劉 申

(河北省衡水公路工程總公司)

在水泥混凝土路面上進(jìn)行瀝青面層罩面,是改善其使用性能和提高其承載能力的一項(xiàng)常用措施,然而由于舊路面層有接縫和裂縫,瀝青路面容易產(chǎn)生反射裂縫問(wèn)題。反射裂縫是由于舊水泥混凝土面層在接縫、裂縫附近的位移引起接縫、裂縫上方的瀝青混凝土罩面層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中所造成的。我國(guó)目前制定舊水泥混凝土路面上瀝青路面罩面設(shè)計(jì)規(guī)范還不是很完善,而國(guó)外罩面層厚度設(shè)計(jì)主要應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定,如美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)(AI)的彎沉法認(rèn)為舊水泥混凝土面層接縫(或裂縫)處的彎沉量和彎沉差是引起瀝青罩面層開裂的主要原因,因?yàn)檩嗇d的施加速度遠(yuǎn)高于溫度變化產(chǎn)生的面層板伸縮位移的速度。因而此方法以控制接縫或裂縫處的板邊平均彎沉值和彎沉差為設(shè)計(jì)要求。瀝青協(xié)會(huì)根據(jù)舊混凝土面板的長(zhǎng)度和當(dāng)?shù)氐哪昶骄鶞囟炔?為最熱和最冷月的日最高溫度與日最低溫度差的 30年平均值)提出了瀝青罩面層厚度建議表;美國(guó)陸軍工程師部隊(duì)(COE)的補(bǔ)足厚度缺額法是為機(jī)場(chǎng)罩面層制訂的設(shè)計(jì)方法,該方法按現(xiàn)有地基的承載能力,計(jì)算確定滿足未來(lái)交通要求所需要的面層厚度,而舊面層厚度與此厚度的差值便為所需補(bǔ)充的罩面層厚度,舊面層的厚度按面層的結(jié)構(gòu)損壞情況給予不同程度的拆減。美國(guó)AASHTO的路面設(shè)計(jì)指南也采用補(bǔ)足厚度缺額的概念確定瀝青罩面層的厚度,但不考慮罩面后的舊水泥混凝土面板的進(jìn)一步開裂。上述三種設(shè)計(jì)方法均屬經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法,是針對(duì)某國(guó)家或地區(qū)的特殊情況提出來(lái)的,沒(méi)有推廣意義,理論分析不充分。

目前罩面層出現(xiàn)的裂縫認(rèn)為其主要破壞形式為面層的反射開裂、層間界面的剪切破壞、過(guò)重車車轍變形三種。

這里就面層的反射開裂進(jìn)行分析。

反射裂紋的擴(kuò)展模式根據(jù)斷裂力學(xué)原理可分為張開型(I型)、剪切型(Ⅱ型)和撕開型模式。對(duì)于舊水泥混凝土路面上瀝青路面罩面這種結(jié)構(gòu),溫度型應(yīng)力對(duì)應(yīng) I型,行車型荷載對(duì)應(yīng)Ⅱ型,撕開型不常見(jiàn),通過(guò)分析認(rèn)為,溫度應(yīng)力引起反射裂紋產(chǎn)生并參與了裂紋發(fā)展,而荷載應(yīng)力加速了裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。

在舊水泥混凝土路面上進(jìn)行瀝青路面加鋪,在荷載作用下產(chǎn)生的反射裂縫主要是剪切型開裂。為防止這種類型的反射裂縫,可采用降低接縫處板邊彎沉差以及增加罩面層的剪切強(qiáng)度的措施。在溫差作用下,由于舊水泥混凝土板的收縮,導(dǎo)致罩面層在接(裂)縫處產(chǎn)生應(yīng)力突變,當(dāng)其疲勞應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí),便在接縫對(duì)應(yīng)處產(chǎn)生溫度型反射開裂。對(duì)于采用灌漿等處理好的舊水泥混凝土路面,在荷載作用下,與舊水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)相當(dāng)半剛性基層瀝青路面采用現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)程序 APDS計(jì)算的瀝青面層底部一般不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于舊水泥混凝土路面存在接、裂縫,會(huì)導(dǎo)致瀝青罩面層層底產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,罩面結(jié)構(gòu)設(shè)置夾層可以減少瀝青面層產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng),且設(shè)計(jì)方法中考慮應(yīng)力集中問(wèn)題難度較大,所以在瀝青面層層底彎拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)未進(jìn)行特別考慮,參照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行近似計(jì)算。瀝青罩面層反射裂縫的問(wèn)題主要通過(guò)溫度型收縮應(yīng)力和豎向剪應(yīng)力考慮。但溫度收縮模型不好建立,這里只對(duì)豎向剪應(yīng)力進(jìn)行分析。

考慮到不可能為減少車轍變形量而減少罩面層厚度,針對(duì)路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn),通常從選擇罩面層材料和進(jìn)行材料組成設(shè)計(jì),提高其抗溫縮開裂和車轍的能力、設(shè)計(jì)過(guò)程需考慮的破壞為因荷載和溫度作用而產(chǎn)生反射開裂和層間界面的剪切破壞。

1 設(shè)計(jì)原則

在對(duì)舊路面板處理后,進(jìn)行罩面層厚度設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是控制和減少瀝青面層反射裂縫的產(chǎn)生。而從其產(chǎn)生的原因來(lái)分析,對(duì)于張開型反射裂縫主要是由于溫度收縮引起;對(duì)于剪切型反射裂縫主要從罩面層厚度設(shè)計(jì)中來(lái)考慮。同時(shí),應(yīng)保證在瀝青罩面層與舊水泥混凝土界面不發(fā)生剪切破壞。從罩面層類型和材料組成設(shè)計(jì)上,確保其車轍變形控制在要求的范圍內(nèi)。罩面設(shè)計(jì)方法力求簡(jiǎn)單、實(shí)用,罩面層設(shè)計(jì)參數(shù)與現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范一致。

2 設(shè)計(jì)豎向剪應(yīng)力的近似計(jì)算

在荷載作用下,舊水泥混凝土路面上瀝青罩面層產(chǎn)生的剪切型反射裂縫,可用豎向剪切的受力狀態(tài)來(lái)加以分析,車輪作用在裂(接)縫的一側(cè),因而在接縫的兩側(cè)便會(huì)產(chǎn)生不同的彎沉值,從而使瀝青面層產(chǎn)生豎向剪應(yīng)力。在這種剪應(yīng)力的重復(fù)作用下,如果瀝青面層的抗剪切強(qiáng)度不夠,會(huì)造成瀝青面層的反射開裂,借助接縫兩側(cè)的彎沉差、輪胎的接地半徑、接縫的寬度,提出如下豎向剪應(yīng)力的計(jì)算公式。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 1所示。

圖 1 剪應(yīng)變計(jì)算示意圖

豎向剪應(yīng)力近似計(jì)算

式中:δ為標(biāo)準(zhǔn)輪載接地半徑,cm;ΔL為舊水泥混凝土路面板的接縫寬度,cm;G為瀝青混合料的抗剪摸量,MPa;(WL–Wu)為接縫兩側(cè)加荷板與相鄰板的彎沉差,cm。

3 設(shè)計(jì)豎向疲勞剪應(yīng)力的計(jì)算

式中:τ、Tp分別為荷載作用下產(chǎn)生的剪應(yīng)力和疲勞剪應(yīng)力;k為抗剪強(qiáng)度系數(shù);N為根據(jù)彎沉等效計(jì)算的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載;Ac為公路等級(jí)系數(shù),高速和一級(jí)公路為 1.0。二級(jí)公路為 1.1。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,在荷載作用下產(chǎn)生的豎向疲勞剪應(yīng)力不大于室內(nèi)確定的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度(15℃),即

該計(jì)算結(jié)果與AI設(shè)計(jì)法的規(guī)定:接縫兩側(cè)的板邊彎沉差(WL– Wu)≤0.05mm(80 kN)的要求基本一致。

通過(guò)比較說(shuō)明利用彎沉差進(jìn)行豎向剪應(yīng)力的近似計(jì)算的假設(shè)是可行的,同時(shí)說(shuō)明不考慮具體公路的特點(diǎn)提出統(tǒng)一的接縫彎沉差指標(biāo)是不合理的。

因此在設(shè)計(jì)中,接縫(或裂縫)兩側(cè)的板邊彎沉差控制為(WL–Wu)≤容許值,容許值根據(jù)交通量、瀝青混合料類型和公路等級(jí)確定。

某路段舊水泥混凝土板長(zhǎng) 5m,接縫寬度 10mm。路面頂面綜合模量為 450MPa,瀝青混凝土罩面層的回彈模量為1 200MPa,抗剪強(qiáng)度 τ靜=1.0MPa(15℃),δsp=1.5MPa,溫度收縮系數(shù)為 0.000 01,舊水泥混凝土板厚 24 cm,模量為25 000 MPa,按標(biāo)準(zhǔn)軸載1 000萬(wàn)次確定瀝青混凝土罩面層厚度。

接縫兩側(cè)彎沉差容許值由公式(2)得

因此要求對(duì)舊水泥混凝土路面經(jīng)過(guò)處治后使接縫兩側(cè)豎向剪應(yīng)力產(chǎn)生的最大彎沉差為0.06mm,否則不能直接采用瀝青混凝土罩面。

4 結(jié) 語(yǔ)

從罩面層剪切受力分析出發(fā),根據(jù)舊水泥混凝土的平面尺寸、接縫寬度、瀝青混凝土罩面層抗剪強(qiáng)度和交通量,提出了控制瀝青罩面層開裂以控制接縫兩側(cè)的最大彎沉差計(jì)算方法。在一定條件下,采用該方法計(jì)算的彎沉差與 AI設(shè)計(jì)法規(guī)定的(WL–Wu)≤0.05mm是基本吻合的,并指出了 AI設(shè)計(jì)法不考慮公路具體情況,提出統(tǒng)一的指標(biāo)的不合理性。

[1] 李闖民等 .舊水泥混凝土路面上瀝青路面罩面實(shí)用設(shè)計(jì)方法的研究,2005.

[2] 黃仰賢.路面分折與設(shè)計(jì)[M].北京:人民變通出版社,1998.

[3] 范欽珊 .材料力學(xué)[M].清華大學(xué)出版社,2008.