水泥路面碎石化加鋪設計研究

黎純

(湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

在早期公路建設中，水泥路面以其高強度、高耐久性、長使用壽命及原材料易得、造價低等優(yōu)點而廣泛應用于各級公路建設。隨著人們對道路通行質(zhì)量要求的提高，高等級公路建設中瀝青路面正逐漸取代水泥砼路面。當水泥砼路面出現(xiàn)損壞且需要變更為瀝青路面時，碎石化技術以其可有效減緩反射裂縫的產(chǎn)生、避免水泥板與瀝青層高模量差、符合建材循環(huán)使用原則、經(jīng)濟性良好等優(yōu)勢，正逐漸受到廣泛關注。水泥砼路面“白改黑”關鍵技術有兩項，一是碎石化，主要有共振碎石化、多錘頭碎石化等，對此的研究較多；另一項為加鋪層結(jié)構(gòu)設計，由于其與傳統(tǒng)新建路面成熟的結(jié)構(gòu)體系存在較大差異，其結(jié)構(gòu)設計尚未形成廣泛使用的理論基礎。該文針對水泥路面碎石化加鋪瀝青層改造項目，以ABAQUS有限元軟件構(gòu)建本構(gòu)模型及邊界條件，對SMA-13厚度、SMA-13模量、碎石化下承層模量及碎石化層與瀝青層層間接觸狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響進行分析，為水泥路面碎石化加鋪結(jié)構(gòu)設計提供指導。

1 加鋪結(jié)構(gòu)ABAQUS有限元分析

1.1 模型構(gòu)建及參數(shù)選取

某省省道公路改擴建工程原路面為水泥砼路面，采用多錘頭碎石化或共振碎石化處理后，將破碎的水泥砼作為基層進行瀝青面層加鋪。由于原道路水泥砼路面之下各結(jié)構(gòu)層結(jié)構(gòu)參數(shù)在不同運營路段差異較大且檢測確定較困難，為簡化計算模型，將碎石化以下各結(jié)構(gòu)層作為下承層統(tǒng)一考量。采取目前常用的高等級路面結(jié)構(gòu)組合形式進行加鋪設計，中面層采用6 cm SUP-20，上面層采用4 cm SMA-13。碎石化前后路基路面結(jié)構(gòu)形式見表1。

表1 碎石化前后路基路面結(jié)構(gòu)形式

為保證上面層SMA-13模擬參數(shù)的準確性，其模量采用試驗方法確定。參照JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中單軸壓縮動態(tài)模量測試方法，在5、25、30、50 ℃試驗溫度下進行試驗，測試結(jié)果見圖1。由圖1可知：20 ℃、10 Hz時SMA-13的動態(tài)模量為8 000 MPa。采用全自動落錘式彎沉儀對碎石化后水泥路面進行當量回彈模量測試，結(jié)果顯示碎石化層模量為200～500 MPa，均值為300 MPa左右。其余結(jié)構(gòu)層參照JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》取值(見表2)。

圖1 SMA-13動態(tài)模量測試結(jié)果

表2 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)

1.2 加載及邊界條件

采用標準軸載BZZ-100 kN進行加載模擬，即采用100 kN單軸雙輪組軸載，當量圓接地壓強為0.7 MPa。為方便加載分析，采用ABAQUS進行分析時，將雙圓均布荷載轉(zhuǎn)換為矩形荷載進行模擬。有限元三維模擬中，X、Y、Z軸分別表示道路橫斷面、厚度方向及縱斷面方向，模型尺寸為6 m×6 m，利用八節(jié)點減縮積分立方體單元(C3D8R)進行分析。模型邊界條件為：底部根據(jù)實際情況采用零自由度約束，X、Y方向采用對稱邊界條件；由于上、下面層均為柔性同質(zhì)材料，而下承層為散體顆粒柔性材料，將上、下面層層間設置為完全連續(xù)，下面層與下承層之間設置為非完全連續(xù)。法向加載產(chǎn)生的切向應力采用庫倫摩擦計算，系數(shù)取0.6。

2 路面結(jié)構(gòu)力學響應分析

根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》，水泥路面碎石化后加鋪瀝青面層時，應對瀝青混合料疲勞開裂、瀝青層永久變形進行驗算。鑒于SMA類面層具有較好的高溫穩(wěn)定性，能有效抵抗車轍形成，僅對道路縱向面層層底拉應變進行分析，并結(jié)合交工驗收最大允許彎沉進行對比。分析各單因素對面層力學響應參數(shù)的影響時，基準參數(shù)值按表2選取。

2.1 SMA-13厚度的影響

考慮上面層SMA-13的可施工性，根據(jù)施工技術規(guī)范，其加鋪層最小厚度應不小于混合料公稱最大粒徑的2.5～3倍，即不小于3.25～3.9 cm?？紤]施工時壓實度質(zhì)量保證率及經(jīng)濟性，厚度不宜超過8 cm。綜合選取4 ～8 cm厚度進行模擬分析，計算結(jié)果見表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)力學響應隨SMA-13厚度的變化

注：變化幅度為力學響應參數(shù)相對于基準值的變化程度，下同。

由表3可知：隨著上面層厚度的增大，層底拉應變、路表彎沉均減小，厚度由4 cm增加至8 cm時，兩參數(shù)分別減小13.4%、18.2%。表明增加上面層加鋪厚度可改善面層結(jié)構(gòu)力學響應，延長路面使用壽命。

2.2 SMA-13模量的影響

SMA-13混合料動態(tài)模量受混合料級配、瀝青膠結(jié)料質(zhì)量的影響，隨著原材料、級配設計等的改變，動態(tài)模量值也可能發(fā)生變化。以8 000 MPa為基準，模擬上面層模量在6 000～10 000 MPa變化時面層的力學響應，結(jié)果見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)力學響應隨SMA-13模量的變化

由表4可知：隨著上面層模量的變化，層底拉應變及路表彎沉變化幅度均較小，其中層底拉應變最大變化幅度為1.8%；模量減小至6 000 MPa時，路表彎沉增加幅度最大，為4.8%。整體而言，在上面層結(jié)構(gòu)類型確定后，在其模量可變范圍內(nèi)，模量變化對路面力學響應的影響較小。

2.3 下承層模量的影響

前期檢測及相關文獻研究結(jié)果表明，水泥砼路面碎石化后模量值差異較大，受原水泥路面板狀態(tài)、碎石化工藝等因素影響。下承層模量作為上述影響因素的綜合反映，有必要對其影響進行分析。以300 MPa為基準，在100～600 MPa內(nèi)取值，有限元模擬分析結(jié)果見表5。

表5 路面結(jié)構(gòu)力學響應隨下承層模量的變化

由表5可知：整體而言，隨著下承層模量的增大，層底拉應變和路表彎沉均呈現(xiàn)顯著減小趨勢，其變化幅度比上述各因素的變化幅度大；下承層模量減小對路面結(jié)構(gòu)層力學響應的影響大于下承層模量增大的影響，模量減小200 MPa時，層底拉應變和路表彎沉增大幅度分別達40.5%、116.3%；相較于層底拉應變，下承層模量對路表彎沉的影響更大。

2.4 層間接觸狀態(tài)的影響

鑒于面層為柔性同質(zhì)材料，下承層為散體顆粒柔性材料，有必要設置功能黏結(jié)層對其黏結(jié)狀態(tài)進行處理，而施工工藝及處理質(zhì)量直接影響下承層與瀝青面層的層間接觸狀態(tài)。為此，以摩擦系數(shù)0.6為基準，對比下承層與瀝青面層層間接觸狀態(tài)由完全光滑(摩擦系數(shù)為零)至完全連續(xù)(摩擦系數(shù)為1)對路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響，分析結(jié)果見表6。

表6 路面結(jié)構(gòu)力學響應隨層間接觸狀態(tài)的變化

由表6可知：層間由光滑狀態(tài)變?yōu)榉峭耆B續(xù)狀態(tài)時，層底拉應變、路表彎沉均呈線性變化，但變化幅度較??；層間由部分連續(xù)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆B續(xù)狀態(tài)時，兩參數(shù)的變化幅度較大。表明改善層間黏結(jié)狀態(tài)對提高路面疲勞壽命具有積極作用。

2.5 單因素影響灰關聯(lián)分析

為綜合分析并比較各因素對路面結(jié)構(gòu)力學響應的影響大小，采用灰關聯(lián)分析法對上述因素進行相關系數(shù)分析，結(jié)果見表7。

表7 單因素影響灰關聯(lián)分析結(jié)果

由表7可知：1) 總體而言，各因素對層底拉應變和路表彎沉的影響程度均為下承層模量>SMA-13 厚度>SMA-13模量>層間接觸狀態(tài)。在“白改黑”改擴建中，應首先關注碎石化層模量，通過合理工藝提高其當量頂面模量，如合理控制施工工藝保證碎石場級配良好、摻補碎石層斷檔粒徑碎石、合理控制碎石化后碾壓工藝等。同時注重碎石化層模量數(shù)據(jù)的快速有效檢測，如通過全自動落錘式彎沉儀進行數(shù)據(jù)采集，實時反饋并指導碎石化施工。2) SMA-13 厚度對力學參數(shù)有較大影響，條件允許的情況下可適當提高該結(jié)構(gòu)層厚度。但考慮到SMA-13 層厚度過大不利于改擴建道路全壽命周期成本控制，且厚度過大會導致碾壓控制難度增大，存在施工質(zhì)量隱患，對該因素應慎重考慮。

3 工程實例應用

某省省道公路改擴建工程全長35.2 km，公路等級為一級，設計速度60 km/h，路基寬度22.5 m。原路面結(jié)構(gòu)為18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18 cm素水泥砼路面。經(jīng)過5年運營，水泥砼面層已出現(xiàn)不同程度破損，主要表現(xiàn)為縱橫向裂縫、斷板及角隅破損等。設計采用多錘頭碎石化進行水泥路面板處治，碎石化后將破碎板體作為基層在其上加鋪6 cm SUP-20及4 cm SMA-13。

根據(jù)交通量調(diào)查結(jié)果，結(jié)合歷史交通量數(shù)據(jù)，該項目交通量為2 132 輛/d，年交通量增長系數(shù)為4.5%，取0.7作為車道系數(shù)，方向系數(shù)取0.50。按設計年限為10年進行計算，累計當量軸載作用次數(shù)為1.145×107次。根據(jù)項目所在地前期氣象資料，該項目季節(jié)性地區(qū)調(diào)整系數(shù)為1.00，路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)為1.4。根據(jù)上述分析結(jié)論，影響瀝青路面面層層底拉應變的最重要因素為下承層模量，根據(jù)不同下承層模量值計算對應瀝青路面疲勞壽命次數(shù)，計算結(jié)果見圖2。通過線性擬合分析，擬合方程為y=0.007 82x+0.733 44(R2=0.974)，推算出當下承層模量≥239 MPa時，瀝青層疲勞壽命大于設計累計當量軸載作用次數(shù)1.145×107次，符合疲勞

圖2 瀝青層疲勞壽命隨下承層模量的變化

開裂驗算標準。

4 結(jié)論

(1) 隨著SMA-13厚度和模量、碎石化下承層模量的增加及碎石化層與瀝青層層間接觸狀態(tài)的改善，路面結(jié)構(gòu)層底拉應變、路表彎沉減小。

(2) 各參數(shù)對層底拉應變與路表彎沉的影響程度均為下承層模量>SMA-13厚度>SMA-13模量>層間接觸狀態(tài)。

(3) “白改黑”改擴建項目建設中，應首先關注碎石化層模量，通過合理工藝提高其當量頂面模量，同時注重碎石化層模量數(shù)據(jù)的快速有效檢測，實時反饋并指導碎石化施工。

(4) 為滿足結(jié)構(gòu)驗算要求，某省省道公路改擴建工程碎石化下承層模量應≥239 MPa。