舊水泥路面沖擊碾壓技術改造后應力分析

□文/王 亮

從環保與節約投資的角度考慮，將舊水泥混凝土路面打裂后加鋪瀝青面層是舊水泥路面改造的一個可行性方案。同時，從改造后的加鋪層路用性能和質量的角度考慮，舊水泥路面打裂后加鋪瀝青面層有很好地抵制反射裂縫的作用。

沖擊碾壓技術采用沖擊壓路機對路面進行低頻高速沖擊，使原水泥路面斷裂成一定尺度的碎塊，這樣既可以消除原水泥路面板底脫空等病害，也可以減小由于荷載作用產生的板塊間過大位移差，從變形和應力的角度減緩反射裂縫的產生和發展。該技術將原水泥路面打裂后作為基層使用，一方面可以繼續利用原水泥混凝土的強度，另一方面減少了廢棄物的拋棄，達到了環保的要求，節約了建設投資。

1 加鋪層產生反射裂縫原因

舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層，在接、裂縫處極易產生反射裂縫。根據斷裂力學的觀點，主要是因為舊水泥路面的裂、接縫作為原始缺陷存在于路面結構中，由于拉伸應力和剪應力的作用引起接、裂縫處的應力集中，從而導致裂縫的產生和擴展。

車輛荷載主要引起加鋪層的剪切型反射裂縫，在車輪偏荷載的作用下，接、裂縫兩側的彎沉差過大而引起瀝青加鋪層的剪切破壞。車輪偏荷載作用下接縫處剪應力和裂縫兩側彎沉差見圖1，車輛荷載作用下接縫部位的裂縫分布情況見圖2。

圖1 車輪偏荷載作用下接縫處剪應力

圖2 接縫處裂縫分布

通過圖1分析，當車輪偏荷載作用于水泥混凝土路面的接、裂縫處時，容易導致接縫處剪應力集中，同時造成裂縫兩側產生彎沉差，從而引起加鋪層的剪切型破壞，產生反射裂縫。所以對接、裂縫處進行合理、有效地處理是減小加鋪層內反射裂縫的首要問題。

2 沖擊碾壓技術作用機理

2.1 模型建立以及材料參數

應用ANSYS有限元方法建立分析模型，模擬瞬時沖擊碾壓時水泥混凝土板內的應力、應變以及板塊破碎情況。水泥路面板采用concr et e65單元，基層和土基采用Sol id45單元并對各結構層做出如下假設：

1）假設結構層為均質、連續、各向同性的線彈性材料；

2）結構層之間完全連續接觸；

3）考慮面板之間的相互作用；

4）模型尺寸面板 5 m×4 m×0.25 m，基層 35 m×28 m×0.30 m，土基 35 m×28 m×20 m；對基層和土基施加各個方向的約束，面板為四周自由不受約束。

各結構層參數見表1。

表1 路面結構參數

2.2 沖擊碾壓過程中裂縫發展

通過有限元軟件模擬，發現裂縫首先出現在沖擊輪作用下方、路面板的中上部，而不是出現在面板的表面且表現為橫向裂縫，見圖3。在沖擊輪前進的過程中，會對已有裂縫產生一定影響，使已有裂縫進一步發展，表現為板底縱向裂縫的出現，見圖4。

圖3 沖擊輪下橫向裂縫發展

圖4 縱向裂縫發展

由圖3圖4可知，當沖擊輪沿路面板中線行走時，橫向裂縫出現的比較多，但是縱向裂縫的發展速度比橫縫快；隨著沖擊碾壓次數的增加，當碾壓至第2遍時，面板開始出現縱向貫穿裂縫；當荷載作用在板的邊緣時，裂縫自板底向上反射，為縱向裂縫；而當荷載作用在板的中部時，板內裂縫也是自板底向上發展，表現為橫向裂縫；當沖擊輪作用于板體接縫邊緣時，裂縫自板頂和板底同時出現并伴有斜向裂縫的產生和發展。這些裂縫恰恰出現在受力的薄弱環節，將路面預打裂從而減小以后路面產生破壞的概率。

2.3 板內應力釋放情況以及裂縫尺寸大小

HB-XD高速公路水泥混凝土路面改造工程舊水泥混凝土路面沖擊碾壓過程中，板內應力會較大程度的釋放見圖5。圖6為水泥混凝土路面破碎后的碎塊尺寸。

圖5 板內應力隨打裂次數變化情況

圖6 沖擊碾壓后碎塊尺寸分布情況

由圖5可知，在對水泥路面進行打裂的過程中，板內應力由2.3 MPa減小到0.98 MPa釋放了57.4%，可見對路面打裂過程中板內應力得到有效地釋放。另外，根據圖6，水泥路面打裂后碎塊尺寸主要分布在40～65 cm，在此碎塊基礎上進行加鋪層應力計算和模擬。

3 加鋪層應力應變模擬計算

3.1 溫度與荷載應力耦合分析

在實際工程中，瀝青加鋪層往往處于車輛荷載與溫度荷載的共同作用之下，因此在對加鋪層進行應力分析時，有必要對車輛荷載與溫度荷載進行耦合分析，見表2。由于瀝青混合料的松弛特性跟溫度與時間有關，溫度越低，作用時間越短，應力松弛效應就越低，以下進行的耦合分析不考慮瀝青混合料的溫度松弛特性。

表2 沖擊壓路機處理后混凝土碎塊尺寸對瀝青加鋪層溫度應力的影響

由表2可知，水泥混凝土破碎板幾何尺寸對瀝青加鋪層的溫度應力和耦合應力的影響程度遠大于對荷載應力的影響程度。隨著水泥混凝土板破碎尺寸的減小，瀝青加鋪層的溫度應力及耦合應力也相應減小，將原路面板500 cm×400 cm的板塊破碎成45 cm×50 cm的過程中，溫度作用產生的彎拉應力和剪應力分別減小了70.7%和71.6%，荷載與溫度耦合作用下產生的彎拉應力和剪應力也分別減小了65.9%和50.1%且隨著破碎板尺寸的減小，接縫或裂縫處受溫縮或翹曲作用產生的張開變形的位移量就越小，應力集中現象也逐漸減弱。綜合考慮破碎板尺寸對加鋪層溫度應力、荷載應力和耦合應力等的影響，認為將舊水泥混凝土板打裂成一定尺寸的碎塊后，可以有效減小加鋪層內溫度應力、荷載應力以及耦合應力且應力分布相對均勻，從而有效減少了反射裂縫的產生和發展。

通過以上分析，水泥混凝土路面打裂成45 cm×50 cm碎塊后，加鋪層的荷載和溫度應力將極大減小，為更好地說明加鋪層內的荷載應力分布情況，采用ANSYS有限元軟件進行模擬。

3.2 加鋪層荷載應力的分析模擬

應用有限元軟件模擬水泥混凝土路面沖擊碾壓后加鋪瀝青面層，得出車輪荷載作用下瀝青加鋪層內的彎拉應力和剪應力以及彎沉的變化情況。采用的路面結構為16 cm瀝青混凝土+22 cm打裂后水泥混凝土碎塊(45 cm×50 cm)+50 cm原路面基層+土基層。車輛荷載作用下加鋪層內彎拉應力見圖7，路面表面彎沉見圖8。

圖7 瀝青加鋪層內彎拉應力

圖8 路面表面彎沉

由圖7和圖8可知，瀝青層底彎拉應力最大值為0.118 MP，剪應力數值最大值為0.080 MPa，瀝青加鋪層表面最大彎沉為0.082mm。與直接加鋪法相比，沖擊碾壓處理后的加鋪層內彎拉應力和剪應力分別減小了44.3%和40.3%，表面彎沉減小了52.6%。所以，進一步驗證了沖擊碾壓處理后的水泥路面加鋪瀝青面層在減小加鋪層內應力和表面彎沉方面的效果。

3.3 加鋪層溫度應力的模擬分析

以張家口地區為例，平均氣溫7.7℃/a，最低氣溫-17.9℃，最高氣溫39℃。以日平均氣溫作為參考溫度，每日的升溫及降溫分別為10℃和-10℃。其中溫度由-18℃升溫至-8℃為升溫過程，溫度由-18℃降溫至-28℃為降溫過程。由于加鋪層頂面溫度降低使得路面結構產生收縮變形，而路面結構的溫度梯度又使混凝土板產生向上翹曲，這兩種變形疊加使得加鋪層底面受拉。反之，當加鋪層頂面溫度升高時，路面結構發生膨脹及向下翹曲變形，加鋪層底受壓，這種情況下加鋪層底部不易產生反射裂縫。在分析加鋪層溫度應力時，只考慮降溫情況。

1）直接加鋪法。由圖9可知，在接縫位置處溫度應力最為集中，溫度應力為1.292 MPa；在瀝青面層頂部溫度應力為1.461 MPa；加鋪層內剪應力數值最大為0.29 MPa。同時由于溫度應力的作用，加鋪層內X方向的應變值主要集中在接縫頂端位置，應變值達到0.535mm，見圖10。可見，直接加鋪法加鋪層內的溫度應力和應變值較大。

圖9 加鋪層彎拉應力

圖10 加鋪層X方向拉應變

2）沖擊碾壓。沖擊碾壓處理后的加鋪層內溫度彎拉應力0.948 MPa，剪應力為0.181 MPa，X方向拉應變0.235mm。與直接加鋪法相比，彎拉應力、剪應力以及拉應變分別減小了26.6%、37.6%和56.1%。

4 沖擊碾壓技術防止反射裂縫機理

計算結果表明，在相同加鋪厚度情況下破碎穩固技術可以明顯降低瀝青加鋪層拉應力與剪應力，有效延緩或避免反射裂縫的發生。破碎穩固將水泥板塊充分破碎，使原4m×5m的水泥板塊破碎成為30～100 cm的碎塊，然后用重型壓路機碾壓，使水泥碎塊壓實穩固。水泥板塊尺寸的減小，降低了瀝青面層層底拉應力，而經過重型壓路機碾壓后，水泥板塊與基層緊密接觸，避免了脫空出現，最大限度地消除了板塊間彎沉差，降低了瀝青面層剪應力，從而降低了荷載型反射裂縫產生的可能性。特別是經過碎石化處理后的水泥板塊，其力學行為類似級配碎石。破碎后的水泥板經過壓實穩定處理后，具有很高的剪切強度和抗車轍能力，荷載傳遞性能是一般級配碎石的1.5～3.0倍。

5 結論

1）打裂過程中，板內裂縫遍及全板，使原來的大板塊打裂成一定尺寸范圍的小塊，從而將原來集中的應力釋放出來，改變原來路面結構的受力情況。

2）與直接加鋪法相比，將舊水泥路面打裂后加鋪瀝青面層，加鋪層內的彎拉應力減小了近87%，剪應力減小了近73.2%。應力減小時加鋪層產生反射裂縫的概率大大減小，從而提高路面的使用壽命。

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