施工車輛對二灰冷再生底基層的影響研究

秦 莉，何曉東，馬士賓

（1.天津市成套設(shè)備工程監(jiān)理有限公司，天津 300191；2.河北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，天津 300130；3.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

目前我國大量瀝青路面進(jìn)入維修和養(yǎng)護(hù)的高峰期，這就使得瀝青路面冷再生技術(shù)在我國公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中得到大面積的推廣使用.與此同時，二灰冷再生材料越來越多的應(yīng)用于瀝青路面的底基層.然而，近年來，瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象也日益嚴(yán)峻地暴露出來.造成路面早期破壞的原因很多，在施工過程中，由于各種影響因素變異性很大，對路面結(jié)構(gòu)的影響尤為重要[1].實踐表明，二灰冷再生底基層在較短的時間里難以達(dá)到規(guī)定的設(shè)計強度.由于路面結(jié)構(gòu)的施工是分層進(jìn)行的，在二灰冷再生底基層鋪筑后，在不同的時間施工基層，對已鋪筑的二灰冷再生底基層影響如何，是施工技術(shù)人員一直關(guān)心的問題[2].實際施工時，由于工期壓力較大，基層開始施工時，二灰冷再生底基層的強度往往還沒有達(dá)到設(shè)計強度，若施工車輛軸載過大，軸載作用就可能造成二灰冷再生底基層的一次性破壞.當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時，不僅底基層受到影響，而且還會影響到整個路面結(jié)構(gòu)的后期強度的增長，最終導(dǎo)致瀝青路面通車后發(fā)生大面積的早期破壞現(xiàn)象[3].

為探求基層施工期間，二灰冷再生底基層在汽車輪作用下路面的損壞類型和機理，本文首先通過室內(nèi)試驗研究，獲得了二灰冷再生材料不同齡期的各種路用性能.然后利用kenpave程序計算出齡期、施工車輛軸載、模量等因素作用下，彎沉和層底拉應(yīng)力的變化規(guī)律，提出針對具體的情況應(yīng)采取具體的施工方案和車輛管制措施[4].

1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算方法

1.1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

路面底基層采用二灰冷再生材料，通過對二灰冷再生材料的力學(xué)性能進(jìn)行試驗研究，獲得了不同齡期二灰冷再生材料的抗壓回彈模量[5].二灰冷再生路面結(jié)構(gòu)和不同齡期下二灰冷再生材料的抗壓回彈模量如表1所示.

表1 二灰冷再生路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)Tab.1 Structure and material parameters for lime-flyash cold recycling pavement

1.2 荷載的確定

本文借助于比利時的軸重與接地面積的經(jīng)驗公式，依據(jù)當(dāng)前我國道路的實際情況用下式(1)來計算不同軸載下當(dāng)量圓的面積[6].

式中： 為輪胎接地面積，cm2； 輪胎壓力，N.

課題組對施工現(xiàn)場的施工車輛現(xiàn)狀進(jìn)行了軸載專項調(diào)查，主要包括運料車、工程灑水車等一些工程施工車輛，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在路面各結(jié)構(gòu)層施工過程中，一些運料車、工程灑水車等施工車輛由于過量裝載，實際載重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其設(shè)計額定載重量，單軸軸重甚至?xí)_(dá)到20 t，其超載率比較嚴(yán)重.本文依據(jù)工地施工車輛現(xiàn)狀并結(jié)合對社會車輛的交通量調(diào)查，超載量取雙輪組單軸最大荷載為240 kN，計算時主要分析8種荷載的作用情況，其軸載計算參數(shù)見表2所示.

表2 軸重與輪胎接地面積、單輪當(dāng)量圓半徑的關(guān)系Tab.2 The relation between axle load and area of the tire touching ground and equivalent single wheel radius

1.3 計算點的選取

彎沉的計算點確定為路表雙圓均布垂直荷載的輪隙中心處，瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力的計算點與結(jié)構(gòu)層模量、層間接觸狀態(tài)有關(guān)，經(jīng)反復(fù)試算來確定.

2 二灰冷再生底基層養(yǎng)生7 d后鋪筑基層施工車輛對其的影響

2.1 冷再生層頂最大彎沉

表3 冷再生層養(yǎng)生7 d模量不同時冷再生層頂最大彎沉（0.01 mm）Tab.3 Max deflection of curing 7 d cold recycling layer roof with different modulus(0.01 mm)

分析表3，圖1和圖2可知：當(dāng)冷再生層模量一定的時候，冷再生層頂最大彎沉隨軸載的增加而增大.當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承受的軸載一定的時候，冷再生層頂最大彎沉隨著模量的提高而減小.但是隨著模量提高彎沉減小的幅度越來越小.當(dāng)模量由100 MPa提高到200 MPa時，彎沉減小的幅度很大.當(dāng)模量由200 MPa提高到300 MPa時，彎沉減小的幅度就較小了.可見，當(dāng)模量增大到一定程度后，模量對彎沉所起的作用就越來越小了.為了保證施工時車輛對路面造成的垂直變形不致太大，盡量控制二灰冷再生材料的模量在200 MPa左右.

圖1 冷再生層頂最大彎沉隨軸載變化圖Fig.1 Max deflection of cold recycling layer roof with different axle loads

圖2 冷再生層頂最大彎沉隨模量變化圖Fig.2 Max deflection of cold recycling layer roof with different modulus

2.2 二灰冷再生層底拉應(yīng)力

表4 冷再生層養(yǎng)生7 d模量不同時冷再生層底最大拉應(yīng)力（MPa）Tab.4 Max tension stress of 7d cold recycling layer bottom with different modulus(MPa)

圖3 冷再生層底最大拉應(yīng)力隨軸載變化圖Fig.3 Max tension stress of cold recycling layer bottom with different axle loads

圖4 冷再生層底最大拉應(yīng)力隨模量變化圖Fig.4 Max tension stress of cold recycling layer bottom with different modulus

分析表4，圖3和圖4可知：當(dāng)冷再生層模量一定的時候，冷再生層底最大拉應(yīng)力隨軸載的增加而增大.但是當(dāng)模量較小時，冷再生層頂最大彎沉隨軸載的增加的幅度較小.當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承受的軸載一定的時候，冷再生層底最大拉應(yīng)力隨著模量的提高而加大.但是隨著模量的提高拉應(yīng)力增大的幅度越來越大.特別是模量由200 MPa增加到300 MPa時，拉應(yīng)力有很大的提高.可見，為了防止太大的拉應(yīng)力造成路面的破壞，應(yīng)選擇模量盡量小的材料.二灰冷再生材料在7d時的劈裂強度在0.05～0.09之間，施工現(xiàn)場的車輛單軸軸重大約是18 t，為了保證路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞盡量控制二灰冷再生材料的模量在200 MPa左右，不要超過300 MPa.

3 二灰冷再生底基層養(yǎng)生14 d后鋪筑基層施工車輛對其的影響

3.1 冷再生頂最大彎沉

分析表5，圖5和圖6可知：當(dāng)冷再生層模量一定的時候，冷再生層頂最大彎沉隨軸載的增加而增大.當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承受的軸載一定的時候，冷再生層頂最大彎沉隨著模量的提高而減小.但是隨著模量的提高彎沉減小的幅度越來越小.

表5 冷再生層養(yǎng)生14 d模量不同時冷再生層頂最大彎沉（0.01mm）Tab.5 Max deflection of curing 14d cold recycling layer roof with different modulus(0.01mm)

圖5 冷再生層頂最大彎沉隨軸載變化圖Fig.5 Max deflection of cold recycling layer roof with different axle loads

圖6 冷再生層頂最大彎沉隨模量變化圖Fig.6 Max deflection of cold recycling layer roof with different modulus

3.2 二灰冷再生層底拉應(yīng)力

分析表6，圖7和圖8可知：當(dāng)冷再生層模量一定的時候，冷再生層底最大拉應(yīng)力隨軸載的增加而增大.但是當(dāng)模量較小時，冷再生層頂最大彎沉隨軸載的增加的幅度較小，例如冷再生層模量為200 MPa，軸載由100 kN增加到240 kN時，冷再生層底拉應(yīng)力才增加了0.003 MPa.當(dāng)路面結(jié)構(gòu)承受的軸載一定的時候，冷再生層底最大拉應(yīng)力隨著模量的提高而加大.且隨著模量的提高拉應(yīng)力隨軸載增大的幅度越來越大.可見，為了防止太大的拉應(yīng)力造成路面的破壞，應(yīng)選擇模量盡量小的材料.二灰冷再生材料在14d時的劈裂強度在0.07～0.17之間，施工現(xiàn)場的車輛單軸軸重大約是18 t，為了保證路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞盡量控制二灰冷再生材料的模量在300MPa左右，不要超過400 MPa.

圖7 冷再生層底最大拉應(yīng)力隨軸載變化圖Fig.7 Max tension stress of cold recycling layer bottom with different axle loads

圖8 冷再生層底最大拉應(yīng)力隨模量變化圖Fig.8 Max tension stress of cold recycling layer bottom with different modulus

4 二灰穩(wěn)定冷再生路面結(jié)構(gòu)基層施工時交通管制措施

二灰冷再生材料7 d的劈裂強度的范圍為0.05～0.09 MPa，分別研究其達(dá)到0.05 MPa、0.06 MPa、0.07 MPa、0.08 MPa、0.09 MPa時的交通管制措施.

表7 二灰冷再生底基層養(yǎng)生7d后基層施工時的交通管制措施Tab.7 Traffic control measures for base construction after lime-flyash cold recycling subbase curing 7 d

表8 二灰冷再生底基層養(yǎng)生14 d后基層施工時的交通管制措施Tab.8 Traffic control measures for base construction after lime-flyash cold recycling subbase curing 14 d

二灰冷再生材料7 d的劈裂強度的范圍為0.07～0.17 MPa，分別研究其達(dá)到0.07 MPa、0.09 MPa、0.11 MPa、0.13 MPa、0.15 MPa、0.17 MPa時的交通管制措施.

5 結(jié)論

本文通過運用kenpave力學(xué)分析軟件計算了基層鋪筑時，齡期、施工車輛軸載對二灰冷再生底基層的影響，重點研究了拉應(yīng)力、彎沉的變化規(guī)律.通過上面對二灰冷再生層鋪設(shè)7 d、14 d天在鋪設(shè)基層時，施工車輛對冷再生底基層影響的力學(xué)分析可知：冷再生底基層的模量對冷再生底基層頂?shù)膹澇梁偷谆鶎拥椎睦瓚?yīng)力影響很大，綜合施工時間等因素，可知，底基層鋪筑7 d后鋪設(shè)基層的方案較為優(yōu)越，即減短施工時間，也很好地控制施工車輛對底基層的影響.

[1]馬士賓，劉俊琴，王麗潔，等.基層鋪筑時施工車輛對石灰土底基層的力學(xué)影響分析 [J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，41（3）：92-96.

[2]侯昭光.冷再生基層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)影響因素分析 [J].重慶交通大學(xué)學(xué)報，2011，30（1）：44-47.

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[6]魏連雨，葛景峰，朱旭紅，等.季節(jié)性環(huán)境溫度下二灰碎石基層強度增長規(guī)律研究 [J].中外公路，2012，32（1）：80-83.