公路路面加鋪層力學響應對比研究

孫婧堯

（山西晉宇路橋工程有限責任公司,山西 太原 030000）

0 引言

從目前我國的公路工程組成結構來看，水泥混凝土路面的比例相對較高，具備較高的抗壓強度、抗彎拉強度以及抗磨損性的效果，水穩定性比較好，而且隨著投入使用時間的延長，強度呈現出遞增的趨勢。但是在水泥混凝土路面使用的環節，面板之間存在接縫，降雨時會有雨水進入到板底，在運行的環節比較常見的問題是唧漿、脫空、斷裂等。就實際應用結果來說，水泥混凝土路面使用壽命較長，但是后續的管理成本比較高，需要投入大量的人力、物力進行建設才能滿足要求。對于表面鋪設瀝青混凝土結構層來說，性能恢復較為明顯，降低維護成本，施工速度也比較快，及時恢復道路通行狀態，具備較高的綜合利用價值。結合不同的厚度，水泥混凝土路面的加鋪橡膠瀝青層包含兩種情況，分別為2～3 cm 薄罩面層、1.5～2 cm 超薄罩面層，不管是選擇哪種形式，在加鋪瀝青罩面層的養護中，都需要面臨著比較高昂的費用，管理部門需要承擔的投入資金比較多[1]。因此，該文以某公路項目為案例進行分析，探討加鋪橡膠瀝青罩面層之后水泥混凝土路面的車輛荷載下力學響應，為同類型工程項目的施工提供基礎。

1 工程概況

某公路項目建設投入運營超過15 年的時間，應用水泥混凝土路面結構形式，但是在長期投入運行的環節，經過數據統計分析，單日通行車輛的數量從2 958 輛增加到6 529 輛，通行量增加幅度過大，21 cm 厚度的水泥混凝土路面無法滿足通行的標準，多個部位都出現了嚴重的斷裂問題。基層結構施工環節，應用的材料水穩定性比較差，加上施工工藝控制不嚴格，導致有些部分的強度性能不合格。由于大量的水分進入到結構內部，使得板材結構損壞嚴重，強度無法達到設計的標準，特別是車輛持續碾壓作用，出現唧漿的病害問題，脫空、斷板、沉陷等問題也比較嚴重。通過管理部門技術人員的現場勘察與分析，經過對現場的調查了解，技術人員應用壓漿處理措施，修復孔內問題并灌縫處理，達到結構性能恢復的效果。同時，表面鋪設瀝青混凝土材料，使用罩面層進行施工，確保路面結構性能恢復。

2 模型構建

2.1 三維模型

通過管理部門技術人員的現場勘察與分析，技術人員經過充分的分析和研究，選擇現場的水泥混凝土板試驗方式對各項參數進行檢測。在三維模型建設過程中，主要采用ABAQUS 有限元開展分析，并根據需要建設罩面層的模型，分為兩個模型進行模擬計算[2]，從而對該次研究中兩個結構形式的受力相應進行分析。

2.2 力學模型

根據當前結構層的研究特性以及具體的標準，該次工程使用的是BISAR 輔助設計軟件展開力學模型的建設，假設各個結構層的材料是均勻設置，屬于線性彈性材料的類型，各個結構層水平面沒有尺寸約束。通過剪切模量的數據分析，了解黏結的具體情況，然后根據要求布置中間層，再進行剪切應力的測試分析，掌握現場的應用條件。摩擦系數按下式計算：

式中，α——層間摩擦系數；K——中間層剪切模量；μ——上層材料泊松比；E——上層材料彈性模量（MPa）；δ——當量荷載圓半徑（m）。在計算中α數值在0～1 之間，若數值為0，則代表路面具備連續性；若參數值為1，則表示路面處于光滑狀態。

基于路面力學響應計算值如圖1 所示。

圖1 力學響應計算圖示

圖中瀝青罩面層用h1表示、水泥混凝土層用h2表示、水穩基層用h3表示。瀝青罩面層用E1表示、水泥混凝土層E2表示、水穩基層E3表示、土基回彈模量E0表示。在現場進行數據計算的環節，通過圖1 進行分析，并結合道路通行的標準使用符合要求的橡膠瀝青混合料進行表面鋪設施工，形成符合要求的罩面層。在試驗操作中，車輛軸載以及輪胎表面的作用力、接觸面積都按照要求進行，按照滑動摩擦系數0.4 進行計算分析，該次試驗水平力參數值為20 kN。

3 力學響應分析

3.1 路表彎沉

開展路面結構設計的環節，應在標準荷載條件之下進行垂直位移量的設計，分析掌握目前路面結構層所產生的彎沉系數，了解該參數對于公路運行效果的影響。技術人員從當前國家發布的相關標準以及行業規范技術參數展開分析，總結出設計標準要求，進而計算出結構加鋪之后所形成的瀝青混凝土層彎沉數據，然后確定其是否符合設計方案的規定和標準。與此同時，技術人員根據現場做出參數的調整，達到路面通行的標準[3]。路表彎沉情況如圖2 所示。

圖2 路表彎沉

由圖2（a）可知，該瀝青路面加鋪工作結束后的彎沉值，將輪間荷載同時施加到表面，并進行綜合系數的分析，以確定在車輪作用時所形成的最大彎沉參數值。表面鋪設工作結束后，發現彎沉分布相對比較一致，并且加鋪后彎沉值要高于加鋪之前。

由圖2（b）可知，在罩面層加鋪工作開始前，通過分析水泥混凝土面板以及瀝青路面的彎沉參數，加鋪后的彎沉值要小于加鋪前，經過分析發現，主要是因為水泥混凝土面板強度較高，這就使得加鋪之后的面層結構彎沉值減小。

3.2 土層層間剪切應力分布

對于瀝青罩面層結構參數進行分析，應從厚度、模量、荷載等方面出發進行分析，其他數據都是常數，所以在進行最大剪應力的分析中，從層間連續和層間光滑兩個條件分析，結果如圖3 所示。

圖3 層間最大剪應力與相關參數的關系

由圖3 可知，再進行表面加鋪作業之后，罩面層和水泥混凝土結構表面達到連續性的要求，組合成為整體的結構，同時測定厚度2 cm 的結構最大剪應力相對比較小，當結構層的施工厚度增加到3 cm 之后，最大剪應力并沒有跟隨厚度的增加而增大，反而表現出減小的發展趨勢，并且厚度增大時，該趨勢會更加的明顯，減小的數值也會更大。層間光滑時，最大剪應力會因為其厚度的變化而不斷變化，那么在厚度處于波動狀態背景下，當面層厚度處于2 cm 時，那么最大的剪應力屬于0.334 MPa，而罩面面層厚度參數變化為3 cm 時，則最大剪力則降低到0.339 MPa，在這種厚度變化背景下，最大剪力的變化情況變化為先增加，后減少的方式。但是都沒有達到2 cm的參數值，所以確定厚度為2 cm 符合實際應用的需要。分析可以發現，罩面層與水泥混凝土路面連接的情況下，罩面層模量不斷增加，最大剪應力變小，這就說明路面的抗滑移性能得到提升。分析發現在連續、光滑的條件下，最大剪應力都會在荷載不斷增加的條件下處于線性增長的趨勢，荷載一致時，層間光滑的最大剪應力相對較大[4]。

如果瀝青罩面層與水泥混凝土路面處于不連續的連接狀態，罩面層厚度增大和模量增加50%，雖然剪應力與最大剪應力會不斷減小，尤其是厚度不斷增大，減小的幅度也會增加。而在厚度不斷變化的趨勢之下，當面層模量參數減小到一定規范值，若滿足面層結構厚度的9倍值，那么在這種條件下能夠有效減小免層結構的厚度方式對剪力進行控制是不能滿足標準要求的，反而利用增大罩面層厚度的方式能夠實現。

3.3 層底水平應力

按照目前的設計標準要求，層底水平應力分析極為重要，必須按照當前標準和規范進行，并且從拉應力、壓應力方面出發展開分析。目前設計標準和規范中將層底拉應力作為技術指標分析，需要在罩面層結構施工結束之后，技術人員進行現場的橫向路徑層底水平應力展開數據計算分析，經過分析確定，加鋪操作前后的參數值為1.4 kPa 和0.37 kPa，這就表示在加鋪施工之后，可以有效地減小層底拉應力，使得結構受力條件改善較為明顯。

經過對該次項目實施的加鋪前后層底拉應力分析，發現兩者的發展變化趨勢是基本相同的，車軸重點拉應力為1.5 kPa 和0.04 kPa。在車輛碾壓的環節，會給結構層造成應力的變化，主要是出現壓應力的變化；右側接縫部位應力比較集中，壓應力達到35.9 kPa。

由此可見，經過加鋪罩面層的處理方式，車轍中點部位上存在有最大的層底拉應力，并且兩側板接縫部位壓應力最大。

3.4 橡膠瀝青薄罩面層厚度

結合目前的設計要求做出方案的改進和優化，并落實厚度參數的分析。在罩面層厚度增加50%后，橫向徑恒定時，計算確定瀝青層與水泥混凝土的層底拉應力。經過分析發現，瀝青層結構的厚度增加，對于現場結構數據影響比較明顯，尤其是在厚度增加的情況下，層底拉應力呈現出減小的趨勢，并且變化幅度較大。測量之后確定，罩面層在現場加鋪工作實施前，測定的層底拉應力是0.36 kPa，而在增加厚度之后，其會下降到0.59 kPa。之所以會出現這種情況，主要是在厚度的增加后，加鋪層與原有的水泥混凝土路面都會存在層底拉應力減小的情況，結構受力也會逐步的改變，裂縫的病害問題會更加的嚴重[5]。

4 結論

水泥混凝土路面是我國重要的道路路面結構形式，在長期投入使用中，尤其是在車輛荷載不斷增大的背景之下，結構損壞的問題較為常見。為了能夠滿足道路通行的需要，采用加鋪橡膠瀝青罩面層的方式進行修復處理，提升水泥混凝土路面的通行效果。在具體設計環節，從實際情況出發，分析瀝青罩面層的力學特點，展開模型計算分析，并根據實際需要確定最佳的結構層厚度參數，達到經濟、可靠、穩定的效果，從而改善橡膠瀝青結構層的受力條件，具備較高的應用價值。該文案例中的路面改造之后，通車超過1 年的時間，經過跟蹤檢測，發現各方面力學性能都符合要求，沒有沉降、裂縫等病害問題。