冷再生基層路面結構力學響應分析＊

侯昭光 趙洲清 應榮華

（珠海交通集團有限公司1） 珠海 519071） （長沙理工大學交通運輸工程學院2） 長沙 410004）

對瀝青路面廢舊材料進行再生利用，可以有效提高資源利用率，保護生態環境，符合國家提出的發展循環經濟、實現可持續發展的戰略方針［1］.冷再生技術從20世紀90年代初開始，在美國、澳大利亞和南非等國家開始得到廣泛的應用，我國也從1998年引進了冷再生技術，并陸續開展了相關研究［2］.采用冷再生技術，以原有部分半剛性基層和瀝青面層的銑刨碎料為骨料，通過摻加乳化瀝青或泡沫瀝青為結合料，再加入其他外加劑拌合均勻后碾壓形成一種半柔性材料，這種材料具有“剛柔相濟”的特點，力學性能介于柔性基層和半剛性基層之間，從而使原先的路面結構成為半柔性基層結構［3］，其抗車轍、抗開裂性能優越，承受荷載的能力強.本文結合佛山官西線冷再生路面結構形式，采用BISAR計算軟件對冷再生基層路面結構的力學特性進行分析，分析了冷再生基層路面結構的力學響應.

1 計算軟件與力學參數

1.1 計算軟件

本文采用殼牌的BISAR3.0計算軟件［4］進行冷再生基層路面結構的力學分析，計算荷載采用標準雙輪軸載BZZ－100kN，胎壓0.7MPa，輪壓半徑R＝10.65cm，雙圓中心距為15.975cm計算荷載如圖1［5］.

圖1 荷載形式圖

1.2 冷再生路面結構形式與計算參數

分析中結合廣東佛山官西線瀝青路面維修改造工程，考慮當地經濟發展、交通量、公路等級以及社會經濟效益，擬采用現成冷再生技術對其進行維修改造.再生路面結構層計算參數主要考慮層位厚度、模量和泊松比.結構計算參數的確定綜合考慮了路面狀況、結構承載能力評定、材料力學計算參數的室內試驗研究［6］，本研究中通過路面材料的室內試驗研究和現場測試，得到再生路面結構層的計算參數見表1所列.

表1 路面結構形式與力學參數

2 力學計算結果分析

2.1 再生路面結構的位移

分析中只考慮了冷再生路面橫斷面方向的位移，因此沒有X方向的水平向位移，圖1中計算點A，B，C和D分別代表輪系邊緣（靠外）、輪胎正中、輪系邊緣（靠內）和雙輪正中位置.分析圖2和圖3可以看出，就同一計算點來說，各個點的位移隨路面不同深度處的變化趨勢是相同的，變化趨勢大致可以分為4個，從土基到30cm的壓實土基頂部、從水穩基層底部到冷再生層底、從冷再生底部到面層底部、路表面到面層內；就不同的計算點而言，A，B，C和D各個計算線上的位移也存在較大的差別.

圖2 各計算線上的豎向位移

圖3 各計算線上的水平向（Y向）位移

由圖2可以看出：A，B，C和D個點隨路面深度的增加，其豎向位移逐漸減小；從路表面到瀝青面層這一深度中，D點到A點的豎向位移成逐漸增加的趨勢，從C點到B點的增加幅度最大，從B點和A的增加幅度較小.在路表面10～15cm處，幾個點的位移計算線產生交叉，位移大小差別不大，但仍可以看出位移的大小是A到D逐漸增加.當路面深度達到40cm處即壓實土基部分時，位移有了一個轉折點，幾個點的位移繼續變小.分析原因可知，在路面結構中，瀝青面層、冷再生層和水穩層作為主要的承重層，承受了車輪的荷載，當其傳遞到基層時，已經大大減小.位移突變的原因主要是由于所假定的路面結構中，壓實土基的上一層比壓實土基的抗壓回彈模量大了許多，所以位移有了突變.

由圖3可以看出在：水平位移的計算線中，D點的位移為零，并不隨冷再生路面深度的變化而變化.在瀝青面層內，A點的位移最大，都大于其他三點的水平位移，但隨著路面深度的增加，三點的位移逐漸減小.在達到再生層（路表面下24 cm）底部時，各個點的水平向位移基本上趨向于零，從再生層底部到壓實土基深度處，位移再變大，在路面深度達到40cm處即壓實土基層頂時，達到最大，之后再次變小.由此可以看出，越是靠近輪胎行駛的外側邊沿，橫向的水平位移越大，這和路面產生的推移情況相同［7］.

2.2 再生路面結構豎向應變

由圖4豎向應變圖中看出：D計算線在路表面即出現拉應變，并隨路面深度增加而迅速減少，在路表面下約6cm（再生深度2cm）處又拉應變變為壓應變，并且壓應變在再生層層中隨深度的增加減小.其余各個計算線上的應變在路面全深度范圍內均為壓應變，在路表面下約8cm范圍內表現為路面厚度增加，其壓應變也明顯增加，然后開始逐漸減少，在再生層底部，A，B，C，D3個計算線的應變減小到最小值，且應變大小相差不大.在路面深度達到40cm處即壓實土基頂層時出現應變突變，之后再次減小.

圖4 各計算線上的豎向應變

由圖5水平的Y向應變中可以看出：A，B，C，D4條線都是先受到壓應變，之后迅速增大.A和B計算線在面層底部（路面深度4cm處）應變變為拉應變，并隨厚度增加而繼續增大，在再生層底約2cm（路面深度6cm）處達到峰值，然后逐漸減小；C和D2個計算線的壓應變在瀝青面層底達到最大，之后隨深度的增加迅速減小，在再生層底部（路面深度24cm）從壓應變變為拉應變，之后四條曲線的趨勢基本保持一直，一直到路面深度達到40cm處即壓實土基頂層時增大到峰值，并開始減小.

圖5 各計算線上的水平向（Y向）應變

由圖6水平的X向應變中可以看出：在路表面處，四條計算線上均表現出較大的壓應變，并隨著路面深度的增加而急劇降低，在瀝青面層底部（路面深度4cm）處變為拉應變，在再生層底約2 cm（路面深度6cm）處達到最大，之后減小.無論是趨勢還是數值，再生層以下的層位的應變區別都不大，都是先增大，在路面深度達到40cm處即壓實土基頂層后減小，所表現的規律和Y向應變是相同的.

圖6 各計算線上的水平向（X向）應變

2.3 再生路面結構豎向應力

由圖7豎向應力計算結果可以看出：冷再生路面結構的豎向應力均為壓應力，比較各個計算線上應力的大小可知，應力大小為A＞B＞C＞D，A，B，C點應力隨深度的增大而減小，D點是先增大，后連續減小.各計算線上沒有出現突變的情況，在路面深度達到40cm處即壓實土基頂面時，應力值達到較小值，減小到1kPa以下.

由圖8、圖9 X向和Y向應力計算結果可以看出：X向和Y向差別不大，都從壓應力漸變為拉應力，在各層位的結合處存在一個應力的突變.分析Y向應力的計算結果，發現D點的應力是先增大，然后從瀝青面層底部開始逐漸減小，并和A，B，C3條計算線在冷再生層底部（路面深度24 cm）處改變為拉應力；在路面深度達到40cm處即壓實土基頂部時，X向和Y向的應力發生突變，變得非常的小，均在1kPa以下.

圖7 各計算線上的豎向應力

圖8 各計算線上的水平向（X向）應力

圖9 各計算線上的水平向（Y向）應力

2.4 再生路面結構剪應力和剪應變

由圖10、圖11剪應力和剪應變計算結果可以看出：各個點的剪應力隨路面深度的變化趨勢相差極大，從再生層底部開始差別減小.最大剪應力出現在計算線C下，即輪跡邊緣附近，大致位置在路表面一下2cm處，其最大值達到近0.25 MPa.剪應力和剪應變在冷再生路面結構的面層和再生深度與約2cm內均表現出較大的數值，C，D兩點在再生層以及以上的層位保持隨著路面深度增加而遞減的趨勢，而A，B2點均是先增大，在再生深度約2cm處達到最大，之后再減小.這和路面的剪切破壞現象保持一致［8］.分析剪應力和剪應變計算結果可知，在路面深度達到40 cm即壓實土基處時剪應變出現突然增大，而剪應力則出現突然變小的現象，分析原因認為這主要是壓實土基的模量較小，雖然剪應力也很小，但是相對的剪應變會較大.

圖10 各計算線上的剪應力

圖11 各計算線上的剪應變

3 結 論

1）路面的位移在車輪通過的輪胎正中之輪胎外側邊緣最大，而雙輪正中位置的垂直形變最小.

2）豎向應變數值大于水平應變，且3個方向的應變均在路面深度約為6cm處達到最大值.在垂直方向上，雙輪正中位置（D點）在路面的再生層約4cm以上存在著拉應變，之后變為壓應變；在X向和Y向均是先出現壓應變，之后變為拉應變.

3）Z向應力的計算線在再生層底部逐漸匯合，在路面全深度范圍內均為壓應力；X向和Y向應力均在路面面層部位表現為壓應力，之后變為拉應力，并在壓實土基頂面減到很小.

4）最大剪應力和剪應變出現均出現在計算線C的位置處.剪應力的最大值出現在路表面下約2cm處，而最大剪應變峰值大致在再生深度約為2cm處.

［1］韋 琴，楊長輝，熊出華.舊瀝青路面再生利用技術概述［J］.重慶建筑大學學報，2007，29（3）：128－131.

［2］拾方治，馬衛民.瀝青路面再生技術手冊［M］.北京人民交通出版社，2006.

［3］蘭承雄，譚憶秋，盛興躍.泡沫瀝青冷再生半柔性基層性能研究［J］.重慶交通大學學報：自然科學版，2008，27（增刊）：928－932.

［4］申愛琴，張艷紅，郭寅川.三類瀝青路面結構力學響應的對比分析［J］.長安大學學報：自然科學版，2009，29（4）：1－7.

［5］中華人民共和國行業標準.JTG D50－2006公路瀝青路面設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［6］吳超凡，曾夢瀾，鐘夢武.乳化瀝青冷再生混合料設計方法試驗研究［J］.湖南大學學報：自然科學版，2008，35（8）：19－231.

［7］Mohammad L N，Wu Z，Daly W H.Investigation of the use of recycled polymer－modified asphalt in asphaltic concrete pavements［R］.Madison：Louisiana Transportation Research Center，2004.

［8］聶憶華，張起森，徐 陽.高等級公路瀝青路面剪應力分布研究［J］.重慶建筑大學學報，2007，29（5）：86－90.