舊水泥路面改擴建拼接結構優化及性能評價*

房 碩 李 盛 劉朝暉 張 豪 許路凱

(長沙理工大學交通運輸工程學院1) 長沙 410004) (長沙理工大學公路養護技術國家工程實驗室2) 長沙 410004)

0 引 言

自上世紀90年末我國的公路建設進入了快速發展時期，當時水泥路面是主要的路面結構形式.在氣候環境和車輛荷載作用下，路面的使用性能逐漸降低，且由于設計使用期內交通量增長速度遠高于預期，我國不少水泥路面未達到使用年限即出現了嚴重的結構性破壞和使用功能衰退，且原有的雙向四車道高速公路也難以滿足日益繁重的交通量需求，迫切需要通過提質改造和擴建完成升級[1].但目前尚未有成熟的舊路改擴建設計施工技術及相應的設計標準，尤其是在新舊路面拼接環節，目前國內對此研究不多.

李沂駿[2]研究了水泥混凝土路面在拓寬改建過程中路面結構拉桿連接技術，研究得出在新舊水泥混凝土路面結合處增設拉桿能夠很好的避免裂縫變寬同時能夠起到一定的傳荷作用.余國紅等[3]對舊混凝土加寬結構進行三維建模分析，分別計算了等厚度和變厚度拼接方案中面板板邊位置的拉應力、拉桿所受的拉力、及接縫處剪應力，得出變厚結構拼接方案中的板邊縱向拉應力大于等厚結構的板邊縱向拉應力，而拉桿承受的拉應力和接縫處的剪應力則小于等厚結構中相應的力.然而在拼接縫的設置位置及反射裂縫的控制方面總是存在各種不足，所以有必要研發新的舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接結構，并按照解決現有舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接結構缺陷、提高路面結構使用性能的原則進行合理選擇與科學設計，以解決現有舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接結構存在的諸多問題.

1 路面拼接結構組合優化設計

路面拼接結構優化設計的主要目標是有效解決現有舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接結構存在的問題，提高路面結構的使用性能，并具有良好的社會與經濟效益.

優化后的舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接結構，其中水泥混凝土面板拼接縫設置在舊水泥混凝土面板的硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m處；沿水泥混凝土面板拼接縫向擴建結構一側開挖舊路面結構，依次在舊路上基層、舊路下基層、舊路墊層設置臺階作為過渡，所述臺階寬度為35 cm；擴建部分的新路下基層與新路墊層采用與舊路一致的材料與厚度，新路上基層采用貧混凝土，厚度與舊路上基層相同，新路水泥混凝土面板采用與舊路面板相同的結構強度及厚度，新路路床采用未篩分碎石；舊路水泥混凝土面板與新路水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來連接；水泥混凝土面板拼接縫上，以拼接縫為中線，先粘貼厚度為2 mm、寬度為40 cm的高分子聚合物抗裂貼，再在新舊水泥混凝土面板上加鋪瀝青混凝土抗裂調平夾層，最后再依次加鋪瀝青混凝土下面層、瀝青混凝土上面層[4].路面結構見圖1.

圖1 路面結構示意圖

2 路面拼接后的裂縫控制

在一般情況下，舊水泥混凝土路面改擴建的路面拼接后仍存在裂縫開裂不規則，裂縫寬度過大的問題，以至于影響路面拼接后的使用壽命及行車舒適度等，需進一步進行優化處理.

2.1 拼接縫的設置

2.1.1拼接縫的位置

水泥混凝土面板拼接縫設置舊水泥混凝土路面的硬路肩上，相對于傳統的拼接縫設在行車道與硬路肩之間的做法來說，既最大程度地利用了舊水泥混凝土面板，減少了廢料處理和堆放，社會和環保效益良好，又挖除了舊水泥混凝土路面部分硬路肩及土路肩范圍內的路面結構層、路床，可改善舊路土路肩附近范圍內路基及路面結構層強度相對較低且不均勻的問題，延緩路面結構病害出現的時間[5].拼接縫示意圖見圖2.

圖2 拼接縫示意圖

2.1.2拼接縫的力學效果

根據斷裂力學理論，運用Abaqus有限元軟件[6]，計算舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層后在荷載作用下，比較在舊水泥混凝土路面硬路肩上靠土路肩方向1.9 m處設置拼接縫的做法，與在行車道與硬路肩之間設置拼接縫的傳統做法，瀝青層底部開裂后，裂縫尖端Ⅱ型應力強度因子KⅡ的變化情況[7-8].基本理論與方法及模型參數同文獻[9]，建立三維的計算模型.

分別分析這兩種做法，瀝青層底部開裂后裂縫尖端Ⅱ型應力強度因子KⅡ與瀝青加鋪層厚度之間的關系，見圖3.

圖3 拼接縫KⅡ與瀝青加鋪層厚度關系

由圖3可知，在相同的瀝青加鋪層厚度條件下，本文拼接縫設在舊水泥混凝土路面硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m處的做法，遠離了行車荷載的輪跡帶，比之傳統拼接縫設在行車道與硬路肩之間的做法，裂縫尖端Ⅱ型應力強度因子KⅡ要小很多，故可有效延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現[10]，提高新舊水泥混凝土面板上瀝青混凝土加鋪層的使用壽命.

2.2 臺階的設置

目前在舊水泥混凝土路面改擴建路面拼接的研究中，會出現比如瀝青加鋪層過早出現反射裂縫等難以克服的問題，因此筆者結合其他改擴建項目的修筑經驗及多次有限元計算分析得出，可在舊路上基層、舊路下基層、舊路墊層設置35 cm寬的臺階作為過渡，相對于傳統的路面結構拼接來說，可以使新舊路基及路面結構更好地結合且避免新舊路面結構及路基的拼接縫在豎直方向上位置一致，避免瀝青加鋪層過早出現反射裂縫[11].本文運用Abaqus有限元軟件，建立路面拼接三維模型，選擇對加鋪的瀝青混凝土下面層AC-20C層進行力學分析，得到不同的臺階寬度與所對應的最大拉應力及最大剪應力之間關系，見圖4.

圖4 最大拉應力及剪應力與臺階寬度之間的關系

由圖4可知，臺階寬度在35 cm左右時，瀝青混凝土下面層AC-20C層的最大拉應力最小，最大剪應力在臺階寬度從0～35 cm段遞減的最多，達10.27%，在35 cm之后，遞減幅度不大，即當臺階寬度到達一定的程度之后，改變路面結構的最大剪應力對路面結構影響很小.再者，若臺階寬度過大，舊路路床的處理范圍就會減少，不能很好地解決舊路路基強度相對較低且不均勻的問題，若臺階寬度太小，則起不到拼接作用，開挖難度也相對較大.綜上所述，本文設置35 cm寬的臺階作為過渡，與傳統的路面拼接結構相比，更有利于提高路用性能.

2.3 抗裂貼及抗裂調平夾層的設置

在水泥混凝土面板拼接縫上，以拼接縫為中線，粘貼厚度為2 mm、寬度為40 cm且抗拉強度高于600 N/50 mm，產品延伸率大于30%的高分子聚合物抗裂貼，相對于傳統的路面拼接抗裂方法來說，具有更好的消能緩沖、隔水防滲效果，可進一步消除或減小拼接縫對瀝青加鋪層的影響，減小拼接縫處瀝青加鋪層的應力集中.瀝青混凝土抗裂調平夾層厚度為2 cm，為細型密級配瀝青混凝土，集料最大粒徑為9.5 mm，通過沖刷試驗儀，確定細型密級配瀝青混凝土的質量損失微乎其微，與本領域常用的水泥穩定類材料相比，質量損失大大減小，具有更好的抗裂調平效果.再者，瀝青采用廢胎膠粉改性瀝青[12]，油石比為7.5%，通過動態剪切流變儀(DSR)黏度掃描試驗，確定廢胎膠粉對瀝青膠漿性能的增粘作用大大增強，與本領域常用的普通瀝青相比，更具有延緩反射裂縫出現的性能.

3 拼接后路面結構的性能提升分析

3.1 路面結構性能的加強

本文擴建部分路面結構的上基層采用剛性的貧混凝土，與傳統的舊路上基層通常采用的半剛性材料相比，很好地體現了路面結構層的強度遞增，有利于提升路面結構的耐久性，從力學模型的角度來看，采用雙層小撓度薄板可有效解決擴建路面結構及路基工后沉降相對較大、結構強度需補償的問題；新路路床采用未篩分碎石，也可進一步減小新舊路基的差異沉降問題.新型路面的瀝青混凝土下面層摻質量百分比為0.3%且纖維長度為6 mm的短切玄武巖纖維[13]，可作為穩定劑和增強劑來改善路面的使用耐久性，與傳統的做法相比，可有效提高瀝青混凝土下面層的彎拉強度、抗裂性能及疲勞性能[14]，減小新舊路基不均勻沉降、路面結構結合等問題對瀝青加鋪層的不利影響.

3.2 新舊路面板鋼筋設置及豎向位移分析

3.2.1雙層鋼筋的設置

新舊水泥混凝土面板拼接縫是該結構的薄弱環節，為了加強新舊相鄰板塊之間的承載協調性，在新舊水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來連接，可進一步減小新舊路基差異沉降對路面結構的影響，同時上下層鋼筋交錯布置也能起到剪力鋼筋的作用,雙層鋼筋分別位于水泥混凝土面板厚度的上h/3處和下h/3處，上、下層交錯布置[15-16]；所述鋼筋為熱軋帶肋鋼筋，直徑為16 mm，長度為70 cm，水平方向上的間距為50 cm.雙層鋼筋示意圖見圖5.

圖5 雙層鋼筋示意圖

3.2.2受荷板的豎向位移分析

運用Abaqus有限元軟件，分別建立雙層鋼筋和單層鋼筋的新舊水泥混凝土路面模型，混凝土板厚度取0.24 m，路面寬4 m，采用同種鋼筋且保持配筋率相同，并施加荷載作用，分析兩種布筋方案在相同車輛荷載作用下的力學響應及豎向位移的差異.所用部件的材料屬性見表1.

表1 所用部件的材料屬性

雙層布筋方案：上、下兩層鋼筋錯位布置(見圖5)，上層鋼筋8根布置在距面板層頂面0.08 m處(即面層板上h/3處)；下層鋼筋七根布置在距面板底面0.08 m處(即面層板下h/3處)，計算云圖見圖6.

圖6 雙層鋼筋有限元計算云圖

單層布筋方案：將橫向鋼筋15根布置在距面板頂面0.12 m處(即面層板h/2處).

上述兩種布筋方案的受荷板板底最大橫向拉應力σc與受荷板最大豎向位移Uc計算結果見表2.

表2 兩種布筋方案有限元計算結果

而受荷板的豎向位移與沿板寬方向距離關系見圖7.

圖7 受荷板豎向位移與沿板寬方向距離關系圖

綜上可知，雙層鋼筋方案的受荷板最大橫向拉應力與單層鋼筋的大小相當，但雙層鋼筋方案的受荷板最大豎向位移比單層鋼筋方案受荷板最大豎向位移小10.64%，雙層鋼筋起到了更大的承受荷載的作用，能夠減小受荷板的豎向位移，進一步減小新舊路基差異沉降對路面結構的影響，與設置單層鋼筋及普通水泥混凝土路面結構相比，大大延長舊水泥混凝土路面改擴建后的壽命.

3.3 社會與經濟效益

本研究成果在擴建部分路面結構的上基層采用剛性的貧混凝土，無需再像傳統方法那樣在擴建部分路面結構的上基層上設置纖維土工布，簡化了工序、節約了修筑成本.新舊水泥混凝土面板上的加鋪結構一致，與傳統的水泥混凝土路面改擴建拼接方案相比，避免了瀝青混凝土加鋪層的拼接，消除了因瀝青混凝土加鋪層拼接帶來的病害和隱患，行車舒適性及安全性將有很大的提升，每年的分攤改建成本費及養護費用也大大縮減，同時也減少了因加鋪結構、材料和厚度不一致帶來的施工工序復雜、質量難以控制的問題，大大提高了質量，節約了成本.拼接后的新型路面結構性能得到加強，可減少路面損壞對社會造成的不良影響，也可解決城市道路常常因路面損壞及養護維修造成交通中斷或擁堵，甚至引發交通事故的問題，有良好的社會效益與經濟效益，可廣泛應用于舊水泥混凝土路面的改擴建.

4 結 論

1) 拼接縫設在靠路肩方向的1.9 m處，可有效延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現，提高新舊水泥混凝土面板上瀝青混凝土加鋪層的使用壽命.最大程度地利用了舊水泥混凝土面板，減少了廢料處理和堆放，社會和環保效益良好.

2) 在舊路上基層、下基層、墊層所設置的35 cm寬的臺階作過渡，不僅可以使新舊路基及路面結構更好地結合，而且可以避免新舊路面結構及路基的拼接縫在豎直方向上位置一致所導致瀝青加鋪層過早出現反射裂縫的問題.

3) 新舊水泥混凝土面板采用雙層鋼筋來連接，可進一步減小新舊路基差異沉降對路面結構的影響，上下層鋼筋交錯布置可起到剪力鋼筋的作用.

4) 本拼接結構有效利用舊水泥混凝土面板，減少路面結構拼接引發的病害，改擴建后的路面結構也具有整體強度高、行車舒適性好、維修費用小等優點，采用雙層小撓度薄板可有效解決擴建路面結構及路基工后沉降相對較大、結構強度需補償的問題.