碎石化條件等級路水泥混凝土路面加鋪層結構優化

孫晉舉

（棗莊市公路管理局，山東棗莊 277300）

0 前言

隨著我國經濟的發展，各省均面臨著繁重的交通建設任務，近年來公路等級與里程數均大幅增長，經過一段時間運營以后，已建成路面的養護、大修改造也逐步成為工作的重點之一。水泥混凝土路面作為重要的路面結構型式，在我國公路總里程中占有不小比例。水泥混凝土路面改造困難已成為制約水泥混凝土路面廣泛應用的主要原因之一。解決舊水泥混凝土路面改造的技術難題，是廣大工程技術人員目前面臨的一個現實問題。盡管目前有諸多處治方法，如壓密注漿、加鋪各種土工加筋材料、直接清除等，前兩種方法難以有效控制反射裂縫的發生，直接清除還會造成環境污染?；谂f水泥混凝土路面碎石化技術的處治方法可對舊混凝土路面原位破碎后加以利用，既充分利用既有資源，又能減少對環境的影響，適用于我國等級路改造建設[1][2]。根據國外經驗，碎石化破碎完成之后，需加鋪10～15 cm的瀝青碎石等應力吸收層，然后鋪筑瀝青面層。但隨著瀝青價格的不斷上漲，這種加鋪層結構難以在等級路中推廣使用，也同時阻礙了碎石化技術的應用。因此，結合我國等級路建設的實際情況，以減少工程造價和有效控制反射裂縫為雙控指標，通過加鋪半剛性基層和減薄瀝青面層厚度為方法[3]，同時考慮到等級路承受重載交通條件，本文采用有限元分析方法進行路面結構優化，提出經濟合理的路面加鋪層結構方案，可以很大程度的降低公路改造費用、節約資源、保護環境，適用于等級路改造建設。

1 舊路面結構層碎石化后模量損失

實踐表明，碎石化技術適用于舊路面出現大量的接縫缺陷、超過20%的板出現開裂、超過20%的路面需要修補等情況的路段[4]。破碎會降低水泥混凝土路面的平均強度，使加鋪成為必然的后續工作。在破碎后結構層上進行加鋪可有效消除差異沉降、防止反射裂縫的發生。水泥混凝土破碎程度是需要把握的重要標準，混凝土路面破碎需要在結構性降低和反射裂縫風險增高之間尋求平衡。適宜的破碎后有效模量應使反射裂縫可能性降低到一定程度，在此情況下盡量保證原混凝土板塊結構性[5]。混凝土面板破碎后如何評定其承載能力，國內缺乏充分研究。由于現行瀝青路面設計規范對于材料是以回彈模量表示其強度的[6]，同時，破碎后的結構層由于表層顆粒較小且松散，因此采用FWD進行破碎后的路面彎沉檢測后換算回彈模量，基層以下則采用剛性承載板，針對代表性路段基層回彈模量進行了現場實測。利用FWD測試的數據進行計算，兩段路段測試結果，E1=172.6 MPa，E2=221.6 MPa,出于測試精度的要求，可以選取221.6 MPa作為碎石化后的當量回彈模量，而基層頂面的當量回彈模量為342 MPa，221.6 MPa＜342 MPa，故需要進行補強層設計。由此換算得到打裂混凝土板本身的模量為375 MPa，重新利用ANSYS計算可知結果相差1%左右，不影響最終結果，見表1、圖1。

表1 碎石化處理后結構層的回彈模量（單位：MPa）

由表1可以看出，舊水泥混凝土路面破碎成為15～30 cm的塊狀后，回彈模量有顯著的降低且均勻性較好，降至221.6 MPa。碎石化層的剛度要優于普通級配碎石結構，碎石化層便形成了堅硬的粒料基層。該模量比較合理地反映了該路段混凝土面板碎石化后實際承載能力，可以作為上面加鋪層結構厚度計算的依據。這樣設計者就可以根據各個路段所測得的不同承載能力進行設計計算，避免了主觀性和盲目性。路面新加鋪結構層厚度不應完全參照新建路加鋪層結構形式，而存在可優化的余地。因此，本文結合棗莊206國道舊水泥混凝土路面的實際改造工程，對不同加鋪層結構形式的受力特點及疲勞壽命進行了分析比較。

2 加鋪層結構設計計算方案

2.1 有限元模型的建立

通過現場實測回彈模量，確定力學計算參數，見表2。進行路面力學計算時，基于彈性層狀體系，考慮為雙圓荷載作用形式，采用ANSYS建立二維平面應變模型[7]，重點分析路面結構層彎沉、層底拉應力、拉應變及疲勞壽命，評價加鋪層方案的合理性?；鶎硬牧蠀狄姳?。

表2 有限元計算材料參數

表3 基層材料參數

2.2 加鋪層結構方案組合

有限元計算時，改變半剛性基層種類、厚度及面層結構厚度，分別計算在標準軸載（0.7 MPa）和超載(1.1 MPa)兩種情況下的加鋪層結構的受力特征（見表 4）。

表4 界面完全連續加鋪層結構優化方案

路面彎沉值如圖2所示，對于方案組合類型I，在保證2層16 cm基層厚度的情況下，彎沉隨材料模量變化趨勢明顯。其中密級配水穩碎石材料的彎沉值最小，為51(0.01 mm)；對于方案組合II，基層厚度減薄后，路面彎沉上升較快，其中柔性基層方案9最大，如在軸載為0.7 MPa和1.1 MPa條件下，方案7比方案2路面彎沉均增大10%；對于方案組合III，直接加鋪15 cm瀝青混凝土面層，比設置基層時路面彎沉增大較為明顯，如方案10比方案1增大約15%。因此，舊路破碎后加鋪半剛性路面比直接加鋪瀝青路面的彎沉值更小，而且半剛性基層減薄對路面彎沉的影響不大。

3.2 層底拉應力

圖3、表5分別為加鋪層層底拉應力圖及與容許拉應力比較表。面層最大拉應力變化較平緩，基層波動較大。在重載交通條件下，除方案9和10外，其余方案應力增加明顯，其中基層應力平均增加了98%，面層應力平均增加了130%。增值最小的分別是瀝青碎石柔性基層和直接加鋪15 cm瀝青面層，分別為52%和3%。由此說明柔性結構更能應對重載交通。

表5 軸載為1.1 MPa時加鋪層層底拉應力與容許拉應力比較

比較各方案基層層底拉應力σ1與容許拉應力σR可知，各方案在標準軸載下的基層和面層層底拉應力較小，(σR-σ1)/σR較大，均在0.50和0.70以上，安全系數較高；而在超載情況下，方案3、4、5基層層底拉應力已經超過或接近容許拉應力，其余 (σR-σ1)/σR值在0.11和0.80之間波動，說明在重載交通條件下，剛度較大的基層易破壞。面層最大拉應力除方案9和10的富余量較小外，其余各方案都在0.30左右，波動較小。

3.3 層底拉應變

結構層層底拉應變見圖4。

對于類型I，方案1～6基層及面層層底拉應變大小趨近一致。對于類型II，減薄了基層厚度后，基層層底拉應變明顯增大，如在1.1 MPa時，方案 8(357με)比方案 5(261με)增大了 37%。對于類型III，直接加鋪15 cm瀝青混凝土的方案10面層層底拉應變最大。

3.4 疲勞壽命

疲勞壽命見表6。

表6 疲勞壽命

由表6可知，除方案4、5、6、7基層疲勞壽命明顯偏小外，各方案在標準軸載及超載交通條件下均具有較高的疲勞壽命，路面疲勞壽命受控于面層；對于各方案的面層疲勞壽命，除方案10較差外，其余方案相差不大；對比方案1和8，薄基層疲勞壽命降低較為明顯，但面層疲勞壽命卻優于或接近厚基層結構，由于整體路面結構壽命仍受控于面層，方案8比方案1更具有經濟性優勢。對比方案9與其他方案可知，柔性路面結構應對超載的能力較強。

3.5 基層和面層厚度的優化

在上述計算方案的基礎上，為了驗證基層和面層厚度是否存在優化的余地，特設置類型III進行比較。路表彎沉、面層最大拉應力和拉應變見圖5～圖 7。

由圖5～圖7可知，減薄了面層厚度后，彎沉、面層最大拉應力和拉應變均增大，其中1.1 MPa下的最大拉應變增大了42%，從而使得疲勞壽命大大降低，說明打碎后直接加鋪瀝青混凝土時，厚度不應低于15 cm。方案12的各項力學指標均好于直接加鋪瀝青混凝土，但與方案8結果相差無幾，說明16 cm的基層厚度也能滿足要求。

4 結語

（1）舊混凝土路面實施碎石化后，面層的模量降至384 MPa，形成堅硬的粒料基層，優于普通級配碎石基層。

（2）對于多數半剛性材料，用于碎石化條件下的加鋪層結構時，其路表彎沉、面層層底拉應力、拉應變和疲勞壽命與直接加鋪15 cm瀝青混凝土的各項指標相差不大，個別情況下甚至優于后者。無論從經濟性能，還是從力學性能分析，舊水泥混凝土路面破碎后采用半剛性基層+10 cm瀝青混凝土作為加鋪層結構是可行的。通過有限元計算表明，采用二灰碎石、水泥石灰碎石和新級配水穩碎石作為加鋪層結構的基層更為合理。

[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應用與探討[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力強度因子有限元分析[J].公路交通科技.2006,23(2):52-56.

[3]鄧學鈞.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]王松根,張玉宏.舊水泥混凝土路面碎石改造技術應用與探討[J].公路,2004(5):31-35.

[5]王松根,張玉宏.舊水泥混凝土路面碎石化再生技術研究與應用[J].公路交通科技（應用技術版）,2006(11).

[6]侯利國,馬建青,呂偉民.混凝土面板碎石化承載能力的評定[J].養護機械與施工技術,2006(3):26-29.

[7]嘉木工作室.ANSYS 5.7有限元實例分析教程[M].北京:機械工程出版社,2002.