舊水泥路面碎石化加鋪結(jié)構(gòu)力學響應計算與適用性研究

黃慧 張仰鵬 王秋敏

摘要：舊水泥混凝土路面破損程度不同，舊路綜合利用處治的方式也大不相同。文章針對舊水泥混凝土路面碎石化后強度不均勻、承載力不足及反射裂縫等問題，結(jié)合實際工程應用調(diào)查情況，對碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)型式進行了調(diào)查研究，并利用有限元模擬對比計算了三種不同結(jié)構(gòu)型式的力學響應問題，比較了不同結(jié)構(gòu)的力學響應特征，驗證了舊水泥混凝土碎石化加鋪罩面結(jié)構(gòu)的合理性及適用性，推薦了適用性加鋪結(jié)構(gòu)，可為舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面結(jié)構(gòu)選擇提供技術參考。

關鍵詞：碎石化;加鋪罩面;低影響;力學響應;適用性

0 引言

水泥混凝土路面是公路路面結(jié)構(gòu)的重要形式之一[1]。隨著其壽命的延長，路面會出現(xiàn)不同程度的破損，低影響、綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用型舊水泥混凝土路面大中修改造罩面技術的探討研究需求迫切。舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面技術是一種綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用型循環(huán)利用技術，是對舊水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。該技術充分利用了舊水泥路的剩余價值，能提供足夠的結(jié)構(gòu)承載力，能有效防止或限制反射裂縫發(fā)生和發(fā)展，能使碎石化后頂面強度趨于均勻[1-2]，并能消除舊路混凝土廢除造成的道路棄渣，具有較好的技術性能、經(jīng)濟適用性與綠色環(huán)保性能。但碎石化層存在的不規(guī)則裂縫會直接影響加鋪罩面層的耐久性和綜合使用性能，防止裂縫反射是加鋪結(jié)構(gòu)層關鍵考慮因素之一，因此如何選擇低影響、綠色環(huán)保、經(jīng)濟適用型的循環(huán)利用加鋪罩面方案來處治舊水泥混凝土路面破損問題顯得尤為重要[3-4]。

以廣西地區(qū)路網(wǎng)公路為研究對象，從表1可知：廣西地區(qū)普通公路路面結(jié)構(gòu)類型中水泥混凝土路面占到總里程的40.6%，而大量的水泥混凝土路面將面臨大中修，舊水泥混凝土碎石化加鋪罩面結(jié)構(gòu)的合理性及適用性研究迫在眉睫。

本文針對舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)，利用有限元模擬對比計算三種不同處治方式的力學響應問題，可為舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的適用性與合理性選擇提供技術參考。

1 碎石化加鋪罩面狀況調(diào)查研究

舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面，需要解決的是舊水泥混凝土路面碎石化后強度不均勻、承載力不足及反射裂縫等問題[2]，從而提高其整體的耐久性和綜合使用性能。目前舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪處治的方式有：設置級配碎石層再加鋪瀝青面層、不設過渡層直接加鋪瀝青面層、設置半剛性基層再加鋪瀝青面層、設置級配碎石層再加鋪水泥面層等多種處治方式。為深入了解各種處治方式的效果，本文對舊水泥混凝土路面碎石化后不設過渡層、設置級配碎石層、設置半剛性基層的三種不同加鋪罩面結(jié)構(gòu)的使用狀況進行了調(diào)查研究[5]。

本文選取了三條公路路段進行了綜合信息和路況調(diào)研，三種不同加鋪罩面結(jié)構(gòu)路段綜合信息如表2所示。路段綜合信息和現(xiàn)場路況調(diào)查表明：舊水泥混凝土路面碎石化加鋪級配碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)應用效果良好，而舊水泥混凝土路面碎石化加鋪半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)已出現(xiàn)車轍、橫向裂縫、龜裂等病害。

表2中所示三條國省干道舊水泥路面碎石化加鋪結(jié)構(gòu)代表了廣西地區(qū)舊水泥路面碎石化加鋪典型結(jié)構(gòu)，G323某段碎石化后直接加鋪瀝青路面已使用4年，路況一般，已出現(xiàn)車轍和龜裂等病害;S304某段碎石化后加級配碎石基層再加鋪瀝青路面，已使用6年，交通繁忙且重車通行比例大，達到了重載交通水平，但卻路況良好，路面無沉陷、網(wǎng)裂、反射裂縫等因結(jié)構(gòu)承載力不足引起的疲勞性破壞;G324某段碎石化后加水泥穩(wěn)定碎石基層再加鋪瀝青路面，已使用4年，路況一般，已出現(xiàn)車轍、橫縫和龜裂等病害。

通過對三條典型路段進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，總體來看，舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石的適用性最好，其次是碎石化后不設過渡層的，應用效果最不好的是碎石化后加鋪半剛性基層。舊水泥路面碎石化加鋪半剛性基層的路面因碎石化后結(jié)構(gòu)強度不均勻，造成加鋪的半剛性基層受力不均勻進而更容易引起其開裂，繼而向上擴展至瀝青面層，使加鋪面層多出現(xiàn)開裂等病害，應用效果不良。舊水泥路面碎石化設置級配碎石基層加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)，因級配碎石基層具有擴散荷載、延緩開裂等柔性基層功能，使得結(jié)構(gòu)整體承載力更加均勻，能減少厚度效應引起的級配碎石承載力問題，并未出現(xiàn)因承載力不足問題引起路面沉陷、結(jié)構(gòu)性車轍、龜裂等病害，應用效果良好，且具有良好的工程經(jīng)濟性。

2 碎石化加鋪罩面方案對比計算研究

2.1 碎石化加鋪罩面有限元計算方法

為掌握水泥混凝土路面碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)的力學特性，本文利用有限元分析軟件構(gòu)建了設置級配碎石層瀝青罩面、不設過渡層直接瀝青罩面、設置半剛性基層瀝青罩面三種不同型式結(jié)構(gòu)的有限元模型。該數(shù)值模型忽略雙輪之間的影響，具有對稱性且結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)為軸對稱，因此選取道路結(jié)構(gòu)軸對稱模型的一半進行計算分析。面層基層等各結(jié)構(gòu)層厚度、彈性模量及泊松比等計算參數(shù)如表3所示[6-7]。

本數(shù)值模型采用平面四節(jié)點四邊形單元，其單元邊長按照上密下疏的原則進行劃分。其邊界條件假定為：路基一定深度的底面為固定面，左右兩個與Y軸平行的面沒有X方向的位移，路面各結(jié)構(gòu)層之間為完全連續(xù)接觸。本數(shù)值模型計算荷載采用單圓荷載，其當量圓直徑D取30.4 cm，荷載均布壓力P取0.7 MPa。其建立的數(shù)值模擬計算模型和結(jié)構(gòu)計算簡圖如圖1、圖2所示。

2.2 碎石化加鋪罩面有限元計算對比分析

本文通過有限元分析軟件分別模擬計算了在交通荷載作用下三種不同路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉、結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應力指標。

2.2.1 過渡層類型對整體承載力的影響（彎沉）

本文分別計算分析了三種不同過渡層類型對舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面結(jié)構(gòu)的整體承載力的影響，計算結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，不同過渡層類型對舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面結(jié)構(gòu)的整體承載力的影響各不相同，設置半剛性基層加鋪罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉最小，設置級配碎石基層加鋪罩面結(jié)構(gòu)的路表彎沉最大。這說明瀝青層的豎向變形與基層強度密切相關，基層強度越大，瀝青層豎向變形越小，隨著基層強度的減小，瀝青層的豎向變形隨之增大。綜上所述，舊水泥混凝土路面碎石化后設置級配碎石層的瀝青罩面結(jié)構(gòu)的整體承載力相對最大。

2.2.2 過渡層類型對結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應力的影響

本文分別計算分析了三種不同過渡層類型對舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪罩面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應力的影響，計算結(jié)果如圖4～6所示。

從路面結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和損壞機理分析，瀝青路面結(jié)構(gòu)設計控制指標為瀝青混凝土層彎拉應力和半剛性基層層底彎拉應力，若這兩個結(jié)構(gòu)層底出現(xiàn)較大拉應力會對路面結(jié)構(gòu)綜合性能存在不利影響。由圖4～5可知：（1）不設級配碎石層的加鋪罩面結(jié)構(gòu)在路表處的輪胎外緣區(qū)域產(chǎn)生較大水平拉應力外，結(jié)構(gòu)層內(nèi)無較大水平拉應力作用;（2）設置級配碎石層的加鋪罩面結(jié)構(gòu)因受過渡層剛度與強度差異影響，除在路表處的輪胎外緣區(qū)域產(chǎn)生較大水平拉應力外，在瀝青層底也產(chǎn)生了拉應力作用;（3）設置半剛性基層的加鋪罩面結(jié)構(gòu)在半剛性基層底產(chǎn)生水平拉應力作用。單從計算結(jié)果來看，以控制結(jié)構(gòu)層底彎拉應力為目標，三種結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)劣依次為：無級配碎石層結(jié)構(gòu)>設置級配碎石層結(jié)構(gòu)>設置半剛性基層結(jié)構(gòu)。但該計算忽略了碎石化層強度的不均勻性，而碎石化后該層強度均勻性也是影響路面使用性能的重要因素，卻在模擬計算中無法反映出來，因此建議舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪過渡層，宜為級配碎石層。由圖6可知，設置級配碎石層結(jié)構(gòu)的剪應力峰值最大，約為0.245 MPa;不設級配碎石層結(jié)構(gòu)的剪應力峰值次之，約為0.22 MPa，若設置級配碎石層，則罩面層瀝青混合料具有相對良好的抗剪能力。綜合考慮過渡層類型對結(jié)構(gòu)整體承載力、結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應力的影響和碎石化層強度均勻性較差等因素，建議舊水泥混凝土路面碎石化后宜設置級配碎石過渡層以提高路面強度的均勻性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

針對舊水泥混凝土路面碎石化后強度不均勻、承載力不足及反射裂縫等問題，本文結(jié)合實際工程調(diào)查應用情況，對碎石化后加鋪瀝青罩面結(jié)構(gòu)型式開展深入研究分析，并通過計算分析舊水泥混凝土路面碎石化后加鋪三種不同結(jié)構(gòu)型式的瀝青罩面結(jié)構(gòu)力學響應，得到如下結(jié)論：

（1）從實際工程調(diào)查總體情況來看，舊水泥路面碎石化后加鋪級配碎石的適用性最好，其次是碎石化后不設過渡層的，應用效果最不好的是碎石化后加鋪半剛性基層。

（2）從路面結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)和損壞機理進行計算分析發(fā)現(xiàn)，單從計算結(jié)果來看，以控制結(jié)構(gòu)層底彎拉應力為目標，三種結(jié)構(gòu)的受力優(yōu)劣依次為：無級配碎石層結(jié)構(gòu)>設置級配碎石層結(jié)構(gòu)>設置半剛性基層結(jié)構(gòu)。但此計算忽略了碎石化層強度的不均勻性，而碎石化后該層強度均勻性也是影響路面使用性能的重要因素。通過剪應力計算發(fā)現(xiàn)，設置級配碎石層結(jié)構(gòu)的剪應力峰值最大，不設級配碎石層結(jié)構(gòu)的剪應力峰值次之，若設置級配碎石層，罩面層瀝青混合料具有相對良好的抗剪能力。因此建議舊水泥混凝土路面碎石化后宜加鋪級配碎石層過渡層。

（3）綜合實際工程調(diào)查情況與過渡層類型模擬計算分析發(fā)現(xiàn)：綜合考慮結(jié)構(gòu)整體承載力、結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應力的影響和碎石化層強度均勻性較差等影響因素，推薦舊水泥混凝土路面碎石化加鋪結(jié)構(gòu)，采用具有良好抗裂性能的級配碎石過渡層瀝青罩面結(jié)構(gòu)。舊水泥混凝土路面碎石化后設置級配碎石過渡層瀝青罩面結(jié)構(gòu)，既能增強碎石化層的強度均勻性，又能提高路面結(jié)構(gòu)整體承載力和穩(wěn)定性，還能起到良好的抗裂作用[8]。本文可為水泥混凝土路面碎石化后加鋪瀝青工程罩面結(jié)構(gòu)選擇，提供良好的理論與應用支撐。

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