎn)，符合微裂均質(zhì)化舊水泥基層剛性較大的受力特點，因此瀝青加鋪層主要受控于瀝青混合料永久變形控制。

4.3 微裂均質(zhì)化再生路面方案的應(yīng)用

根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果，瀝青加鋪層并非越厚其力學(xué)性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應(yīng)力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大，經(jīng)濟(jì)性降低。瀝青加鋪層厚度為12 cm時，其應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)及瀝青永久變形量均處在適中的狀態(tài)，且滿足規(guī)范要求，經(jīng)濟(jì)性良好，因此本次研究推薦采用12 cm厚的瀝青路面加鋪結(jié)構(gòu)。具體路面方案見表7。

5 結(jié)語

微裂均質(zhì)化再生是一種相對經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的舊水泥混凝土路面處治利用方案，對舊水泥混凝土路面的綠色低碳化改造具有重要的意義。本文結(jié)合工程實例，在對舊路全面評估的基礎(chǔ)上，對微裂均質(zhì)化再生技術(shù)在道路改造中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，取得了以下研究成果：

（1）微裂均質(zhì)化再生技術(shù)適用于整體狀況“良”，但承載能力一般、斷裂板較多的舊水泥混凝土路面。

（2）瀝青加鋪層并非越厚力學(xué)性能越好，隨著厚度的增加加鋪層應(yīng)力改善作用逐漸減緩，而瀝青永久變形量不斷增大。

（3）基于經(jīng)濟(jì)和力學(xué)性能綜合考慮，10～12 cm厚瀝青加鋪層+再生舊水泥基層為最佳的微裂均質(zhì)化再生路面方案。

鑒于舊水泥混凝土路面微裂均質(zhì)化后受力特性較復(fù)雜，本次力學(xué)模型未必能全面反映其復(fù)雜的特性，僅供類似項目參考。

參考文獻(xiàn)

［1］交通運輸部綜合規(guī)劃司.2010年公路水路交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［EB/OL］.https：//www.mot.gov.cn/fenxigongbao/hangyegongbao/201510/t20151013_1894757.html，2011-04-28.

［2］T/CECS G：M44-01-2021，水泥混凝土路面微裂處治與加鋪技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］JTG 073.1-2001，公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］李麗慧，張浩亮，司兵洋.水泥混凝土路面微裂加固技術(shù)在市政道路的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2019，64（2）：243-247.

［5］王都興.舊水泥混凝土路面微裂均質(zhì)化處治與加鋪技術(shù)［D］.西安：長安大學(xué)，2019.

［6］馬 濤，廖公云，黃曉明.Abaqus有限元軟件在道路工程中的應(yīng)用［M］.南京：東南大學(xué)出版社，2021.

［7］程培峰，林 宏.基于Abaqus的舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)的力學(xué)研究［J］.公路工程，2017，42（1）：9-12，30.

［8］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［9］JTG D50-2017，公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范［S］.

［10］呂蔣聰.沖擊壓實破裂穩(wěn)固舊水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)形式研究［D］.廣州：華南理工大學(xué)，2009.

收稿日期：2023-09-05