舊瀝青路面新建半剛性路面結構合理性分析*

姚新宇，彭華，周勝波

（1.廣西交通科學研究院廣西道路材料與結構重點實驗室，廣西南寧 530007；2.武漢理工大學交通學院，湖北武漢 430063）

舊瀝青路面新建半剛性路面結構合理性分析*

姚新宇1，彭華2，周勝波1

（1.廣西交通科學研究院廣西道路材料與結構重點實驗室，廣西南寧 530007；2.武漢理工大學交通學院，湖北武漢 430063）

采用ANSYS分析新水泥穩定碎石層不同厚度、模量衰減條件下各結構層壓應變與剪應變，并通過檢測彎沉值計算路面回彈模量，分析不同厚度新水泥穩定碎石層對路面整體強度的影響。檢測與計算結果表明，新水泥穩定碎石層厚度對路面整體強度具有較大影響，當水泥穩定碎石層強度下降到一定程度時路面結構受力分布會發生較大改變，同時舊瀝青層對路面結構存在不利影響。

公路；舊路改造；水泥穩定碎石基層；舊瀝青層；力學分析

隨著中國公路建設與城市化建設的加快，舊路改造規模逐年加大。舊路改造結構形式與改造后的使用壽命和性能逐漸引起國內外專家的關注。根據工程條件與使用需求的不同，目前存在“白加黑”、“黑加白”及“白加白”等多種舊路改造形式。Cole L.W.等研究了在舊瀝青路面上進行纖維加筋水泥砼罩面的破壞特點，發現它能有效防止路面早期病害，并可應用于頻繁制動區域如停車場等。國內不少高校均對舊路改建路面新結構形式與新材料的應用進行了相關研究，但結構形式大多局限于“白加黑”。下面依托現有工程與檢測項目，研究舊半剛性瀝青路面面層經過部分銑刨調平后直接新建半剛性瀝青砼路面的結構性能，探討新建水泥穩定碎石層強度與厚度對路面整體結構的影響，以探索新的舊路改造方式。

1 材料參數擬定與模型建立

根據設計圖紙建立長×寬×高為3 m×3 m×8 m的立方體，其中下承層與路面總厚度為8 m，路面結構層模型根據工程設計圖紙擬定（見表1）。

采用有限元軟件ANSYS中的Solid45單元進行離散處理。約束立方體4個側面的水平方向位移，允許垂直方向的位移及任意方向自由轉動，立方體底部進行完全約束，立方體上表面為自由面。因取芯鑒定新建結構層之間的接觸條件良好，采用Glue粘結和下層建立聯系，新水穩層與舊瀝青層采用Canta173接觸單元。根據有關研究成果，瀝青面層與半剛性基層之間的摩擦系數為0.399～0.829，考慮到舊瀝青層與新水穩層粘結并不理想，取摩擦系數為0.75。為便于計算和分析，根據Groenendijk、Ronald Blab及文獻［12］等的研究成果，采用圖1所示荷載分布形式，荷載選用100 k N標準軸載，參數見表2。

表1 各結構層材料特性及厚度

圖1 車輛荷載接地面積區域劃分

表2 荷載參數

2 路面結構力學分析

瀝青路面壽命不僅受到土基模量變化的影響，也受到水穩層條件變化的影響，不同水穩層模量下路面結構力學性能不同。因此，選取水穩層模量作為路面結構受力影響因素。改變水穩層模量為理論模量的100%、50%、75%、25%，在標準軸載作用下分析其變化對路面結構受力的影響。不同檢測段新水穩層的厚度和模量見表3。

表3 各檢測段新水穩層的厚度和彈性模量

對不同水穩層模量條件時標準軸載作用下結構層的壓應變進行分析，得知沿水平方向輪跡中心點處壓應變最大、路面結構層中輪跡外邊緣點處剪應變最大。因此，選取輪跡中心點作為壓應變計算點、輪跡外邊緣點作為剪應變計算點。

2.1 檢測段1＃力學響應分析

該路段水泥穩定碎石基層為36 cm，其余結構層參數見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.1.1 壓應變分析

不同模量新水穩層條件下，標準軸載作用下最大壓應變隨深度的變化見圖2。

圖2 水穩層模量改變時檢測段1＃不同深度壓應變的變化

由圖2可知：隨著水穩層模量的逐漸減小，檢測段1＃上、中面層內壓應變小幅度減小，下面層內壓應變逐漸增大且增幅較大，基層內壓應變增幅較大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內壓應變減小幅度分別為12.9%、7.1%，下面層內壓應變增幅為101.8%。

2.1.2 剪應變分析

不同模量新水穩層條件下，標準軸載作用下輪跡外邊緣點水平剪應變隨深度的變化見圖3。

圖3 水穩層模量改變時檢測段1＃不同深度剪應變的變化

由圖3可知：隨著水穩層模量的減小，檢測段1＃面層內水平剪應變逐漸增大，下面層內水平剪應變增幅大于上、中面層，基層內剪應變增幅最大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內剪應變增幅分別為29.5%、33.5%，下面層內剪應變增幅為78.2%。

2.2 檢測段2＃力學響應分析

該路段水泥穩定碎石基層為30 cm，其余結構層參數見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.2.1 壓應變分析

新水穩層不同模量條件下，標準軸載作用下最大壓應變隨深度的變化見圖4。

圖4 水穩層模量改變時檢測段2＃不同深度壓應變的變化

由圖4可知：隨著水穩層模量的逐漸減小，檢測

段2＃上、中面層內壓應變小幅度減小，下面層內壓應變逐漸增大且增幅較大，基層內壓應變增幅較大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內壓應變減小幅度分別為12.1%、7.0%，下面層內壓應變增幅為102.1%。

2.2.2 剪應變分析

新水穩層不同模量條件下，標準軸載作用下輪跡外邊緣點水平剪應變隨深度的變化見圖5。

圖5 水穩層模量改變時檢測段2＃不同深度剪應變的變化

由圖5可知：隨著水穩層模量的減小，檢測段2＃面層內水平剪應變逐漸增大，下面層內水平剪應變增幅大于上、中面層，基層內剪應變增幅最大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內剪應變增幅分別為28.3%、31.8%，下面層內剪應變增幅為73.9%。

2.3 檢測段3＃力學響應分析

該路段水泥穩定碎石基層為18 cm，其余結構層參數見表1，其中新水泥砼碎石層模量從1 500 MPa到375 MPa逐漸折減，每次減小25%。

2.3.1 壓應變分析

新水穩層不同模量條件下，標準軸載作用下最大壓應變隨深度的變化見圖6。

圖6 水穩層模量改變時檢測段3＃不同深度壓應變的變化

由圖6可知：隨著水穩層模量的逐漸減小，檢測段3＃上、中面層內壓應變小幅度減小，下面層內壓應變逐漸增大且增幅較大，基層內壓應變增幅較大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內壓應變減小幅度分別為9.6%、5.7%，下面層內壓應變增幅為108.1%。

2.3.2 剪應變分析

新水穩層不同模量條件下，標準軸載作用下輪跡外邊緣點水平剪應變隨深度的變化見圖7。

圖7 水穩層模量改變時檢測段3＃不同深度剪應變的變化

由圖7可知：隨著水穩層模量的減小，檢測段3＃面層內水平剪應變逐漸增大，下面層內水平剪應變增幅大于上、中面層，基層內剪應變增幅最大。水穩層模量從1 500 MPa減小到375 MPa，上、中面層內剪應變增幅分別為23.3%、24.3%，下面層內剪應變增幅為65.0%。

3 路面整體強度分析

路表彎沉是路面各結構層（包括土基）各自變形的綜合結果，該變形在一定程度上反映路面各結構層及土基的力學性質，同時通過路表彎沉反算路面當量回彈模量，可反映路面結構整體抗剪強度。通過貝克曼梁法對3個檢測段路面彎沉進行測量，并采用式（1）、式（2）分別反算其路面當量回彈模量，結果見表4。

各路段彎沉值計算公式為：

式中：l為路段內實測路表彎沉平均值（0.01 mm）；Za為與保證率相關的系數，高速公路、一級公路Za=1.645，其他公路瀝青路面Za=1.5；S為路段內實測路面彎沉標準差；K1、K2分別為季節影響系數和濕度影響系數，根據當地經驗確定；K3為溫度修正系數，可按照《公路路基路面現場測試規程》的規定或條文說明或當地的實測資料進行修正。

原路面的當面回彈模量計算公式為：

式中：p、δ分別為標準車型的輪胎接地壓強（MPa）和當量圓半徑（cm）；l0為原路面的計算彎沉（0.01 mm）；m1為用標準軸載汽車在原路面上測得的彎沉值與用承載板在相同壓強條件下所測回彈變形值之比，即輪板對比值，根據各地的對比試驗結果論證地確定，在沒有對比試驗資料的情況下取m1=1.1（輪隙彎沉法）；m2為原路面當量回彈模量擴大系數，取1.0。

表4 路面當量回彈模量計算結果

由表4可知：檢測段2＃所測彎沉值比檢測段1＃平均高65.5%，相應地路面回彈模量低23.7%；檢測段3＃所測彎沉值比檢測段2＃平均高25.0%，相應地路面回彈模量低6.4%。且檢測段3＃車轍、坑槽、網裂等路面病害現象比檢測段2＃更顯著，說明水泥穩定碎石層厚度對路面結構整體強度具有很大貢獻。

4 結論

（1）新水泥穩定碎石層是路面承載能力的重要組成部分，決定路面的整體強度。

（2）新水泥穩定碎石層的強度穩定性影響路面的使用壽命，隨著新水穩層模量的下降，各結構層同深度剪、壓應變都有一定程度增大；當新水穩層模量下降到25%時，會在路面深度12～40 cm處出現較大的壓、剪應變區域；新水穩層強度衰減會加劇這一區域結構層的破壞，影響路面整體強度。

（3）舊瀝青層對路面壽命存在不利影響；新水穩層越厚，在舊瀝青面層深度范圍內的剪、壓應變越大，舊瀝青層較大的應變會加劇新水穩層的破壞，影響路面壽命。

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U416.223

A

1671-2668（2016）06-0120-04

2016-05-24

廣西壯族自治區交通運輸科技項目（桂科教發2015-261-1-12）