舊水泥路面碎石化加鋪粒料基層瀝青罩面結構重載力學響應研究

黃錦 黃慧

摘要：舊水泥路面破損較重時，為減少道路棄渣和綜合利用舊路，采用碎石化技術進行瀝青罩面是一種綠色循環利用技術。舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石進行強度均勻、過渡、增強后再進行瀝青罩面已在廣西地區應用十分廣泛，工程實踐效果良好。但隨著重載交通的發展，需對該結構重載作用下的適應性進行研究。文章針對舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石過渡層瀝青罩面結構，利用有限元建模計算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結構在重載作用下的承載力（彎沉）與應力重載的敏感性，可為廣西地區乃至全國舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術參考。

關鍵詞：碎石化;粒料基層;瀝青罩面;重載;承載力;應力分布

0 引言

水泥路面在公路工程中發揮了極其重要的作用，隨著水泥路面運營時間增加，路面病害增多，大量的水泥路面面臨著大修，經濟適用型舊水泥路面大修結構技術需求迫切。當舊水泥混凝土路面斷板率較高、損壞面積較大時，可對舊水泥混凝土面板先進行破裂和穩固后再加鋪瀝青面層罩面。在舊水泥路面大修或改造工程中，碎石化瀝青罩面技術是充分利用舊路剩余強度價值和綜合循環利用舊路最重要的技術手段，分析研究舊路碎石化加鋪罩面結構使用性能與耐久性具有重要實用價值。對舊水泥混凝土進行碎石化瀝青罩面，具有較好的抗車轍、抗疲勞性能，也具有較好的適用性與工程經濟性，是一種耐久經濟環保型舊路改造加鋪技術[1]。

1 碎石化加鋪改造結構

對舊水泥路面進行碎石化加鋪改造是一項綠色環保、道路資源再生循環利用的路面再生技術，是舊水泥路面大修或改造工程中最重要的綜合利用技術手段。其技術特點為：水泥混凝土路面使用狀況較差時，對舊水泥混凝土面板進行碎石化，經破碎，舊路面板由不均一損壞的“大板塊”轉化為均勻穩定散體的“小板塊”，舊水泥混凝土碎石化層所受溫度應力及荷載應力大大減小。同時經過碎石化和施工碾壓成型，碎石化層整體形成了嵌擠連鎖、較高強度的可承載結構。然而，由于碎石化層結構強度存在不均勻、不穩定的問題，需要設置過渡層。考慮到過渡層的結構補強、強度均勻化、防反射裂縫，以及降低工程造價等因素，結合已有技術成果和工程實踐，采用加鋪20cm級配碎石粒料基層進行過渡，起到強度均勻化、結構補強等作用。同時，粒料基層可有效地阻斷裂縫尖端的應力擴展路徑，減少瀝青罩面的反射裂縫發生隱患。舊水泥路面碎石化+級配碎石屬于柔性基層類，隨著地方普通公路運輸重載交通的增長，需要對該種瀝青罩面結構重載作用下力學響應進行驗證分析研究。因此本文針對碎石化瀝青罩面結構，利用有限元建模計算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結構在重載作用下的力學響應，本文可為舊水泥路面碎石化瀝青罩面工程提供技術參考。

2 有限元建模計算

本文對舊水泥路面碎石化后的瀝青罩面結構采用軸對稱模型進行計算分析，選取路面結構對稱模型的1/2進行建模。本文采用某地方公路大修工程公路結構建立計算模型，選用多層路面結構進行分析，其路面結構自上而下為瀝青混凝土面層、級配碎石層、舊水泥路面碎石化層，路面模型寬選為4m，面層、基層、土基結構層厚度、各結構層彈性模量及泊松比等計算參數如表1所示[2，3]。

根據該結構模型受力特點，邊界條件假定為：路基底面約束固定、不產生豎向位移（位移條件為0），模型側面及對稱面的邊界約束固定、不產生水平位移（X方向位移為0），瀝青面層、粒料層、碎石化層、基層等相鄰結構層間均為完全連續接觸。根據二維平面模型計算方法，本數值模型荷載作用類型采用單元荷載，加載如圖1所示，當單元直徑D為30.4cm，荷載均布壓力P為0.7MPa。

3 重載力學響應分析

采用上述結構模型，本文計算分析了舊水泥路面碎石化后瀝青罩面結構在重載作用下的力學響應，交通荷載分別考慮為0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.4MPa。

3.1 承載力響應

在荷載作用下，路基和路面各結構層在不同深度處豎向變形位移累計總和即為路面彎沉[4]，是反映路面結構整體剛度和承載力的重要指標。本文采用路表彎沉值指標，分別計算分析了級配碎石層模量變化（300～800MPa）對舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結構的路表彎沉的影響，計算結果如圖2所示。不同輪載作用下的變化對舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結構的路表彎沉的影響，如圖3所示。

由圖2可知，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結構承載力與級配碎石層模量密切相關，路表彎沉隨級配碎石層的模量增加而減小，設置粒料基層的瀝青路面設計彎沉一般≤40（0.01mm），因此，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石模量控制宜≥500MPa。由圖3可知，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結構路表彎沉對重載敏感，路表彎沉隨輪載增大而增大，幾乎呈線性關系。綜上所述，舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面結構為獲得良好的結構整體承載力，降低路表彎沉，可采取大粒徑級配碎石基層或添加低劑量水泥的級配碎石基層技術，以提高級配碎石層的模量。

3.2 應力響應

在重載交通下，拉應力破壞和剪應力破壞是瀝青路面結構內部最不利受力。因此，根據舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石瀝青罩面屬于粒料柔性基層的結構特點，在本文結構力學分析中，重點研究分析了瀝青層底的拉應力、剪應力等關鍵力學指標的響應。

3.2.1 拉應力響應

為尋找舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結構最大拉應力區發生的層位，計算分析了在輪載中心位置下路面結構內部的不同輪載作用下的拉應力分布，計算結果如圖4所示。計算結果表明：本文結構內部最大拉應力區主要出現在約0.1m深度層位（瀝青層底）、0.6～0.9m深度層位（舊路半剛性基層層底），這兩個層位也正是路面結構力學需重點考慮防范拉應力破壞的層位，其中最大拉應力區發生在級配碎石層頂的瀝青層底位置。因此，在采用級配碎石過渡基層時要重點考慮粒料基層帶來的瀝青層底拉應力破壞問題，適當提高級配碎石的強度、提高抗變形能力，有利于減小瀝青層底拉應力分布。

為揭示重載交通對本結構瀝青層底拉應力的影響規律，計算了重載作用下該結構瀝青層底拉應力大小變化，計算結果如圖5所示。結果表明：瀝青罩面層底應力對重載作用敏感性較強，瀝青罩面層底水平拉應力隨重載的增加而增加，超載100%時，應力峰值為0.06MPa，雖遠小于瀝青混合料的抗拉強度，但仍存在發生拉應力疲勞破壞的較大隱患。因此，在該結構中，除增加級配碎石的強度和模量以減小瀝青層底拉應力水平外，還應提高瀝青混合料的柔韌性和抗疲勞性能以適應瀝青層底拉應力作用，如采用橡膠瀝青等骨架密實型瀝青混合料。

3.2.2 剪應力響應

在重載交通荷載作用下，瀝青路面結構內部產生的剪應力是瀝青路面發生流動性車轍病害的主要影響因素。已有研究表明，瀝青面層內的最大剪應力一般出現在輪載外側邊緣的垂直線上，在輪胎外邊緣附近的垂直線上出現剪應力峰值。本文計算分析了在不同重載水平下，該路面結構層內最不利位置上的剪應力分布及其隨重載增加而產生的變化，計算結果如圖6所示。

由圖6可知：（1）該結構路面結構層內的剪應力區>0.1MPa的剪應力主要分布在10cm范圍內，恰好為整個路面瀝青層;（2）隨路面深度的增加，瀝青路面結構內部的剪應力先增加，剪應力在瀝青面層中部位置達到峰值點后，隨深度增加而衰減，剪應力最大峰值出現在5cm附近，即9cm瀝青面層的中部位置區域;（3）隨著輪載的增大，面層內剪應力峰值增大，出現的深度略有增加。由此分析可知：在舊水泥路面碎石化后加鋪瀝青罩面結構中，剪應力影響區主要貫穿于整個瀝青層，并且隨著重載的增加，瀝青層內最大剪應力增加;重載作用下，該結構因剪應力發生車轍的可能性較大。因此，為防止該結構因剪應力發生車轍變形類病害，應提高9cm瀝青面層的抗車轍能力，采用改性瀝青骨架密實型抗車轍混合料，如橡膠改性瀝青混合料等。

4 結語

本文通過計算分析在不同重載水平下舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石基層瀝青罩面結構力學響應，得到如下結論：

（1）本文路面結構承載力與級配碎石層模量關系密切，路表變形（彎沉）隨重載增加明顯。同時，該結構雖然具有良好的應力協調性，能大幅削弱反射裂縫的發生，但是也帶來瀝青層底拉應力較大的問題。因此級配碎石加鋪層應適當提高強度和模量，以提高結構承載力，減小瀝青層底拉應力等，建議采用大粒徑級配碎石基層或添加低劑量水泥的級配碎石基層技術。

（2）在本文路面結構中，重載對本結構內的剪應力影響較大，尤其是在瀝青層內隨著重載的增加剪應力峰值增加明顯，對瀝青混合料的抗車轍性能提出了較高要求，應對混合料進行抗車轍優化設計。因此，當采用舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石基層瀝青罩面結構，建議瀝青面層采用橡膠瀝青等骨架密實型改性瀝青混合料技術，以提高面層混合料的抗車轍性能和抗疲勞性能。

參考文獻：

[1]黃 慧，馮永平，賴 強，等.級配碎石基層在廣西地區舊水泥路面碎石化加鋪中的應用研究[J].公路與汽運，2016（6）：147-150.

[2]張洪剛，黃 慧，岳愛軍，等.舊水泥路面碎石化加鋪級配碎石與瀝青罩面結構組合設計參數研究[J].公路工程，2012，37（1）：19-22.

[3]張洪剛，黃 慧，岳愛軍.不同結構類型的舊路改造升級瀝青罩面結構的力學響應研究[J].公路工程，2013，38（1）：129-132.

[4]孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].上海：同濟大學出版社，2003.