舊瀝青路面改造結構抗裂力學響應與設計研究

李 欣，王秋敏，黃 慧，3，4

(1.廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西壯族自治區公路隧道安全預警工程研究中心，廣西 南寧 530007；4.廣西道路結構與材料重點實驗室，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青路面是公路路面結構的重要形式之一[1]。雖然瀝青路面修筑技術和修筑質量逐年提高，但由于受惡劣的氣候和交通荷載條件影響，部分路段車輛超載嚴重，加之優質瀝青等原材料缺乏等原因，瀝青路面的早期損害、路面開裂、車轍、沉陷等問題仍尤為突出，對綠色環保與經濟適用型舊瀝青路面加鋪改造結構的探討研究迫在眉睫，其中，如何選擇適合的舊瀝青路面加鋪改造方案顯得尤其重要[2-3]。本文針對舊瀝青路面病害處治后加鋪改造結構，基于斷裂學理論對比研究了三種不同結構抗裂性能的力學響應特征，可為舊瀝青路面病害處治后加鋪改造結構的適用性與合理性選擇提供技術參考。

1 舊瀝青路面加鋪改造結構調查研究

本文對舊瀝青路面直接加鋪改造、設置水泥穩定碎石基層、設置級配碎石基層三種不同加鋪改造結構的使用狀況進行了調查研究。

1.1 使用性能調查研究

本文選取了三條具有代表性公路的路段進行了路況調研，其綜合信息如表1所示，現場路況如圖1所示。路段綜合信息和現場路況調查表明：舊瀝青路面加鋪級配碎石基層結構路面狀況最好，而舊瀝青路面直接加鋪結構路面狀況最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩定碎石基層結構路面狀況易出現反射裂縫等病害。

表1 三種不同加鋪改造結構路段綜合信息調查表

圖1 三種不同加鋪改造結構路況調查現場對比圖

1.2 病害調查研究

本文對這3條代表性公路典型路段進行了彎沉測試，并鉆取面層芯樣進行了芯樣空隙率和強度測試。試驗結果如表2所示。

表2 三種不同加鋪改造結構路段彎沉、面層芯樣空隙率和強度試驗結果對比表

2 舊瀝青路面加鋪改造結構抗裂力學響應研究

在調查中發現，大部分舊瀝青路面開裂較多，包括反射裂縫、龜裂、塊裂等。在實體工程中發現，若直接加鋪或加鋪水泥穩定碎石基層后再加鋪瀝青面層，新加鋪瀝青面層運營后不可避免地出現開裂，而加級配碎石層再加鋪瀝青面層卻很少出現裂縫，這說明舊瀝青路面加級配碎石層后再加鋪瀝青面層結構具有良好的抗裂性能。本文基于斷裂學理論，以裂縫尖端的剪切應力和斷裂強度因子為指標研究計算了三種不同結構的抗裂性能。計算模型和參數如表3所示。

表3 舊瀝青路面加鋪改造結構模型與參數表

2.1 舊瀝青路面加鋪改造結構裂縫尖端剪切應力分析

剪切應力指標：不設過渡層，直接加鋪瀝青面層的結構(結構1)在舊瀝青路面裂縫處產生了很大的剪切應力，而加鋪了水泥穩定碎石基層和級配碎石過渡層的兩種結構(結構2、結構3)裂縫處的剪切應力峰值明顯減小，并且這種垂直型的剪切應力荷載敏感性很強，隨荷載增大而增大。詳見圖2～5。

圖2 不同路面結構裂縫尖端豎向剪應力對比柱狀圖

圖3 結構1裂縫尖端豎向剪應力云圖

圖4 結構2裂縫尖端豎向剪應力云圖

圖5 結構3裂縫尖端豎向剪應力云圖

2.2 舊瀝青路面加鋪改造結構裂縫尖端應力強度因子分析

在荷載作用下，裂縫處的應力強度因子大小依次為：直接加鋪瀝青面層(結構1)>加水泥穩定碎石基層后加鋪瀝青面層(結構2)>加級配碎石后加鋪瀝青面層(結構3)，且結構1的應力強度因子遠大于結構2、結構3的應力強度因子。從開裂趨勢來看，加級配碎石后加鋪瀝青面層(結構3)抗裂最好，直接加鋪瀝青面層(結構1)抗裂最差。結構2除可能會因荷載作用引起開裂外，其本身的溫縮也是開裂的重要原因，因此在荷載作用、溫縮作用的綜合作用下，結構2水泥穩定碎石基層開裂的可能性較大，而且基層開裂后會逐步反射至瀝青罩面層，這也是在加水泥穩定碎石過渡層后加鋪瀝青面層結構出現較多反射裂縫的主要原因[4]。詳見圖6。

圖6 不同路面結構裂縫尖端的剪切型應力強度因子柱狀圖

由圖6可知：當舊瀝青路面開裂較多且交通量較大時，若直接加鋪瀝青面層，原有的舊路面裂縫很容易向上擴展至新加鋪面層。若加鋪水泥穩定碎石基層后再加鋪瀝青面層，舊裂縫會在新基層底產生應力集中，且水泥穩定碎石基層本身在荷載和溫縮作用下易開裂，使新基層在舊路裂縫和本身因素共同作用下而開裂，并逐步擴展至新加鋪面層形成反射裂縫。而加鋪級配碎石層具有良好的抗裂性能，級配碎石本身是一種多孔散體材料，能很好地消耗掉舊裂縫向上傳遞的開裂能，且級配碎石層是一種“遇強則強”的材料，舊瀝青路面整體穩定性較好，承載力較高，從而能表現出良好的承載能力。因此，加鋪級配碎石層既能提高路面結構整體承載力，又能表現出良好的抗裂能力[5-6]。

3 舊瀝青路面加鋪改造結構抗裂設計研究

綜上所述，針對上述不同瀝青罩面結構的受力特點及不利應力分布位置、結構層材料自身特性，并且結合不同過渡層類型的力學響應特點，尤其是抗裂性能，在“黑改黑”加鋪瀝青面層結構中，針對加鋪瀝青面層的受力情況，建議針對舊瀝青路面路況采用不同加鋪結構：

(1)舊瀝青路面路況良好時，無明顯的結構病害，經病害處治后，可采用直接加鋪4～7 cm瀝青罩面層。

(2)舊瀝青路面路況較差時，經病害處治后，建議先加鋪15～20 cm級配碎石層進行過渡，然后再加鋪7～9 cm瀝青罩面層；重載交通時可適當提高瀝青罩面層厚度至10 cm，采用15～20 cm級配碎石層+10 cm左右的瀝青罩面層。

4 結語

本文通過計算分析舊瀝青路面碎石化后加鋪三種不同結構型式的瀝青罩面結構力學響應，并結合實際工程應用情況，得到如下結論：

(1)從對舊瀝青路面直接加鋪改造、設置水泥穩定碎石基層、設置級配碎石層三種不同加鋪改造結構使用狀況的現場調查研究發現：舊瀝青路面加鋪級配碎石基層結構路面狀況最好，舊瀝青路面直接加鋪結構路面狀況最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩定碎石基層結構路面狀況已出現反射裂縫等病害。

(2)基于斷裂學理論，以裂縫尖端的剪切應力和斷裂強度因子為指標，計算研究三種不同結構的抗裂力學響應特征發現：舊瀝青路面加鋪級配碎石基層結構具有良好的抗裂性能，舊瀝青路面直接加鋪結構的抗裂性能最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩定碎石基層結構容易出現反射裂縫。