共振碎石化沥青加铺层层底弯沉影响因素模拟分析

杨 洋 冯德梁

(成都清正公路工程试验检测有限公司, 成都 610041)

共振碎石化沥青加铺层层底弯沉影响因素模拟分析

杨 洋 冯德梁

(成都清正公路工程试验检测有限公司, 成都 610041)

为了更好地指导共振碎石化水泥混凝土施工技术的设计及施工生产。以四川成都崇州市华怀路崇双段旧线路面改造工程为依托，通过建立及计算ANSYS模型，分析沥青加铺层层底弯沉影响因素，同时得到沥青加铺层推荐厚度。研究结果可为今后碎石化道路施工及设计提供依据。

共振碎石化; ANASYS; 影响因素

引言

近年来，国家经济快速发展，重载交通逐年增加，导致水泥混凝土路面经常出现不同程度地损害，行车的舒适性和安全性大大降低，使得大量混凝土路面须养护。过去主要采取翻修或加铺混凝土的模式，但是翻修成本太高，而加铺又很难防止反射裂缝。对此，成都开始引进共振碎石化水泥混凝土路面维护技术。共振碎石化施工技术是在特制振动体振动下，与水泥混凝土路面产生共振谐波，导致路面层内造成相对均匀的裂纹，并随着振动迅速有规律地扩展而得到破碎，把旧水泥混凝土板的刚性改为柔性，生成新路面的结构层[1-3]。本文先用ANSYS软件数值模拟分析共振碎石化沥青加铺层层底弯沉的影响因素，然后以四川成都崇州市华怀路崇双段旧线路面改造工程作实例验证研究。

1 计算模型与参数

1.1 模型选择

通过对成都崇州市华怀路崇双段旧线水泥混凝土路面大部分路段路况调查，结合以前设计施工的相关资料。拟定ANSYS计算水泥混凝土路面破碎板的基本模型为10.0m×4.5m×23.0cm；通过取不同尺寸的地基进行误差分析，计算指标收敛验算，拟定地基扩大基础尺寸为12.0m×6.5m×9m(图1)。同时对各结构层作如下假定：

1)各结构层为均匀、连续、各向同性的连续弹性体；

2)各层层间竖向、水平位移均连续；

3)地基底面各向位移为零，地基侧面水平方向位移为零；

4)不计路面结构的自重影响。

图1 结构计算基本模型(单位：cm)

1.2 参数选择

水泥混凝土路面共振碎石化破碎后，一般主要分为上下两层，上层粒径范围为0-4cm，其结构类似于混凝土细集料的结构形式[4]，其压实后的弹性模量较低。经过现场检测，碎石化上层弹性模量为78MPa、160MPa、260MPa，核定碎石化上层弹性模量150MPa；行车荷载均采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压0.7MPa，单个轮压作用范围18.9cm×18.9cm，接触面积为357.21cm2，双轮间距为32cm，两侧轮隙间距为182cm；其他参数如表1。经过不同荷载计算分析比较、车道划分，考虑到水泥混凝土路面板共振碎石化层的粒径分布、嵌挤状态及材料属性进行网格细化后加载(图2)。

表1 主要计算参数

图2 加载后应力云图

1.3 目标选择

沥青路面底层产生最大主应力σ1、等效应力σe及最大剪应力τmax的破坏，都将产生裂纹；与此同时，弯沉也会较大。根据施工过程在路基路面本身承载能力检测时，主要检测各受力层的弯沉指标；在路面施工完成后，在同一平面坐标内，沥青加铺层底的弯沉层顶的弯沉值一致(扣除沥青混凝土的压缩变形)。为了便于计算，在本文中主要研究受荷中心处沥青加铺层层底弯沉。

2 沥青加铺层层底弯沉影响因素分析

2.1 碎石化层厚度对沥青加铺层弯沉的影响

不同碎石化上、下层厚度组合的加铺层弯沉计算模型、参数与其荷载应力计算模型、参数一致，受荷中心处加铺层层底弯沉计算结果显示(图3)，随着碎石化上层变厚与下层变薄，即从上层4cm+下层19cm到上层19cm+下层4cm的碎石化结构模型，荷载中心加铺层层底弯沉值增加了34.8%，碎石化上层不宜太厚，一方面，上层太厚将增加碎石化生产成本，另一方面，对加铺结构受力产生不利影响，增加了加铺层层底弯沉，影响沥青加铺层的使用寿命；碎石化上层也不宜太薄，尽管降低了生产成本，但粒径为0-4cm范围的碎石较少，导致下层结构未形成有效的嵌挤结构，其稳固性难以保证，进而形成强度有限，为改造后的路面埋下质量隐患。权衡沥青加铺层结构受力、碎石化工艺特点[4]，碎石化上层宜为10cm，下层宜为13cm。

图3 碎石化上下层厚对其弯沉影响图

图4 加铺层模量对其弯沉的影响

图3注：其中横轴“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”分别代表上层4cm+下层19cm、上层8cm+下层15cm、上层10cm+下层13cm、上层12cm+下层11cm、上层16cm+下层7cm、上层19cm+下层4cm的碎石化结构。

2.2 沥青加铺层模量对其弯沉的影响

根据第一步计算结果，取其碎石化上层为10cm，下层为13cm。其它计算参数与其荷载应力计算参数一致。计算结果显示(图4)，适当增大沥青加铺层的模量，其层底弯沉随之减小，但加铺层模量对层底弯沉影响不明显(受荷中心处加铺层层底弯沉显示加铺层模量从800MPa增大到2 200MPa时，受荷中心处加铺层层底弯沉逐渐减小，从0.415mm减小到0.359mm，减小了13.5%)。当然，适当增大沥青加铺层模量，有利于路面结构的稳定和抗车辙形变能力的提升，以此为沥青加铺层的材料选取提供重要参考。

2.3 沥青加铺层厚度对其弯沉的影响

根据计算不同厚度沥青加铺层的受荷中心处加铺层层底弯沉，其结果显示(图5)，加铺层厚度从10cm增大到24cm时，受荷中心处加铺层层底弯沉逐渐减小，10cm厚时弯沉为0.514mm，24cm厚加铺层弯沉减小到0.337mm，弯沉减小幅度34.4%，平均每增加1cm厚的沥青加铺层(Ea=1 200MPa)可减小弯沉0.024 6mm，即平均效果为2.46%/cm，这与美国加铺层结构设计方法(AI)提出的加铺层厚度的平均效果为2.0%/cm～5.0%/cm的结论基本一致。

图5 加铺层厚度对其弯沉的影响

图6 地基模量对其影响

2.4 地基模量的变化对沥青加铺层弯沉的影响

受荷中心处加铺层层底弯沉显示地基模量对加铺层层底的弯沉值影响非常大(图6)。随着地基模量的增加，加铺层层底的弯沉值逐渐降低；当地基模量从50MPa增大到500MPa时，加铺层层底的弯沉减小了73.4%，其中地基模量从50MPa到150MPa，这一阶段弯沉减少幅度最大，降低了50.4%，降低效果为0.50%/MPa；而当地基模量从200MPa到500MPa，这一阶段弯沉值变化幅度稍小，降低幅度为36.6%，降低效果为0.12%/MPa，弯沉值变化也趋于平缓。为控制水泥路面碎石化沥青加铺结构的弯沉值，有效防止弯拉型反射裂缝，地基综合强度应保持在150MPa以上。

2.5 碎石化下层模量变化对加铺层弯沉的影响

受荷中心处加铺层层底弯沉计算结果显示(图7)，随着碎石化下层模量的增大，沥青加铺层层底弯沉逐渐降低。当碎石化下层模量从800MPa增至2 400MPa，加铺层层底弯沉降低了4.88%，降低效果为0.003%/MPa，但碎石化下层模量从3 200MPa增至9 600MPa，加铺层层底弯沉降低了5.45%，降低效果为0.000 8%/MPa，可见，碎石化层下层模量大于2 400MPa以后，其模量的变化对于沥青加铺层层底弯沉影响不大，降低效果很有限，碎石化下层模量在2 000MPa左右，沥青加铺层层底弯沉值不大，且具备较好的承载能力，共振碎石化工艺也容易实现，在结构中充当底基层的作用。

图7 碎石化下层模量对其弯沉的影响

3 共振碎石化后沥青加铺层推荐

3.1 推荐加铺层结构组合方式

水泥混凝土路面共振碎石化改造中，沥青加铺结构分别将碎石化层作为基层和底基层，与碎石化层相接的结构层底面的拉应力或拉应变都是控制因素，其施工控制的检测数据主要是弯沉。碎石化层的上下层颗粒粒径不同，导致下层的弹性模量存在较大差异。随着颗粒粒径变大时，其下层弹性模量随之增大。当碎石化后颗粒粒径偏大，回弹模量偏高时，可考虑采用开级配大粒径透水性沥青碎石(LSPM)加防水层的结构组合形式，其上沥青混凝土仍需采用密级配沥青混合料；当颗粒粒径偏小，回弹模量偏低时，要保证加铺层总厚度，可考虑设置细型级配沥青混合料(FDAC)抗疲劳层，以防止疲劳开裂及反射裂缝，其它沥青层仍需要密级配；当回弹模量小于120MPa时，需要考虑增设补强层，按照新建路面结构设计。

3.2 推荐的沥青加铺层厚度

典型结构设计中一个重要步骤是确定合理的参数及其分级，按照我国典型结构研究的一般做法，应将碎石化后沥青混凝土路面加铺典型结构按两个主要参数划分，即交通量和碎石化后的回弹模量。

1)交通量分级

参照《公路沥青路面设计规范 JTG D50-2006》和《公路水泥混凝土路面设计规范 JTG D40-2011》，发现沥青路面设计规范确定的交通量等级偏低，而公路水泥混凝土路面设计规范确定的交通量等级偏高(定义了极重交通)，并且覆盖的范围较宽，因此，结合成都市的交通量特点，适度细化调整交通量等级划分，划分标准总体处于两规范之间，沥青加铺结构设计可采用的各级公路交通量分级标准，见表2。

2)碎石化后顶面回弹模量分级

参照碎石化后顶面回弹模量的一般范围和可能出现的破碎程度较低或较高的情况，按表3对碎石化后顶面回弹模量分级。

3)碎石化后推荐厚度范围

根据ANSYS模拟计算结果，同时结合交通量和回弹模量分级标准，推荐的沥青加铺层典型结构见表4。

4 实例分析

4.1 工程概况

华怀路新崇双段支线原为一级路，虽未到使用年限，但路面由于多方面的原因，出现纵裂、横裂、角隅断裂、交叉裂缝、沉陷、磨损和露骨、接缝填料损坏等病害比较严重，且全线断板率达到20.7%。原水泥混凝土路面结构层设计为：原砂砾石路基+原路二灰碎石基层+23cm水泥混凝土路面板。改建设计中改为城市快速干道，双向四车道，道路设计车速60km/h。

根据ANSYS模拟分析结及表4的推荐，其路面设计结构为：原砂砾石路基+原路二灰碎石基层+23cm水泥混凝土路面板共振碎石化后压实作柔性基层(碎石化上层10cm，下层13cm)+加铺沥青混凝土面层(5cm厚上面层细粒式细型密级配改性沥青砼(AC-13C)+7cm厚下面层中粒式细型密级配改性沥青砼(AC-20C)+ATB-25沥青碎石调平层)。

4.3 沥青路面层现场弯沉及各项指标分析

沥青路面左幅面层按每500m对整条线路弯沉数据进行分段整理后，各结构层弯沉代表值基本处于平稳状态，且平行发展。(图8、图9)

表2 交通量等级划分

表3 碎石化后沥青加铺层结构组合选择

表4 共振碎石化后沥青加铺层厚度推荐范围(cm)

图8 全线左幅路面结构层各层分段弯沉平均值

图9 全线左幅路面结构层各层分段弯沉代表值

共振碎石化层弯沉代表值最大，基本处于60～80(0.01mm)之间，均小于弯沉设计值82(0.01mm)；而上面层弯沉代表值和下面层弯沉代表值差别不大，且基本位于30～40(0.01mm)之间，都小于上面层的40.1(0.01mm)和下面层的46.1(0.01mm)设计值，均满足设计要求。

5 结论

1)碎石化上层越厚，荷载中心加铺层弯沉值增加，综合考虑碎石化工艺特点，碎石化上层宜为10cm，下层宜为13cm。

2)沥青加铺层模量增大，一定程度上减小受荷中心处的弯沉；适当增加沥青加铺层的厚度，可减小加铺层弯沉。

3)地基模量的变化对水泥混凝土路面共振碎石化沥青加铺层结构弯沉值影响非常大，随着地基模量的增加，加铺层的弯沉值逐渐降低。为了提高地基的承载能力，地基的模量不宜太低，为控制水泥路面碎石化沥青加铺结构的弯沉值，地基综合强度应保持在150MPa以上。

4)根据共振碎石化后弹性模量和公路交通量，推荐水泥混凝土路面碎石化沥青加铺层合理厚度范围，为今后更好地指导水泥混凝土路面碎石化改造的设计及施工提供依据。

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Simulation Analysis on Deflection Influence Factors of Rubblizing Asphalt Layer Bottom Resonant

Yang Yang，Feng Deliang

(ChengduQingZhengHighwayEngineeringTestingCo.,Ltd.,Chengdu610041,China)

The goal of this article is to better direct the design and construction production for Resonant Pavement Breaker(RPB) cement concrete. The analysis is supported by Chongshuang old pavement renewal project in Chongzhou of Chengdu in Sichuan province. Building and calculating ANSYS module, it analyzes asphalt overlay bottom layer deflection influencing factors and obtains asphalt overlay recommend thickness. The research findings will provide reference for design and construction of rubbled slab in the future.

Resonant Pavement Breaker； ANASYS； Influcening Fators

杨洋(1982-)，男，工程师。主要研究方向：沥青路面、施工、检测及病害处治建议;冯德梁(1985-)，男，工程师。主要研究方向：桥梁隧道施工及检测、路基路面病害处治。

U416.2;TP391.99

A

1674-7461(2015)01-0075-05