基于應(yīng)力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)與材料分析

穆川川

(山西路橋集團(tuán)太佳高速公路東段運(yùn)營分公司，山西 太原 030000)

1 構(gòu)建基于應(yīng)力吸收層的瀝青加鋪層力學(xué)計(jì)算模型

水泥混凝土路面在我國的應(yīng)用發(fā)展歷史已經(jīng)長達(dá)數(shù)十年之久，隨著時間的不斷推移，早期修建的水泥混凝土路面大部分臨近或超過設(shè)計(jì)年限，各類病害狀況層出不窮，路面使用性能也受到了不利影響。在這種情況下，需要采取有效的養(yǎng)護(hù)措施，延長其使用壽命，而瀝青混凝土的加鋪，則有助于這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混凝土的加鋪，會導(dǎo)致反射裂縫問題出現(xiàn)，應(yīng)通過計(jì)算的方式，明確瀝青鋪裝層荷載應(yīng)力，并針對不同應(yīng)力吸收層，提出針對性的養(yǎng)護(hù)條件，以提升瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。本文接下來會通過建立計(jì)算模型的方式，對應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)行明確。復(fù)合式路面材料基本參數(shù)如表1所示。

表1 復(fù)合式路面材料基本參數(shù)

以某地區(qū)水泥混凝土路面為例，獲得了相應(yīng)的計(jì)算參數(shù)，如下所述。

(1)舊路面尺寸。板長500 cm、板寬450 cm、厚度23 cm、接縫寬度1 cm。

(2)瀝青加鋪層尺寸：板長500 cm、板寬450 cm、厚度25 cm、接縫寬度1 cm、加鋪總厚度為16.5 cm，其中應(yīng)力吸收層的厚度為2.5 cm，而瀝青混凝土的厚度為14 cm。

(3)將標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100作為行車荷載，其中，輪胎內(nèi)壓取值0.65 MPa，其作用范圍取18.5×18.5 cm，在計(jì)算后得知，其接觸面積為342.25 m2，而雙輪之間的距離為30 cm，兩側(cè)輪縫隙之間的距離為180 cm。

在經(jīng)過計(jì)算分析和查閱現(xiàn)有資料后得知，單軸雙輪的作用位置是瀝青加鋪層內(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力的荷載位置，這個位置通常為橫縫、縱縫之間夾角，荷載作用較為顯著。圖1展示了布載方式。在圖1中，瀝青加鋪層底應(yīng)力吸收層應(yīng)力對比點(diǎn)，由A點(diǎn)表示，而彎沉和彎沉差計(jì)算點(diǎn)，則由1、2點(diǎn)表示。在應(yīng)力層設(shè)置完成后，與A點(diǎn)相對應(yīng)的應(yīng)力點(diǎn)，由圖中的B點(diǎn)表示。

圖1 直接加鋪接縫處計(jì)算

2 基于瀝青加鋪層厚度變化的層底荷載應(yīng)力影響力分析

在應(yīng)力吸收層厚度接近標(biāo)準(zhǔn)值后，覆蓋其上方的瀝青混凝土加鋪層，同時滿足不產(chǎn)生車轍最小厚度要求，則加鋪層厚度與荷載應(yīng)力之間的關(guān)系為反比關(guān)系，簡言之，加鋪層厚度越小，加鋪層底所承受的荷載壓力越大，反之則亦然。此外，加鋪層厚度還會對反射裂縫擴(kuò)展到路面時間產(chǎn)生相同的影響，但這并不意味著在設(shè)計(jì)過程中，可以無限增加應(yīng)力吸收層的厚度，究其原因，主要是應(yīng)力吸收層厚度的增加，會導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本大幅度上升，并且，應(yīng)力層之所以起到良好的效果，主要是因?yàn)閼?yīng)力層設(shè)置，有利于發(fā)揮舊水泥混凝土板的剩余強(qiáng)度優(yōu)勢。在應(yīng)力層設(shè)置未超過臨界值時，使其厚度增加，可以取得良好效果，但在超過臨界值后，就會使其效果下降。加鋪層底荷載應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示和表3所示。上述計(jì)算結(jié)果所采用的計(jì)算參數(shù)如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度為24 cm；(2)直接加鋪層厚度為8～20 cm，每次遞增的厚度為2 cm。其中前者的彈性模量為30 000 MPa，而后者為1 200 MPa。此外，應(yīng)力吸收層厚度2.5 cm，不能被算到加鋪層總厚度之中。

表2 應(yīng)力吸收層設(shè)置后的加鋪層底荷載應(yīng)力變化

表3 應(yīng)力吸收層未設(shè)置的加鋪層底荷載應(yīng)力變化

將表3和表4中的計(jì)算結(jié)果作為依據(jù)，在應(yīng)力吸收層設(shè)置后發(fā)現(xiàn)，如果應(yīng)力吸收層的設(shè)置厚度為14 cm，則拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的值最小，此時，等效應(yīng)力和加鋪層厚度之間的關(guān)系為反比，簡言之，就是加鋪層厚度越大，等效應(yīng)力越小。如果應(yīng)力吸收層尚未設(shè)置，則層底拉應(yīng)力、等效應(yīng)力和剪應(yīng)力與加鋪層厚度之間同樣呈反比關(guān)系，隨著加鋪層厚度的增加，這些數(shù)值會不斷減少。但相比較而言，在相同鋪裝厚度條件下，設(shè)置應(yīng)力吸收層相較于未設(shè)置應(yīng)力吸收層的瀝青加鋪結(jié)構(gòu)，其應(yīng)力減小幅度會顯著降低。假設(shè)鋪裝層厚度為10 cm，前者相較于后者，其層底等效力和剪應(yīng)力，減少幅度分別為50.8%和53%。但減少幅度會隨著鋪裝層厚度增加而減少。其中在加鋪層厚度為10 cm時，應(yīng)力吸收層的設(shè)置效果會完全體現(xiàn)，其增幅為30%以上。如果加鋪層厚度超過20 cm，增幅會變?yōu)樨?fù)值。簡言之，就是應(yīng)力吸收層的層底拉應(yīng)力，會超過未設(shè)置應(yīng)力層的層底拉應(yīng)力。由此可見，設(shè)置應(yīng)力吸收層，會影響瀝青加鋪層厚度設(shè)計(jì)和層底荷載應(yīng)力的改善效果。

3 應(yīng)力吸收層厚度與荷載應(yīng)力間的關(guān)系

應(yīng)力吸收層屬于一種軟夾層材料，具有彈性低的特點(diǎn)。其厚度會影響消減接縫處的應(yīng)力集中和延緩反射裂縫開裂時間，并且，裂縫速度也會同時受到影響。但應(yīng)力吸收層厚度與反射裂縫效果之間的關(guān)系，卻成為了需要重點(diǎn)研究的話題，就事實(shí)而言，在加鋪總厚度不變的基礎(chǔ)上，應(yīng)力吸收層厚度的增加，會導(dǎo)致瀝青加鋪層的厚度減少，容易導(dǎo)致諸多問題的產(chǎn)生，主要包括車轍和壓實(shí)問題，同時，還會對維修養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性造成不利影響。計(jì)算參數(shù)如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度為24 cm；(2)瀝青加鋪層厚度為14 cm；(3)應(yīng)力吸收層的厚度為1～6 cm。輪載作用下加鋪層底面應(yīng)力隨吸收層厚度變化計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 計(jì)算結(jié)果

在計(jì)算結(jié)果中用正負(fù)值代表受力方向，可以為應(yīng)力吸收層厚度不同時荷載應(yīng)力大小變化趨勢比較，創(chuàng)造有利的條件。將表4中的計(jì)算結(jié)果作為依據(jù)，可知在應(yīng)力吸收層厚度為3.0 cm時，層底等效應(yīng)力σMises最大，由此可見，隨著應(yīng)力吸收層厚度的持續(xù)增加，等效應(yīng)力的改善效果會逐漸下降。因此，站在經(jīng)濟(jì)角度和技術(shù)角度而言，需要將應(yīng)力吸收層的厚度控制在2.5 cm內(nèi)。

4 結(jié) 論

綜上所述，雖然應(yīng)力吸收層的設(shè)置，有利于改善舊水泥混凝土路面的質(zhì)量缺陷，但在設(shè)置過程中，綜合考慮其厚度和模量與層底荷載應(yīng)力之間的關(guān)系，只有這樣，才能夠發(fā)揮出應(yīng)力吸收層的設(shè)置作用。