旧水泥路面碎石化加铺结构力学响应计算与适用性研究

黄慧 张仰鹏 王秋敏

摘要：旧水泥混凝土路面破损程度不同，旧路综合利用处治的方式也大不相同。文章针对旧水泥混凝土路面碎石化后强度不均匀、承载力不足及反射裂缝等问题，结合实际工程应用调查情况，对碎石化后加铺沥青罩面结构型式进行了调查研究，并利用有限元模拟对比计算了三种不同结构型式的力学响应问题，比较了不同结构的力学响应特征，验证了旧水泥混凝土碎石化加铺罩面结构的合理性及适用性，推荐了适用性加铺结构，可为旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面结构选择提供技术参考。

关键词：碎石化;加铺罩面;低影响;力学响应;适用性

0 引言

水泥混凝土路面是公路路面结构的重要形式之一[1]。随着其寿命的延长，路面会出现不同程度的破损，低影响、绿色环保、经济适用型旧水泥混凝土路面大中修改造罩面技术的探讨研究需求迫切。旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面技术是一种绿色环保、经济适用型循环利用技术，是对旧水泥混凝土路面大修或改造的重要手段。该技术充分利用了旧水泥路的剩余价值，能提供足够的结构承载力，能有效防止或限制反射裂缝发生和发展，能使碎石化后顶面强度趋于均匀[1-2]，并能消除旧路混凝土废除造成的道路弃渣，具有较好的技术性能、经济适用性与绿色环保性能。但碎石化层存在的不规则裂缝会直接影响加铺罩面层的耐久性和综合使用性能，防止裂缝反射是加铺结构层关键考虑因素之一，因此如何选择低影响、绿色环保、经济适用型的循环利用加铺罩面方案来处治旧水泥混凝土路面破损问题显得尤为重要[3-4]。

以广西地区路网公路为研究对象，从表1可知：广西地区普通公路路面结构类型中水泥混凝土路面占到总里程的40.6%，而大量的水泥混凝土路面将面临大中修，旧水泥混凝土碎石化加铺罩面结构的合理性及适用性研究迫在眉睫。

本文针对旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青罩面结构，利用有限元模拟对比计算三种不同处治方式的力学响应问题，可为旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青罩面结构的适用性与合理性选择提供技术参考。

1 碎石化加铺罩面状况调查研究

旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面，需要解决的是旧水泥混凝土路面碎石化后强度不均匀、承载力不足及反射裂缝等问题[2]，从而提高其整体的耐久性和综合使用性能。目前旧水泥混凝土路面碎石化后加铺处治的方式有：设置级配碎石层再加铺沥青面层、不设过渡层直接加铺沥青面层、设置半刚性基层再加铺沥青面层、设置级配碎石层再加铺水泥面层等多种处治方式。为深入了解各种处治方式的效果，本文对旧水泥混凝土路面碎石化后不设过渡层、设置级配碎石层、设置半刚性基层的三种不同加铺罩面结构的使用状况进行了调查研究[5]。

本文选取了三条公路路段进行了綜合信息和路况调研，三种不同加铺罩面结构路段综合信息如表2所示。路段综合信息和现场路况调查表明：旧水泥混凝土路面碎石化加铺级配碎石基层沥青路面结构应用效果良好，而旧水泥混凝土路面碎石化加铺半刚性基层沥青路面结构已出现车辙、横向裂缝、龟裂等病害。

表2中所示三条国省干道旧水泥路面碎石化加铺结构代表了广西地区旧水泥路面碎石化加铺典型结构，G323某段碎石化后直接加铺沥青路面已使用4年，路况一般，已出现车辙和龟裂等病害;S304某段碎石化后加级配碎石基层再加铺沥青路面，已使用6年，交通繁忙且重车通行比例大，达到了重载交通水平，但却路况良好，路面无沉陷、网裂、反射裂缝等因结构承载力不足引起的疲劳性破坏;G324某段碎石化后加水泥稳定碎石基层再加铺沥青路面，已使用4年，路况一般，已出现车辙、横缝和龟裂等病害。

通过对三条典型路段进行调查发现，总体来看，旧水泥路面碎石化后加铺级配碎石的适用性最好，其次是碎石化后不设过渡层的，应用效果最不好的是碎石化后加铺半刚性基层。旧水泥路面碎石化加铺半刚性基层的路面因碎石化后结构强度不均匀，造成加铺的半刚性基层受力不均匀进而更容易引起其开裂，继而向上扩展至沥青面层，使加铺面层多出现开裂等病害，应用效果不良。旧水泥路面碎石化设置级配碎石基层加铺沥青路面结构，因级配碎石基层具有扩散荷载、延缓开裂等柔性基层功能，使得结构整体承载力更加均匀，能减少厚度效应引起的级配碎石承载力问题，并未出现因承载力不足问题引起路面沉陷、结构性车辙、龟裂等病害，应用效果良好，且具有良好的工程经济性。

2 碎石化加铺罩面方案对比计算研究

2.1 碎石化加铺罩面有限元计算方法

为掌握水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青罩面结构的力学特性，本文利用有限元分析软件构建了设置级配碎石层沥青罩面、不设过渡层直接沥青罩面、设置半刚性基层沥青罩面三种不同型式结构的有限元模型。该数值模型忽略双轮之间的影响，具有对称性且结构受力状态为轴对称，因此选取道路结构轴对称模型的一半进行计算分析。面层基层等各结构层厚度、弹性模量及泊松比等计算参数如表3所示[6-7]。

本数值模型采用平面四节点四边形单元，其单元边长按照上密下疏的原则进行划分。其边界条件假定为：路基一定深度的底面为固定面，左右两个与Y轴平行的面没有X方向的位移，路面各结构层之间为完全连续接触。本数值模型计算荷载采用单圆荷载，其当量圆直径D取30.4 cm，荷载均布压力P取0.7 MPa。其建立的数值模拟计算模型和结构计算简图如图1、图2所示。

2.2 碎石化加铺罩面有限元计算对比分析

本文通过有限元分析软件分别模拟计算了在交通荷载作用下三种不同路面结构的路表弯沉、结构层内部应力指标。

2.2.1 过渡层类型对整体承载力的影响（弯沉）

本文分别计算分析了三种不同过渡层类型对旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面结构的整体承载力的影响，计算结果如图3所示。

由图3可知，不同过渡层类型对旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面结构的整体承载力的影响各不相同，设置半刚性基层加铺罩面结构的路表弯沉最小，设置级配碎石基层加铺罩面结构的路表弯沉最大。这说明沥青层的竖向变形与基层强度密切相关，基层强度越大，沥青层竖向变形越小，随着基层强度的减小，沥青层的竖向变形随之增大。综上所述，旧水泥混凝土路面碎石化后设置级配碎石层的沥青罩面结构的整体承载力相对最大。

2.2.2 过渡层类型对结构层内部应力的影响

本文分别计算分析了三种不同过渡层类型对旧水泥混凝土路面碎石化后加铺罩面结构的结构层内部应力的影响，计算结果如图4～6所示。

从路面结构的破坏形态和损坏机理分析，沥青路面结构设计控制指标为沥青混凝土层弯拉应力和半刚性基层层底弯拉应力，若这两个结构层底出现较大拉应力会对路面结构综合性能存在不利影响。由图4～5可知：（1）不设级配碎石层的加铺罩面结构在路表处的轮胎外缘区域产生较大水平拉应力外，结构层内无较大水平拉应力作用;（2）设置级配碎石层的加铺罩面结构因受过渡层刚度与强度差异影响，除在路表处的轮胎外缘区域产生较大水平拉应力外，在沥青层底也产生了拉应力作用;（3）设置半刚性基层的加铺罩面结构在半刚性基层底产生水平拉应力作用。单从计算结果来看，以控制结构层底弯拉应力为目标，三种结构的受力优劣依次为：无级配碎石层结构>设置级配碎石层结构>设置半刚性基层结构。但该计算忽略了碎石化层强度的不均匀性，而碎石化后该层强度均匀性也是影响路面使用性能的重要因素，却在模拟计算中无法反映出来，因此建议旧水泥混凝土路面碎石化后加铺过渡层，宜为级配碎石层。由图6可知，设置级配碎石层结构的剪应力峰值最大，约为0.245 MPa;不设级配碎石层结构的剪应力峰值次之，约为0.22 MPa，若设置级配碎石层，则罩面层沥青混合料具有相对良好的抗剪能力。综合考虑过渡层类型对结构整体承载力、结构层内部应力的影响和碎石化层强度均匀性较差等因素，建议旧水泥混凝土路面碎石化后宜设置级配碎石过渡层以提高路面强度的均匀性和稳定性。

3 结语

针对旧水泥混凝土路面碎石化后强度不均匀、承载力不足及反射裂缝等问题，本文结合实际工程调查应用情况，对碎石化后加铺沥青罩面结构型式开展深入研究分析，并通过计算分析旧水泥混凝土路面碎石化后加铺三种不同结构型式的沥青罩面结构力学响应，得到如下结论：

（1）从实际工程调查总体情况来看，旧水泥路面碎石化后加铺级配碎石的适用性最好，其次是碎石化后不设过渡层的，应用效果最不好的是碎石化后加铺半刚性基层。

（2）从路面结构的破坏形态和损坏机理进行计算分析发现，单从计算结果来看，以控制结构层底弯拉应力为目标，三种结构的受力优劣依次为：无级配碎石层结构>设置级配碎石层结构>设置半刚性基层结构。但此计算忽略了碎石化层强度的不均匀性，而碎石化后该层强度均匀性也是影响路面使用性能的重要因素。通过剪应力计算发现，设置级配碎石层结构的剪应力峰值最大，不设级配碎石层结构的剪应力峰值次之，若设置级配碎石层，罩面层沥青混合料具有相对良好的抗剪能力。因此建议旧水泥混凝土路面碎石化后宜加铺级配碎石层过渡层。

（3）綜合实际工程调查情况与过渡层类型模拟计算分析发现：综合考虑结构整体承载力、结构层内部应力的影响和碎石化层强度均匀性较差等影响因素，推荐旧水泥混凝土路面碎石化加铺结构，采用具有良好抗裂性能的级配碎石过渡层沥青罩面结构。旧水泥混凝土路面碎石化后设置级配碎石过渡层沥青罩面结构，既能增强碎石化层的强度均匀性，又能提高路面结构整体承载力和稳定性，还能起到良好的抗裂作用[8]。本文可为水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青工程罩面结构选择，提供良好的理论与应用支撑。

参考文献：

[1]王松根，张玉宏，黄晓明，等.旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]张玉宏.水泥混凝土路面碎石化综合技术研究[D].南京：东南大学，2006.

[3]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4]JTGD50-2017，公路沥青路面设计规范[S].

[5]黄 慧，冯永平，赖 强，等.级配碎石基层在广西地区旧水泥路面碎石化加铺中的应用研究[J].公路与汽运，2016（6）：147-150.

[6]许新权，吴传海，舒 翔.旧水泥路面加铺沥青层结构力学特性分析[J].广东公路交通，2011（Z1）：55-58.

[7]于恒峰.旧水泥路面碎石化后水泥加铺层脱空预估研究[D].西安：长安大学，2011.

[8]王 静.水泥混凝土碎石化施工技术与适用结构层研究[D].西安：长安大学，2012.