舊瀝青路面坑槽對(duì)水泥混凝土加鋪層的力學(xué)影響

□文/呂耀龍 韓湘屏 薛 文

在舊瀝青路面上加鋪水泥混凝土層（又稱白色罩面）是一項(xiàng)廣泛應(yīng)用的路面維修技術(shù)，主要用來提高己有公路的結(jié)構(gòu)承載能力。白色罩面的施工程序主要為舊瀝青路面修補(bǔ)、糾正路面的外形偏差、攤鋪水泥混凝土路面。國外應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)表明，水泥混凝土加鋪層比瀝青加鋪層更堅(jiān)固耐久，是一個(gè)低投資、低養(yǎng)護(hù)費(fèi)用的剛性加鋪層。

在舊瀝青路面上加鋪混凝土面層，混凝土面板的設(shè)計(jì)是采用新路的混凝土面板設(shè)計(jì)理論的，在計(jì)算時(shí)，認(rèn)定混凝土板厚是均勻一致的。但是，在舊瀝青路面改建施工中有很多情況下，混凝土板的板厚是不一致的，有的部分混凝土板厚是超過設(shè)計(jì)值的。例如，原瀝青路面坑槽部分修補(bǔ)若與混凝土面板同時(shí)澆注，那么混凝土面板厚度就會(huì)超過設(shè)計(jì)的厚度，可能導(dǎo)致理論計(jì)算時(shí)的溫度翹曲應(yīng)力與實(shí)際上混凝土板產(chǎn)生的溫度翹曲應(yīng)力存在偏差。本文通過對(duì)舊瀝青路面水泥混凝土加鋪層的溫度力學(xué)分析，研究原路面坑槽位置、舊瀝青層模量、重載作用對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響，為舊瀝青路面加鋪水泥混凝土層提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

舊瀝青路面加鋪水泥混凝土層有限元計(jì)算模型

采用ANSYS軟件對(duì)影響路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，不考慮路面各結(jié)構(gòu)層自重的影響，假定土基底面固定、四邊自由，建立三維有限元模型。見圖1。

圖1 水泥混凝土加鋪層有限元模型

（1）單元類型。水泥混凝土加鋪層采用各向同性的SOLID95單元，舊瀝青混凝土層及土基采用各向同性的SOLID45單元?？紤]到計(jì)算速度的影響,假設(shè)材料組成具有各向同性的線彈性特性。接觸單元選用TARGET 170目標(biāo)單元、CONTACT 173 3-D表面接觸單元。

（2）行車荷載。JTGD 40-2002《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100,輪胎接地壓強(qiáng)為0.7 MPa，當(dāng)量圓半徑為10.65 cm，兩輪中心距為1.5d。為了計(jì)算方便,車輪荷載簡化為18.9 cm×18.9 cm的正方形均布荷載,接觸面積為357.21 cm2，雙輪中心距32 cm，由于模型和荷載具有對(duì)稱性，可取其中1/4進(jìn)行分析以節(jié)省程序運(yùn)行的時(shí)間。

（3）材料參數(shù)。水泥混凝土模量為34 000 MPa，泊松比為0.15。舊瀝青混凝土模量為200～1 000 MPa，泊松比為0.25，基層頂面當(dāng)量回彈模量為30 MPa，泊松比為0.35，水泥混凝土板平面尺寸為4 m×6 m，舊瀝青層及加鋪層厚度為變量。水泥混凝土加鋪層導(dǎo)熱系數(shù)9.125×10-2W/（m·K），熱膨脹系數(shù) 3.661×10-8/K；舊瀝青層導(dǎo)熱系數(shù) 4.393×10-2W/（m·K），熱膨脹系數(shù)2.929×10-7/K；基層頂面當(dāng)量回彈摸量導(dǎo)熱系數(shù)3.112×10-2W/（m·K），熱膨脹系數(shù) 1.647×10-7/K。

（4）臨界荷位。水泥混凝土板縱縫邊緣。

舊路路面坑槽水泥混凝土加鋪層應(yīng)力分析

舊瀝青路面由于交通荷載的重復(fù)作用，面層局部出現(xiàn)坑槽，對(duì)舊瀝青路面有坑槽部分修補(bǔ)時(shí)若采用與混凝土面板同時(shí)澆注，水泥混凝土板受力會(huì)受到一定影響。同時(shí)坑槽位置及坑槽面積不同也會(huì)對(duì)路面受力產(chǎn)生不同影響。

本文選取相對(duì)加鋪層板板角、板中、縱縫邊緣有坑槽修補(bǔ)時(shí)，對(duì)路面進(jìn)行力學(xué)分析?？硬畚恢靡妶D2和圖3。

圖2 舊路面坑槽位置示意

圖3 路面縱斷面

車輛荷載作用于縱縫邊緣中部，路表溫度變化前路面各結(jié)構(gòu)層的平均溫度為0℃，降溫后舊瀝青層底面溫度為-10℃，有限元計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 加鋪層板底應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，舊路坑槽位于板中時(shí)，水泥混凝土加鋪層板底荷載應(yīng)力最大；坑槽位置從板中向板邊靠近時(shí)，水泥混凝土加鋪層荷載應(yīng)力隨之減小。加鋪層底的荷載應(yīng)力隨之坑槽面積的的增加有逐漸減小的趨勢，但變化不明顯。板角有坑槽時(shí)溫度應(yīng)力值最大，隨加鋪層面積的增大有減小的趨勢。對(duì)于荷載與溫度應(yīng)力的耦合作用，坑槽位于板中時(shí)應(yīng)力最大，隨坑槽面積的變大而逐漸變小。這就表明，位于加鋪層板中的舊路上的小坑槽對(duì)加鋪后的路面結(jié)構(gòu)影響最大。

此外，通過對(duì)舊瀝青路面坑槽修補(bǔ)后加鋪與不修補(bǔ)直接加鋪相比，板底最大彎拉應(yīng)力坑槽無修補(bǔ)要小于直接加鋪時(shí)的應(yīng)力。因此，對(duì)于舊路病害，建議加鋪前進(jìn)行修補(bǔ)，以利于加鋪后水泥混凝土面層的受力。

舊路面瀝青層模量變化對(duì)加鋪層應(yīng)力的影響

考慮車輛荷載與溫度荷載作用情況，由于溫度作用對(duì)加鋪層的影響要遠(yuǎn)低于車輛荷載作用的影響，即溫度荷載對(duì)疲勞壽命的影響比車輛荷載的影響要低，所以本文取板中坑槽部分修補(bǔ)后再加鋪以及舊瀝青層參數(shù)變化對(duì)路面受力影響。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 瀝青層模量對(duì)路面應(yīng)力影響分析計(jì)算結(jié)果 MPa

由表2可以看出，舊瀝青路面坑槽位于加鋪層板中，層間連續(xù)時(shí)，車輛荷載及溫度荷載引起的路面應(yīng)力隨舊瀝青路面模量的增大而減小，當(dāng)舊瀝青層模量由500 MPa增加到1 500 MPa時(shí)，荷載應(yīng)力減小了8.78%，而溫度與荷載耦合應(yīng)力減小了14.78%；層間光滑時(shí)，溫度與荷載應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響隨舊路回彈模量的變化很小，當(dāng)舊瀝青層模量由500 MPa增加到1 500 MPa時(shí)，荷載應(yīng)力幾乎沒有變化，而耦合應(yīng)力僅從2.69 MPa變化到2.68 MPa。因此，在舊路加鋪前，應(yīng)采取提高舊路面與水泥混凝土加鋪層間的粘結(jié)能力的措施，改善層間接觸狀態(tài)，降低加鋪層底的溫度與荷載應(yīng)力。

重載作用對(duì)水泥混凝土加鋪層力學(xué)影響

取板中坑槽部分修補(bǔ)后，輪胎與路面接觸單位壓力為0.9、1.1、1.3和1.5 MPa研究重載作用對(duì)水泥混凝土加鋪層的影響。加鋪層與原路面滑動(dòng)接觸時(shí)（即路面受力最不利情況）進(jìn)行分析。有限元計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 超載對(duì)水泥混凝土加鋪層底耦合應(yīng)力影響分析計(jì)算結(jié)果

由表3可知，加鋪層厚度為28 cm，輪胎與路面接觸單位壓力從0.7 MPa增加到1.5 MPa時(shí)，路面板底彎拉應(yīng)力由2.92 MPa變化到5.08 MPa，增大了將近1倍；由此可以看出，車輛荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成的損傷很大，這也說明了在重載交通路段，路面易發(fā)生破壞的原因。此外，也可以看出，加鋪層厚度對(duì)耦合應(yīng)力也有著重要的影響，只要保證一定的加鋪層厚度，就能確保加鋪的工程質(zhì)量。

結(jié)語

白色罩面是在舊瀝青路面上直接攤鋪而成，這種技術(shù)不僅能夠節(jié)約資金，而且能夠最大程度地利用舊瀝青路面，達(dá)到新的使用要求。本文通過對(duì)舊瀝青路面上加鋪水泥混凝土層的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，研究舊路面坑槽位置、舊路面瀝青層的模量對(duì)加鋪層的影響，為舊瀝青路面加鋪水泥混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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