舊路改造瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及力學(xué)響應(yīng)分析

熊 茜

(中交國通公路工程技術(shù)有限公司 南陽市 473000)

瀝青路面在行車荷載與環(huán)境因素的耦合作用下，使用性能不可避免地出現(xiàn)衰減、甚至嚴重損壞；結(jié)合路面病害類型及道路使用年限情況，應(yīng)擇時采取小修保養(yǎng)、中修、大修或改建等措施。隨著我國國民經(jīng)濟和客貨運量的快速發(fā)展，公路運輸呈現(xiàn)出了“重載、大流量和渠化交通”的特點[1]，同時貨運車輛也在向大噸位、大型化、拖掛化、集裝箱化方向發(fā)展。在重載交通的反復(fù)作用下，瀝青路面極易出現(xiàn)病害，尤其是一些位于能源和重化工基地的公路；當路面病害嚴重、路況水平降低明顯、僅采用日常養(yǎng)護措施已難以維持時，急需對公路路面進行升級改造處理。而路面結(jié)構(gòu)的驗算及材料優(yōu)化，通常采用的荷載為標準荷載[2]，這顯然不符合路面的實際交通狀況，設(shè)計成果的脫節(jié)是造成路面病害產(chǎn)生的重要原因之一；同時新加鋪路面層與舊路之間的結(jié)合是路面結(jié)構(gòu)受力薄弱部位，一旦層間結(jié)合處理不好將出現(xiàn)層間滑移情況，影響路面結(jié)構(gòu)的受力特性。

因此，本研究以山西省某省道舊路改造工程為分析對象，采用殼牌瀝青路面設(shè)計軟件Bisar3.0探究不同荷載作用下舊路改造結(jié)構(gòu)的受力特性，闡明重載交通對路面結(jié)構(gòu)受力指標的影響規(guī)律，推薦加鋪層合理的材料類型；并分析層間接觸條件變化前后路面的力學(xué)響應(yīng)特征，從而為瀝青路面舊路改造工程設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。

1 計算模型與參數(shù)擬定

1.1 路面結(jié)構(gòu)選取與參數(shù)確定

省道某段原路面結(jié)構(gòu)為：5cm中粒式瀝青混凝土面層、18cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層；由于路面病害嚴重，使用性能下降明顯，現(xiàn)考慮進行加鋪改造，具體方案為：銑刨原路面面層后重鋪面層，擬建路面基層利用原有基層，但應(yīng)對局部病害進行處治。擬建路面結(jié)構(gòu)如下：上面層為細粒式AC-13改性瀝青混凝土，可分別采用SBS改性瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土(加3‰玄武巖纖維)和高模量改性瀝青混凝土三種材料；下面層為特種改性乳化瀝青廠拌冷再生AC-20混凝土；上面層厚度為4cm，下面層厚度為8cm。調(diào)整鋪裝材料類型，探討路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。通過現(xiàn)場鉆芯及室內(nèi)試驗，確定不同結(jié)構(gòu)層材料的模量及泊松比，具體如表1所示。方案Ⅰ上面層采用SBS改性瀝青混凝土、方案Ⅱ上面層采用SBS改性瀝青混凝土(加3‰玄武巖纖維)、方案Ⅲ上面層采用高模量瀝青混凝土，其他結(jié)構(gòu)層的材料、模量和厚度保持一致。

1.2 荷載條件確定

輪胎接觸面積和輪壓隨車輛軸重的增加而相應(yīng)增大，參考比利時提供的輪胎接觸面積與軸重的經(jīng)驗關(guān)系式(A=0.008P+152±70)[3]，可求得各種軸載作用下輪胎壓力及作用圓半徑，計算時保持圓心距不變。不同荷載作用下輪壓及作用圓半徑值如表2所示。

表2 輪壓及作用圓半徑值計算結(jié)果

1.3 結(jié)構(gòu)模型及力學(xué)響應(yīng)計算點

路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析時，荷載采用雙圓垂直均布荷載。在道路計算軟件Bisar中，假定X方向為行車方向，Y方向為道路橫斷面方向，Z方向為道路深度方向，其中行車方向垂直于道路橫斷面方向；計算點位為雙圓輪隙中心和單圓荷載中心處，對應(yīng)的橫向位置分別為0、1.5r，具體如圖1所示。

圖1 力學(xué)響應(yīng)計算點位置圖示

1.4 分析指標與層間接觸條件

根據(jù)瀝青路面的主要病害類型，選取路表彎沉值、瀝青混合料層層底拉應(yīng)變、無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力、瀝青混合料層剪應(yīng)力作為計算指標，分析荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)受力的最不利位置，并防止出現(xiàn)破壞的極限狀態(tài)。

瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸條件劣化將加劇路面病害的產(chǎn)生，對于半剛性基層瀝青路面而言，基層與面層層間接觸狀態(tài)的改變對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響最大[4]。而舊路改造工程中，由于舊路面在銑刨施工中會產(chǎn)生大量的灰塵，一旦處理不干凈會影響其與新結(jié)構(gòu)層的相互黏結(jié)，導(dǎo)致層間結(jié)合處成為受力的薄弱環(huán)節(jié)，容易導(dǎo)致相關(guān)病害的產(chǎn)生。基于以上因素的考慮，僅分析原基層與加鋪面層層間接觸條件變化對路面結(jié)構(gòu)受力特性的影響規(guī)律。

在Bisar3.0中，通過給出的簡化彈性柔量系數(shù)ALK來表征瀝青路面不同層間接觸狀態(tài)對應(yīng)的計算值，以分析層間接觸條件變化對路面結(jié)構(gòu)受力特性產(chǎn)生的影響[5]。ALK作為層間接觸狀態(tài)的表征參數(shù)，通過定義層間滑動系數(shù)α來模擬不同的層間結(jié)合狀態(tài)，兩者之間的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

式中：ALK為簡化彈性柔量系數(shù)(m)；r為荷載圓半徑(m)；α為滑動系數(shù)，0≤α≤1；α=0時，表示層間接觸為完全連續(xù)；α=1時，表示層間接觸為完全滑動，實際計算時，α=0.99即視為層間完全滑動。

2 舊路改造瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 不同軸載作用下路面受力特性分析

以表1提供的路面結(jié)構(gòu)，采用Bisar3.0軟件計算不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的受力特性，其中面層與面層、面層與舊基層、基層與底基層之間層間接觸條件均為連續(xù)接觸；計算結(jié)果如表3～表5所示。

表3 方案Ⅰ路面結(jié)構(gòu)受力特性計算

表4 方案Ⅱ路面結(jié)構(gòu)受力特性計算

表5 方案Ⅲ路面結(jié)構(gòu)受力特性計算

由表3～表5可知：

(1)車輛荷載的增加，明顯增大了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)不同受力指標的計算值，且指標計算值與荷載增加呈正向關(guān)系，這意味路面結(jié)構(gòu)在重載交通作用下發(fā)生車轍、裂縫、推移等病害的概率顯著變大。

(2)在所選擇的荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)不同受力指標產(chǎn)生最不利的位置保持一致，路表彎沉值、瀝青混合料層層底拉應(yīng)變、無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力、瀝青層剪應(yīng)力均在荷載作用圓中心位置處出現(xiàn)最大值，其中瀝青混合料層層底拉應(yīng)變在下面層層底產(chǎn)生最大值，而無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力在底基層層底處出現(xiàn)最大值，說明下面層與底基層層底容易出現(xiàn)裂縫病害。

(3)路面結(jié)構(gòu)表面層采用SBS改性瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土(加3‰玄武巖纖維)、高模量改性瀝青混凝土鋪筑，結(jié)構(gòu)內(nèi)受力指標值變化存在明顯差異，其中彎沉值、上面層層底拉應(yīng)變、底基層層底拉應(yīng)力、瀝青層剪應(yīng)力指標減小，而下面層層底拉應(yīng)變指標增大，基層層底拉應(yīng)力基本保持不變，說明表面層采用高模量瀝青混凝土后，雖然能提高整個結(jié)構(gòu)層的抗變形能力，但會增加下面層發(fā)生疲勞開裂的概率，同時基層發(fā)生疲勞開裂病害的幾率降低。

(4)相比較而言，上面層采用SBS改性瀝青混凝土(加3‰玄武巖纖維)的方案，各受力指標大小相對比較均衡，同時玄武巖纖維具有較好的加筋、穩(wěn)定、增粘等作用，添加到混合料中能夠明顯改善結(jié)構(gòu)層的抗裂性能、抗疲勞和抗車轍性能；高模量瀝青混凝土雖然提高結(jié)構(gòu)層的抗車轍性能，但反而在一定程度上會損害低溫抗裂性能。

2.2 層間接觸條件變化對路面受力特性的影響

選取路面方案Ⅱ，分析面層與基層層間接觸條件變化對路面結(jié)構(gòu)受力特性的影響，其他層之間保持連續(xù)接觸；荷載條件為100kN、140kN和180kN，面層與基層層間接觸條件分別為完全接觸和完全滑動，完全接觸時，滑動系數(shù)和ALK均為0；而完全滑動時，滑動系數(shù)取0.99、ALK則分別為10.5435m3/N、11.6127 m3/N、12.6423m3/N。不同層間接觸條件下路面結(jié)構(gòu)受力特性對比計算結(jié)果如表6～表8所示。

表6 100kN條件下層間接觸變化對路面受力特性的影響

表7 140kN條件下層間接觸變化對路面受力特性的影響

從表6～表8中可以看出：

(1)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)面層與基層層間接觸條件由完全接觸劣化為完全光滑后，路表彎沉值、瀝青層層底拉應(yīng)變、無機結(jié)合料層層底拉應(yīng)力及瀝青層剪應(yīng)力指標均顯著增大，意味著路面發(fā)生裂縫、車轍、推移等病害的概率顯著增大，尤其是瀝青層發(fā)生裂縫與車轍病害的概率。

(2)面層與基層接觸條件為完全光滑狀態(tài)，隨著車輛軸重的增加，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各受力指標計算值均隨之增大，說明二者狀態(tài)耦合作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生病害的幾率較高，路面服役期間一旦出現(xiàn)上述狀況，路面的服務(wù)壽命將顯著降低。

(3)面層加鋪層與舊基層之間接觸位置處，由于層間接觸條件的變化，拉應(yīng)變指標產(chǎn)生突變，這不同于完全接觸狀態(tài)，基層與面層層間完全接觸時，下面層層底拉應(yīng)變相差較小，荷載作用圓中心位置處拉應(yīng)變計算值幾乎保持不變；接觸條件的劣化導(dǎo)致該處成為受力的薄弱位置，極易在該處出現(xiàn)裂縫病害，因此有必要嚴格按照規(guī)范規(guī)定施工并加強現(xiàn)場管理及養(yǎng)護，防止層間接觸出現(xiàn)極端情況。

3 結(jié)論

(1)車輛軸載的增加，導(dǎo)致舊路改造路面結(jié)構(gòu)內(nèi)路表彎沉值、瀝青混合料層層底拉應(yīng)變、無機結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力、瀝青混合料層剪應(yīng)力指標顯著增加，路面發(fā)生病害的概率明顯增大，路面服務(wù)壽命嚴重縮短。

(2)加鋪結(jié)構(gòu)中，表面層采用SBS改性瀝青混凝土(加3‰玄武巖纖維)鋪筑，在不同荷載作用下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)各受力指標大小相對比較均衡，整體性能優(yōu)于SBS改性瀝青混凝土和高模量瀝青混凝土，具有較好的抗裂性能、抗疲勞和抗車轍性能。

(3)層間接觸條件劣化顯著影響路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的受力狀況，加鋪層與舊基層層間接觸條件變?yōu)橥耆饣螅访娼Y(jié)構(gòu)內(nèi)瀝青層層底拉應(yīng)變和瀝青層剪應(yīng)力指標變化最為明顯，發(fā)生裂縫及車轍病害的概率顯著增大。