舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層力學響應分析

■羅子林

（福建省交通科研院有限公司，福州 300005）

舊水泥路面上進行瀝青面層的加鋪是針對混凝土路面修復的一種有效技術， 由于其工期短、對交通的影響較小，而且修復之后路面的服務性能良好，得以廣泛應用。 然而，我國對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的研究還處于初級階段， 沒有形成統一的技術體系和相關標準， 因此對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構進行研究具有重要意義。在公路改擴建工程中，通過在舊水泥路面加鋪瀝青面層能夠充分利用原路面的剩余強度， 有效改善路面使用性能及承載能力[1-3]。 但由于舊水泥路面一般存在縱橫向裂縫、龜網裂、面板斷裂等病害，加鋪瀝青面層后，服役期加鋪層層底極易產生較大的應力集中而開裂，后期裂縫緩慢向上擴展而導致瀝青面層出現裂縫、龜裂等一系列病害。研究表明[4-9]通過設置應力吸收層可有效緩解舊水泥路面裂縫引起的瀝青面層病害。 因此，本試驗在現有研究結果的基礎上，擬定2 種舊水泥路面加鋪瀝青面層方案，基于彈性層狀理論體系分析2 種路面結構的力學響應。

1 模型建立

1.1 基本假設

本試驗路面結構受力分析采用3D-Move Analysis 軟件。該軟件基于三維連續有限層法，視各結構層為連續體，假定表面荷載具有隨時間不變的特性，用離散Fourier 級數展開法將表面荷載分解成二維諧波分量，使用解析解來計算各結構層對每個諧波的響應，通過疊加原理用每個諧波分量的響應來評估整體響應。

1.2 擬定路面結構

總結國內公路改擴建工程中舊水泥路面加鋪瀝青面層改造方案，一般是對舊水泥混凝土路面病害處治后加鋪2～3 層瀝青面層；對原路面病害較嚴重、路面板破損率高的路段，采用壓力注漿或換板處理，但造價高昂。 針對病害嚴重的舊水泥路面改擴建工程，本試驗擬定先對舊水泥混凝土路面進行斷裂穩定，再以加鋪級配碎石層及瀝青層的方法進行改造。

在瀝青面層與斷裂舊水泥混凝土之間設置級配碎石層可有效抑制路面反射裂縫。 級配碎石層作為粒料類結構，具有不能傳遞拉應力，拉應變的能力，可阻斷舊水泥路面的裂縫等病害由下向上發展至面層。 此外，級配碎石層可改善舊水泥混凝土路面的溫度狀況。 由于碎石過渡層的隔離作用，使得水泥混凝土板的溫度變化大幅下降，減少水泥混凝土路面內部產生的拉應力。

擬定在加鋪瀝青層層底鋪筑富油改性瀝青混凝土FAC-5 應力吸收層， 以有效抑制下承層反射裂縫， 延長路面使用壽命。 富油改性瀝青混凝土FAC-5 成型后密實、粘結力強、不滲水，與基層之間的結合性能良好， 能隨著下承層的變形而變形，并且具有優良的自愈能力，可以延緩基層裂縫向上反射。 同時富油改性瀝青混凝土級配較細，可大量應用3～5 mm 的石料， 實現筑路材料的全粒度應用，有效緩解3～5 mm 石料的浪費。 2 種路面結構分別為：（1）對舊水泥路面病害進行處治（換板、注漿等）后加鋪（4+6）cm 瀝青面層，并在瀝青面層與舊路面之間設置富油改性瀝青混凝土應力吸收層。 （2）對舊水泥路面進行斷裂穩定處治后加鋪20 cm 級配碎石粒料層+（4+6）cm 瀝青面層， 并在瀝青面層與級配碎石層之間設置富油改性瀝青混凝土應力吸收層。 2 種擬定路面結構材料參數參照JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規范》中推薦值進行選取，見表1、表2。

表1 擬定路面結構及材料參數（結構一）

表2 擬定路面結構及材料參數（結構二）

1.3 模型幾何及計算點位確定

路面結構內拉應力最大值處很容易達到材料容許拉應力而產生裂縫。 本試驗將應用3D-Move Analysis 路面結構分析軟件計算2 種擬定路面結構在荷載作用下的力學響應，設計荷載采用標準軸載BZZ-100， 輪胎接地壓強p=700 kPa， 當量圓直徑2δ=21.3 cm，計算模型及荷載分布形式見圖1、圖2，X 為行車方向，Y 為路面橫斷面方向，Z 為路面深度方向。在力學響應計算時，沿X 方向選取點位的間距為10.65 cm，共5 個點位（分別為X=-21.3、-10.65、0、10.65、21.3 cm），沿Y 方向的間距為5.325 cm，共20 個計算點位（含規范中要求路面結構內拉應力最大值處A、B、C 和D 4 點）。

圖1 X-Y 平面應力計算點位分布示意圖

圖2 Y-Z 平面應力計算點位分布示意圖

2 “白改黑”路面應力響應分析

2.1 路面結構不同點位沿深度方向應力分布

計算得到2 種路面結構不同點位（A 點、B 點、C 點、D 點） 沿路面深度的正應力分布規律見圖3、圖4。 其中，拉應力為負值，壓應力為正值。

圖3 路面結構應力分布（結構一）

圖4 路面結構應力分布（結構二）

在道路的行車方向， 瀝青面層主要承受壓應力，2 種結構的最大壓應力均出現在路表A 點處，結構一最大壓應力值為0.64 MPa，結構二最大壓應力值為1.36 MPa，相較于結構一，結構二由于設置了粒料類，使得瀝青層的抗變形能力減弱，服役后期易產生車轍、擁包、推移等病害。

在道路的行車方向，瀝青路面舊水泥路面基層和水泥穩定碎石底基層均承受拉應力，最大橫向拉應力發生在舊水泥路面基層底部D 點處，結構一最大拉應力為0.17 MPa，結構二為0.1 MPa。相較于結構一，結構二的基層抗裂性能較強。

2.1.1 瀝青層底拉應力分布（Z=0.12 m 處）

在靜力荷載作用下，結構一瀝青層底為壓應力（這是由于舊水泥路面經過注漿等處治， 使得模量較大，加之瀝青面層較薄，車輛荷載產生的壓應力分散路徑有限，瀝青層底產生壓應力），結構二為拉應力，且應力最大值均在A 點處。其中，結構一壓應力為0.18 MPa，結構二拉應力為0.77 MPa。 從層底拉應力分析結果發現，由于結構二對原有水泥混凝土路面進行了斷裂穩定處治，且在基層與面層之間加鋪了模量值較低的級配碎石粒料層，使路面結構當量模量比較結構一小，且路面結構整體剛度比較小，瀝青層層底拉應變最大，易發生疲勞開裂；而結構一剛性基層在減少瀝青層疲勞破壞方面有較大的力學優勢。

2.1.2 原路面基層層底拉應力分布 （結構一：Z=0.56 m、結構二：Z=0.76 m）

在靜力荷載作用下，2 種路面結構基層層底應力均為拉應力，且最大拉應力均位于D 點處。 結構一基層層底拉應力為0.15 MPa，結構二為0.1 MPa。結構一的層底拉應力為結構二的1.5 倍。 分析結果表明， 結構二路面基層的抗疲勞性能較結構一好，具有較好的基層抗疲勞性能。

2.2 路面結構YZ 剖面應力分布

計算得到2 種路面結構在X=0 處橫向剖面的應力Sxx分布情況見圖5、圖6。

圖5 路面結構YZ 剖面應力分布（結構一）

圖6 路面結構YZ 剖面應力分布（結構二）

從圖5、圖6 可知，結構一與結構二的應力均以X 軸對稱分布，且荷載作用區域兩側約δ 距離范圍內為高應力區。 對于結構一，路面面層范圍內，由路表面沿路面深度方向，壓應力逐漸減小；路面基層范圍內，由基層頂面到基層底面，拉應力逐漸增大。對于結構二，瀝青層與級配碎石層之間拉應力達到最大值， 由于級配碎石粒料層的應力擴散能力強，使得基層到底基層的拉應力逐漸減小。

3 結論

通過總結國內公路改擴建過程中舊水泥路面加鋪瀝青面層改造方案，擬定2 種路面結構，借助3D-MoveAnalysis 軟件進行路面結構力學響應分析，得到主要結論如下：（1）在道路的行車方向，由于結構二對原有水泥混凝土路面進行了斷裂穩定處治并設置了粒料層， 路面結構整體剛度較小，使得瀝青層的抗變形能力減弱，服役后期易產生疲勞開裂、擁包、推移等病害。 而結構一在減少瀝青層疲勞破壞方面有較大的力學優勢。 （2）在道路的行車方向，瀝青路面舊水泥路面基層和水泥穩定碎石底基層均承受拉應力，且結構二的基層抗裂性能較結構一強。 （3）對于結構一，沿深度方向，面層壓應力逐漸減小，基層拉應力逐漸增大。 對于結構二，瀝青層底拉應力達到最大值，由于級配碎石的應力擴散能力強，沿深度方向基層拉應力逐漸減小。