基于旧路面破碎效果的加铺层结构荷载适应性研究

邹志发，李 均

(深圳惠盐高速公路有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

在重载交通荷载的作用下，水泥混凝土路面普遍存在断板、唧泥、错台、板底脱空等病害，使其服务水平降低，严重影响行车的安全性和舒适性。目前，国内修复水泥混凝土路面病害时普遍采用加铺沥青混凝土的方式[1-4]恢复旧路服务质量；并且对板底脱空严重、断板率过高的路段，必须先对旧水泥混凝土板进行破碎，再加铺沥青混凝土层，从而避免后期加铺层出现反射裂缝[5-7]。但旧水泥混凝土板破碎后模量变异性较大，增加了加铺层结构设计难度，而目前针对以破碎后实际承载能力确定路面加铺结构设计方法的研究较少[8-10]。本文以国内某高速公路改扩建工程为依托，拟定了3种路面加铺结构方案，采用有限元软件构建路面加铺层结构数值模型，探索不同破碎效果时路表弯沉、基层层底拉应力、面层最大剪应力变化规律，确定路面加铺结构荷载的适应性。

1 工程概况

旧水泥混凝土路面存在错台、裂缝等病害，断板率高，只有充分破碎旧水泥路面才能有效减少加铺层反射裂缝。采用共振碎石化技术对旧路面进行破碎，全线碎石化顶面回弹模量在100～1 000 MPa之间。

2 路面加铺层结构数值模型

2.1 模型构建

路面结构为弹性层状体系，由沥青加铺层、防裂夹层、水泥混凝土路面和基础组成，建立空间三维模型。沥青加铺层、水泥混凝土路面和基础等结构层采用8节点实体单元、薄夹层采用三维薄膜单元进行应力、应变及位移分析。模型及坐标系如图1所示。

图1 结构计算模型

对各结构层作如下假定：各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体；各层间竖向、水平位移均连续；基础底面各向位移为零，基础侧面水平方向位移为零；不计路面结构的自重影响；接缝宽度为1 cm，且接缝处无传荷能力。

水泥混凝土路面板长5 m，宽4.5 m，厚度为22 cm。通过取不同尺寸计算误差，将基础扩大尺寸拟定为10 m×4.5 m×9 m。行车荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压为0.7 MPa，单个轮压作用范围为18.9 cm×18.9 cm，接触面积为357.21 cm2，双轮间距为32 cm，两侧轮隙间距为182 cm。通过对不同荷位进行计算分析和比较可知，车轮荷载作用在接缝一侧中部的偏荷载对加铺层最为不利，布载方式如图2、3所示。

图2 车轮布载平面

图3 接缝处车轮荷载示意

对比分析接缝处单、双侧轮载得知，对称轴上的单侧轮载比双侧荷载对加铺层产生的不利影响更大，计算时仅考虑对称轴上的单侧荷载作用。图2中A点为加铺层底计算点，1、2点为弯沉及弯沉差计算点。为满足计算精度要求，对各关键部位，如接缝及其附近加铺层结构，进行网格细化，经过误差分析，最后取最小单元边长为0.005 m。

2.2 模型计算参数

各方案加铺层结构如表1所示，有限元模型材料参数的取值参考了《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)及国内外相关研究成果，各结构层材料参数如表2所示。

表1 计算路面结构

3 路面加铺设计方案承载力分析

3.1 不同破碎效果的路表弯沉分析

路表弯沉是评价路面结构承载能力的重要指标。为了分析不同设计方案下加铺结构的承载能力，对设计方案一和设计方案二在不同基础模量下的路表弯沉值进行了对比分析，计算结果如图4、5所示。

表2 各结构层材料参数

图4 标准轴载作用下的路表弯沉

图5 轴载200kN作用下的路表弯沉

利用SPSS软件对以上弯沉计算数据进行处理，采用系统聚类及Bayes判别分析方法[11]将路表弯沉数据分为三类，分别对应阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，并确定其分界范围，再通过插值法计算出相应基础模量的分界点(临界值)，其中阶段Ⅰ为曲率急剧变化阶段，阶段Ⅱ为过渡阶段，阶段Ⅲ为曲率平缓阶段。根据计算结果可以得出以下几点结论。

首先，加强水泥凝土施工的技术交底，严格要求施工人员有较强的责任心和质量意识，遵循施工规范开展混凝土捣振，杜绝出现过振、漏振、不密实现象，浇筑期间严谨填塞杂物，不得带水开展混凝土施工，严禁在浇灌混凝土中加水。

(1)当基础模量小于250 MPa时，在标准轴载和重载作用下，设计方案一的路表弯沉值都显著增大。标准轴载作用下最大弯沉值为0.95 mm，重载作用下弯沉值达到1.9 mm，说明当破碎混凝土板顶面回弹模量小于250 MPa时，设计方案一路面结构承载力下降较为严重。

(2)设计方案二由于设置了水泥稳定碎石半刚性基层，路面结构承载力增强，当基础模量小于250 MPa时，路表弯沉有所增大，但增加幅度小于设计方案一，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较低时设置半刚性基层能够提高加铺层结构承载力。

(3)当基础模量大于460 MPa时，随着基础模量增大，各方案路表弯沉值变化速率有所减缓，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较高时，2种设计方案均具有良好的承载能力。

3.2 不同破碎效果的基层层底拉应力分析

结构层底部的最大拉应力是表征加铺层结构性能的重要指标。为了分析不同破碎效果时设计方案加铺结构的抗开裂性能，对设计方案一和设计方案二在不同基础模量下的ATB基层层底拉应力进行了对比分析，计算结果如图6、7所示。

图6 标准轴载作用下的层底拉应力

图7 轴载200 kN作用下的层底拉应力

采用系统聚类及Bayes判别分析方法将层底拉应力数据分为三类[12-13]，分别对应阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，并得到其各自分界范围，再通过插值法计算出相应基础模量的分界点(临界值)。

根据以上计算结果可以得出以下几点结论。

(1)标准轴载作用下，基础模量小于250 MPa时设计方案一层底拉应力显著增大，最大拉应力达到0.672 MPa，接近材料破坏强度；设计方案二层底拉应力最大为0.341 MPa，小于材料破坏强度，设计方案二承载能力优于设计方案一。

(2)重载作用下，基础模量小于170 MPa时，设计方案一的层底拉应力显著增大，最大达到1.344 MPa；设计方案二设置半刚性基层后路面结构承载力增强，基础模量小于170 MPa时，层底拉应力增加，但增加幅度小于设计方案一，最大为0.682 MPa，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较低时设置半刚性基层能够提高加铺层结构承载力。

(3)根据以上分析结果，当破碎混凝土板顶面回弹模量小于250 MPa时，设计方案一对于重载的适应性较差；破碎混凝土板顶面回弹模量小于170 MPa时，重载作用下设计方案二的层底拉应力接近材料破坏强度。因此，破碎混凝土板顶面回弹模量大于250 MPa时采用设计方案一更加经济，破碎混凝土板顶面回弹模量在170～250 MPa之间时采用设计方案二更加安全，破碎混凝土板顶面回弹模量小于170 MPa时应增加基层厚度，提高加铺层承载力。

3.3 不同破碎效果的面层最大剪应力分析

最大剪应力是衡量结构抗反射裂缝性能的主要指标。为了评价设计方案的抗剪性能，对设计方案一和设计方案二加铺层结构面层的最大剪应力进行了对比分析，计算结果如图8、9所示。

图8 标准轴载作用下面层剪应力

图9 轴载200 kN作用下面层剪应力

利用SPSS软件对上述数据进行处理，采用系统聚类及Bayes判别分析方法，将面层剪应力数据分为三类，分别对应阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段Ⅲ，并得到其各自分界范围，再通过插值法计算出相应基础模量的分界点(临界值)。根据以上计算结果可知以下几点。

(1)当基础模量小于240 MPa时，标准轴载和重载作用下设计方案一的面层最大剪应力均显著增加，标准轴载作用下最大剪应力为0.498 MPa，重载作用下剪应力达到0.996 MPa，说明破碎混凝土板顶面回弹模量小于240 MPa时，设计方案一承载能力降低。

(2)设计方案二设置半刚性基层后路面结构承载力增强，当基础模量小于233.1 MPa时，面层最大剪应力增加，但增加幅度小于设计方案一，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较低时设置半刚性基层能够提高加铺层结构的承载力。

(3)当基础模量大于480 MPa时，随着基础模量增大，各方案面层最大剪应力变化速率有所减缓，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较高时，2种设计方案均具有良好的承载能力。

综合以上弯沉、层底拉应力及面层剪应力分析结果，以系统聚类及Bayes判别分析方法确定的曲率急剧变化点为临界点，得出设计方案的适用条件为：破碎混凝土板顶面回弹模量大于250 MPa时采用设计方案一更加经济；破碎混凝土板顶面回弹模量在170～250 MPa之间时采用设计方案二更加安全；破碎混凝土板顶面回弹模量小于170 MPa时应增加基层厚度，提高加铺层承载力。

4 结 语

(1)当基础模量小于250 MPa时，设计方案一路面结构承载力下降较为严重，设计方案二设置了水泥稳定碎石半刚性基层，路面结构承载力下降幅度小于设计方案一。这说明破碎混凝土板顶面回弹模量较低时设置半刚性基层能够提高加铺层结构承载力。

(2)当基础模量大于460 MPa时，随着基础模量增大，路表弯沉值变化速率有所减缓，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较高时，具有良好的承载能力。

(3)重载作用下，基础模量小于170 MPa时，设计方案一的层底拉应力显著增大，设计方案二的层底拉应力增幅小于设计方案一，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较低时设置半刚性基层能够提高加铺层结构承载力。当破碎混凝土板顶面回弹模量在170～250 MPa之间时，应加铺半刚性基层提高加铺层结构承载力。

(4)当基础模量大于480 MPa时，随着基础模量增大，面层最大剪应力变化速率有所减缓，说明破碎混凝土板顶面回弹模量较高时，具有良好的承载能力。