旧水泥路面碎石化加铺粒料基层沥青罩面结构重载力学响应研究

黄锦 黄慧

摘要：旧水泥路面破损较重时，为减少道路弃渣和综合利用旧路，采用碎石化技术进行沥青罩面是一种绿色循环利用技术。旧水泥路面碎石化后加铺级配碎石进行强度均匀、过渡、增强后再进行沥青罩面已在广西地区应用十分广泛，工程实践效果良好。但随着重载交通的发展，需对该结构重载作用下的适应性进行研究。文章针对旧水泥路面碎石化加铺级配碎石过渡层沥青罩面结构，利用有限元建模计算分析了旧水泥路面碎石化后沥青罩面结构在重载作用下的承载力（弯沉）与应力重载的敏感性，可为广西地区乃至全国旧水泥路面碎石化沥青罩面工程提供技术参考。

关键词：碎石化;粒料基层;沥青罩面;重载;承载力;应力分布

0 引言

水泥路面在公路工程中发挥了极其重要的作用，随着水泥路面运营时间增加，路面病害增多，大量的水泥路面面临着大修，经济适用型旧水泥路面大修结构技术需求迫切。当旧水泥混凝土路面断板率较高、损坏面积较大时，可对旧水泥混凝土面板先进行破裂和稳固后再加铺沥青面层罩面。在旧水泥路面大修或改造工程中，碎石化沥青罩面技术是充分利用旧路剩余强度价值和综合循环利用旧路最重要的技术手段，分析研究旧路碎石化加铺罩面结构使用性能与耐久性具有重要实用价值。对旧水泥混凝土进行碎石化沥青罩面，具有较好的抗车辙、抗疲劳性能，也具有较好的适用性与工程经济性，是一种耐久经济环保型旧路改造加铺技术[1]。

1 碎石化加铺改造结构

对旧水泥路面进行碎石化加铺改造是一项绿色环保、道路资源再生循环利用的路面再生技术，是旧水泥路面大修或改造工程中最重要的综合利用技术手段。其技术特点为：水泥混凝土路面使用状况较差时，对旧水泥混凝土面板进行碎石化，经破碎，旧路面板由不均一损坏的“大板块”转化为均匀稳定散体的“小板块”，旧水泥混凝土碎石化层所受温度应力及荷载应力大大减小。同时经过碎石化和施工碾压成型，碎石化层整体形成了嵌挤连锁、较高强度的可承载结构。然而，由于碎石化层结构强度存在不均匀、不稳定的问题，需要设置过渡层。考虑到过渡层的结构补强、强度均匀化、防反射裂缝，以及降低工程造价等因素，结合已有技术成果和工程实践，采用加铺20cm级配碎石粒料基層进行过渡，起到强度均匀化、结构补强等作用。同时，粒料基层可有效地阻断裂缝尖端的应力扩展路径，减少沥青罩面的反射裂缝发生隐患。旧水泥路面碎石化+级配碎石属于柔性基层类，随着地方普通公路运输重载交通的增长，需要对该种沥青罩面结构重载作用下力学响应进行验证分析研究。因此本文针对碎石化沥青罩面结构，利用有限元建模计算分析了旧水泥路面碎石化后沥青罩面结构在重载作用下的力学响应，本文可为旧水泥路面碎石化沥青罩面工程提供技术参考。

2 有限元建模计算

本文对旧水泥路面碎石化后的沥青罩面结构采用轴对称模型进行计算分析，选取路面结构对称模型的1/2进行建模。本文采用某地方公路大修工程公路结构建立计算模型，选用多层路面结构进行分析，其路面结构自上而下为沥青混凝土面层、级配碎石层、旧水泥路面碎石化层，路面模型宽选为4m，面层、基层、土基结构层厚度、各结构层弹性模量及泊松比等计算参数如表1所示[2，3]。

根据该结构模型受力特点，边界条件假定为：路基底面约束固定、不产生竖向位移（位移条件为0），模型侧面及对称面的边界约束固定、不产生水平位移（X方向位移为0），沥青面层、粒料层、碎石化层、基层等相邻结构层间均为完全连续接触。根据二维平面模型计算方法，本数值模型荷载作用类型采用单元荷载，加载如图1所示，当单元直径D为30.4cm，荷载均布压力P为0.7MPa。

3 重载力学响应分析

采用上述结构模型，本文计算分析了旧水泥路面碎石化后沥青罩面结构在重载作用下的力学响应，交通荷载分别考虑为0.7MPa、0.9MPa、1.1MPa、1.4MPa。

3.1 承载力响应

在荷载作用下，路基和路面各结构层在不同深度处竖向变形位移累计总和即为路面弯沉[4]，是反映路面结构整体刚度和承载力的重要指标。本文采用路表弯沉值指标，分别计算分析了级配碎石层模量变化（300～800MPa）对旧水泥路面碎石化后加铺沥青罩面结构的路表弯沉的影响，计算结果如图2所示。不同轮载作用下的变化对旧水泥路面碎石化后加铺沥青罩面结构的路表弯沉的影响，如图3所示。

由图2可知，旧水泥路面碎石化加铺级配碎石沥青罩面结构承载力与级配碎石层模量密切相关，路表弯沉随级配碎石层的模量增加而减小，设置粒料基层的沥青路面设计弯沉一般≤40（0.01mm），因此，旧水泥路面碎石化加铺级配碎石模量控制宜≥500MPa。由图3可知，旧水泥路面碎石化加铺级配碎石沥青罩面结构路表弯沉对重载敏感，路表弯沉随轮载增大而增大，几乎呈线性关系。综上所述，旧水泥路面碎石化加铺级配碎石沥青罩面结构为获得良好的结构整体承载力，降低路表弯沉，可采取大粒径级配碎石基层或添加低剂量水泥的级配碎石基层技术，以提高级配碎石层的模量。

3.2 应力响应

在重载交通下，拉应力破坏和剪应力破坏是沥青路面结构内部最不利受力。因此，根据旧水泥路面碎石化加铺级配碎石沥青罩面属于粒料柔性基层的结构特点，在本文结构力学分析中，重点研究分析了沥青层底的拉应力、剪应力等关键力学指标的响应。

3.2.1 拉应力响应

为寻找旧水泥路面碎石化后加铺沥青罩面结构最大拉应力区发生的层位，计算分析了在轮载中心位置下路面结构内部的不同轮载作用下的拉应力分布，计算结果如图4所示。计算结果表明：本文结构内部最大拉应力区主要出现在约0.1m深度层位（沥青层底）、0.6～0.9m深度层位（旧路半刚性基层层底），这两个层位也正是路面结构力学需重点考虑防范拉应力破坏的层位，其中最大拉应力区发生在级配碎石层顶的沥青层底位置。因此，在采用级配碎石过渡基层时要重点考虑粒料基层带来的沥青层底拉应力破坏问题，适当提高级配碎石的强度、提高抗变形能力，有利于减小沥青层底拉应力分布。

為揭示重载交通对本结构沥青层底拉应力的影响规律，计算了重载作用下该结构沥青层底拉应力大小变化，计算结果如图5所示。结果表明：沥青罩面层底应力对重载作用敏感性较强，沥青罩面层底水平拉应力随重载的增加而增加，超载100%时，应力峰值为0.06MPa，虽远小于沥青混合料的抗拉强度，但仍存在发生拉应力疲劳破坏的较大隐患。因此，在该结构中，除增加级配碎石的强度和模量以减小沥青层底拉应力水平外，还应提高沥青混合料的柔韧性和抗疲劳性能以适应沥青层底拉应力作用，如采用橡胶沥青等骨架密实型沥青混合料。

3.2.2 剪应力响应

在重载交通荷载作用下，沥青路面结构内部产生的剪应力是沥青路面发生流动性车辙病害的主要影响因素。已有研究表明，沥青面层内的最大剪应力一般出现在轮载外侧边缘的垂直线上，在轮胎外边缘附近的垂直线上出现剪应力峰值。本文计算分析了在不同重载水平下，该路面结构层内最不利位置上的剪应力分布及其随重载增加而产生的变化，计算结果如图6所示。

由图6可知：（1）该结构路面结构层内的剪应力区>0.1MPa的剪应力主要分布在10cm范围内，恰好为整个路面沥青层;（2）随路面深度的增加，沥青路面结构内部的剪应力先增加，剪应力在沥青面层中部位置达到峰值点后，随深度增加而衰减，剪应力最大峰值出现在5cm附近，即9cm沥青面层的中部位置区域;（3）随着轮载的增大，面层内剪应力峰值增大，出现的深度略有增加。由此分析可知：在旧水泥路面碎石化后加铺沥青罩面结构中，剪应力影响区主要贯穿于整个沥青层，并且随着重载的增加，沥青层内最大剪应力增加;重载作用下，该结构因剪应力发生车辙的可能性较大。因此，为防止该结构因剪应力发生车辙变形类病害，应提高9cm沥青面层的抗车辙能力，采用改性沥青骨架密实型抗车辙混合料，如橡胶改性沥青混合料等。

4 结语

本文通过计算分析在不同重载水平下旧水泥路面碎石化后加铺级配碎石基层沥青罩面结构力学响应，得到如下结论：

（1）本文路面结构承载力与级配碎石层模量关系密切，路表变形（弯沉）随重载增加明显。同时，该结构虽然具有良好的应力协调性，能大幅削弱反射裂缝的发生，但是也带来沥青层底拉应力较大的问题。因此级配碎石加铺层应适当提高强度和模量，以提高结构承载力，减小沥青层底拉应力等，建议采用大粒径级配碎石基层或添加低剂量水泥的级配碎石基层技术。

（2）在本文路面结构中，重载对本结构内的剪应力影响较大，尤其是在沥青层内随着重载的增加剪应力峰值增加明显，对沥青混合料的抗车辙性能提出了较高要求，应对混合料进行抗车辙优化设计。因此，当采用旧水泥路面碎石化后加铺级配碎石基层沥青罩面结构，建议沥青面层采用橡胶沥青等骨架密实型改性沥青混合料技术，以提高面层混合料的抗车辙性能和抗疲劳性能。

参考文献：

[1]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.

[2]张洪刚，黄 慧，岳爱军，等.旧水泥路面碎石化加铺级配碎石与沥青罩面结构组合设计参数研究[J].公路工程，2012，37（1）：19-22.

[3]张洪刚，黄 慧，岳爱军.不同结构类型的旧路改造升级沥青罩面结构的力学响应研究[J].公路工程，2013，38（1）：129-132.

[4]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].上海：同济大学出版社，2003.