共振碎石化瀝青加鋪層層底彎沉影響因素模擬分析

楊 洋 馮德梁

(成都清正公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司, 成都 610041)

共振碎石化瀝青加鋪層層底彎沉影響因素模擬分析

楊 洋 馮德梁

(成都清正公路工程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司, 成都 610041)

為了更好地指導(dǎo)共振碎石化水泥混凝土施工技術(shù)的設(shè)計(jì)及施工生產(chǎn)。以四川成都崇州市華懷路崇雙段舊線路面改造工程為依托，通過(guò)建立及計(jì)算ANSYS模型，分析瀝青加鋪層層底彎沉影響因素，同時(shí)得到瀝青加鋪層推薦厚度。研究結(jié)果可為今后碎石化道路施工及設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

共振碎石化; ANASYS; 影響因素

引言

近年來(lái)，國(guó)家經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，重載交通逐年增加，導(dǎo)致水泥混凝土路面經(jīng)常出現(xiàn)不同程度地?fù)p害，行車的舒適性和安全性大大降低，使得大量混凝土路面須養(yǎng)護(hù)。過(guò)去主要采取翻修或加鋪混凝土的模式，但是翻修成本太高，而加鋪又很難防止反射裂縫。對(duì)此，成都開始引進(jìn)共振碎石化水泥混凝土路面維護(hù)技術(shù)。共振碎石化施工技術(shù)是在特制振動(dòng)體振動(dòng)下，與水泥混凝土路面產(chǎn)生共振諧波，導(dǎo)致路面層內(nèi)造成相對(duì)均勻的裂紋，并隨著振動(dòng)迅速有規(guī)律地?cái)U(kuò)展而得到破碎，把舊水泥混凝土板的剛性改為柔性，生成新路面的結(jié)構(gòu)層[1-3]。本文先用ANSYS軟件數(shù)值模擬分析共振碎石化瀝青加鋪層層底彎沉的影響因素，然后以四川成都崇州市華懷路崇雙段舊線路面改造工程作實(shí)例驗(yàn)證研究。

1 計(jì)算模型與參數(shù)

1.1 模型選擇

通過(guò)對(duì)成都崇州市華懷路崇雙段舊線水泥混凝土路面大部分路段路況調(diào)查，結(jié)合以前設(shè)計(jì)施工的相關(guān)資料。擬定ANSYS計(jì)算水泥混凝土路面破碎板的基本模型為10.0m×4.5m×23.0cm；通過(guò)取不同尺寸的地基進(jìn)行誤差分析，計(jì)算指標(biāo)收斂驗(yàn)算，擬定地基擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸為12.0m×6.5m×9m(圖1)。同時(shí)對(duì)各結(jié)構(gòu)層作如下假定：

1)各結(jié)構(gòu)層為均勻、連續(xù)、各向同性的連續(xù)彈性體；

2)各層層間豎向、水平位移均連續(xù)；

3)地基底面各向位移為零，地基側(cè)面水平方向位移為零；

4)不計(jì)路面結(jié)構(gòu)的自重影響。

圖1 結(jié)構(gòu)計(jì)算基本模型(單位：cm)

1.2 參數(shù)選擇

水泥混凝土路面共振碎石化破碎后，一般主要分為上下兩層，上層粒徑范圍為0-4cm，其結(jié)構(gòu)類似于混凝土細(xì)集料的結(jié)構(gòu)形式[4]，其壓實(shí)后的彈性模量較低。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，碎石化上層彈性模量為78MPa、160MPa、260MPa，核定碎石化上層彈性模量150MPa；行車荷載均采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎內(nèi)壓0.7MPa，單個(gè)輪壓作用范圍18.9cm×18.9cm，接觸面積為357.21cm2，雙輪間距為32cm，兩側(cè)輪隙間距為182cm；其他參數(shù)如表1。經(jīng)過(guò)不同荷載計(jì)算分析比較、車道劃分，考慮到水泥混凝土路面板共振碎石化層的粒徑分布、嵌擠狀態(tài)及材料屬性進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化后加載(圖2)。

表1 主要計(jì)算參數(shù)

圖2 加載后應(yīng)力云圖

1.3 目標(biāo)選擇

瀝青路面底層產(chǎn)生最大主應(yīng)力σ1、等效應(yīng)力σe及最大剪應(yīng)力τmax的破壞，都將產(chǎn)生裂紋；與此同時(shí)，彎沉也會(huì)較大。根據(jù)施工過(guò)程在路基路面本身承載能力檢測(cè)時(shí)，主要檢測(cè)各受力層的彎沉指標(biāo)；在路面施工完成后，在同一平面坐標(biāo)內(nèi)，瀝青加鋪層底的彎沉層頂?shù)膹澇林狄恢?扣除瀝青混凝土的壓縮變形)。為了便于計(jì)算，在本文中主要研究受荷中心處瀝青加鋪層層底彎沉。

2 瀝青加鋪層層底彎沉影響因素分析

2.1 碎石化層厚度對(duì)瀝青加鋪層彎沉的影響

不同碎石化上、下層厚度組合的加鋪層彎沉計(jì)算模型、參數(shù)與其荷載應(yīng)力計(jì)算模型、參數(shù)一致，受荷中心處加鋪層層底彎沉計(jì)算結(jié)果顯示(圖3)，隨著碎石化上層變厚與下層變薄，即從上層4cm+下層19cm到上層19cm+下層4cm的碎石化結(jié)構(gòu)模型，荷載中心加鋪層層底彎沉值增加了34.8%，碎石化上層不宜太厚，一方面，上層太厚將增加碎石化生產(chǎn)成本，另一方面，對(duì)加鋪結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不利影響，增加了加鋪層層底彎沉，影響瀝青加鋪層的使用壽命；碎石化上層也不宜太薄，盡管降低了生產(chǎn)成本，但粒徑為0-4cm范圍的碎石較少，導(dǎo)致下層結(jié)構(gòu)未形成有效的嵌擠結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)固性難以保證，進(jìn)而形成強(qiáng)度有限，為改造后的路面埋下質(zhì)量隱患。權(quán)衡瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)受力、碎石化工藝特點(diǎn)[4]，碎石化上層宜為10cm，下層宜為13cm。

圖3 碎石化上下層厚對(duì)其彎沉影響圖

圖4 加鋪層模量對(duì)其彎沉的影響

圖3注：其中橫軸“1”、“2”、“3”、“4”、“5”、“6”分別代表上層4cm+下層19cm、上層8cm+下層15cm、上層10cm+下層13cm、上層12cm+下層11cm、上層16cm+下層7cm、上層19cm+下層4cm的碎石化結(jié)構(gòu)。

2.2 瀝青加鋪層模量對(duì)其彎沉的影響

根據(jù)第一步計(jì)算結(jié)果，取其碎石化上層為10cm，下層為13cm。其它計(jì)算參數(shù)與其荷載應(yīng)力計(jì)算參數(shù)一致。計(jì)算結(jié)果顯示(圖4)，適當(dāng)增大瀝青加鋪層的模量，其層底彎沉隨之減小，但加鋪層模量對(duì)層底彎沉影響不明顯(受荷中心處加鋪層層底彎沉顯示加鋪層模量從800MPa增大到2 200MPa時(shí)，受荷中心處加鋪層層底彎沉逐漸減小，從0.415mm減小到0.359mm，減小了13.5%)。當(dāng)然，適當(dāng)增大瀝青加鋪層模量，有利于路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和抗車轍形變能力的提升，以此為瀝青加鋪層的材料選取提供重要參考。

2.3 瀝青加鋪層厚度對(duì)其彎沉的影響

根據(jù)計(jì)算不同厚度瀝青加鋪層的受荷中心處加鋪層層底彎沉，其結(jié)果顯示(圖5)，加鋪層厚度從10cm增大到24cm時(shí)，受荷中心處加鋪層層底彎沉逐漸減小，10cm厚時(shí)彎沉為0.514mm，24cm厚加鋪層彎沉減小到0.337mm，彎沉減小幅度34.4%，平均每增加1cm厚的瀝青加鋪層(Ea=1 200MPa)可減小彎沉0.024 6mm，即平均效果為2.46%/cm，這與美國(guó)加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法(AI)提出的加鋪層厚度的平均效果為2.0%/cm～5.0%/cm的結(jié)論基本一致。

圖5 加鋪層厚度對(duì)其彎沉的影響

圖6 地基模量對(duì)其影響

2.4 地基模量的變化對(duì)瀝青加鋪層彎沉的影響

受荷中心處加鋪層層底彎沉顯示地基模量對(duì)加鋪層層底的彎沉值影響非常大(圖6)。隨著地基模量的增加，加鋪層層底的彎沉值逐漸降低；當(dāng)?shù)鼗Ａ繌?0MPa增大到500MPa時(shí)，加鋪層層底的彎沉減小了73.4%，其中地基模量從50MPa到150MPa，這一階段彎沉減少幅度最大，降低了50.4%，降低效果為0.50%/MPa；而當(dāng)?shù)鼗Ａ繌?00MPa到500MPa，這一階段彎沉值變化幅度稍小，降低幅度為36.6%，降低效果為0.12%/MPa，彎沉值變化也趨于平緩。為控制水泥路面碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的彎沉值，有效防止彎拉型反射裂縫，地基綜合強(qiáng)度應(yīng)保持在150MPa以上。

2.5 碎石化下層模量變化對(duì)加鋪層彎沉的影響

受荷中心處加鋪層層底彎沉計(jì)算結(jié)果顯示(圖7)，隨著碎石化下層模量的增大，瀝青加鋪層層底彎沉逐漸降低。當(dāng)碎石化下層模量從800MPa增至2 400MPa，加鋪層層底彎沉降低了4.88%，降低效果為0.003%/MPa，但碎石化下層模量從3 200MPa增至9 600MPa，加鋪層層底彎沉降低了5.45%，降低效果為0.000 8%/MPa，可見，碎石化層下層模量大于2 400MPa以后，其模量的變化對(duì)于瀝青加鋪層層底彎沉影響不大，降低效果很有限，碎石化下層模量在2 000MPa左右，瀝青加鋪層層底彎沉值不大，且具備較好的承載能力，共振碎石化工藝也容易實(shí)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)中充當(dāng)?shù)谆鶎拥淖饔谩?/p>

圖7 碎石化下層模量對(duì)其彎沉的影響

3 共振碎石化后瀝青加鋪層推薦

3.1 推薦加鋪層結(jié)構(gòu)組合方式

水泥混凝土路面共振碎石化改造中，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)分別將碎石化層作為基層和底基層，與碎石化層相接的結(jié)構(gòu)層底面的拉應(yīng)力或拉應(yīng)變都是控制因素，其施工控制的檢測(cè)數(shù)據(jù)主要是彎沉。碎石化層的上下層顆粒粒徑不同，導(dǎo)致下層的彈性模量存在較大差異。隨著顆粒粒徑變大時(shí)，其下層彈性模量隨之增大。當(dāng)碎石化后顆粒粒徑偏大，回彈模量偏高時(shí)，可考慮采用開級(jí)配大粒徑透水性瀝青碎石(LSPM)加防水層的結(jié)構(gòu)組合形式，其上瀝青混凝土仍需采用密級(jí)配瀝青混合料；當(dāng)顆粒粒徑偏小，回彈模量偏低時(shí)，要保證加鋪層總厚度，可考慮設(shè)置細(xì)型級(jí)配瀝青混合料(FDAC)抗疲勞層，以防止疲勞開裂及反射裂縫，其它瀝青層仍需要密級(jí)配；當(dāng)回彈模量小于120MPa時(shí)，需要考慮增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層，按照新建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.2 推薦的瀝青加鋪層厚度

典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要步驟是確定合理的參數(shù)及其分級(jí)，按照我國(guó)典型結(jié)構(gòu)研究的一般做法，應(yīng)將碎石化后瀝青混凝土路面加鋪典型結(jié)構(gòu)按兩個(gè)主要參數(shù)劃分，即交通量和碎石化后的回彈模量。

1)交通量分級(jí)

參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D50-2006》和《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范 JTG D40-2011》，發(fā)現(xiàn)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范確定的交通量等級(jí)偏低，而公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范確定的交通量等級(jí)偏高(定義了極重交通)，并且覆蓋的范圍較寬，因此，結(jié)合成都市的交通量特點(diǎn)，適度細(xì)化調(diào)整交通量等級(jí)劃分，劃分標(biāo)準(zhǔn)總體處于兩規(guī)范之間，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可采用的各級(jí)公路交通量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表2。

2)碎石化后頂面回彈模量分級(jí)

參照碎石化后頂面回彈模量的一般范圍和可能出現(xiàn)的破碎程度較低或較高的情況，按表3對(duì)碎石化后頂面回彈模量分級(jí)。

3)碎石化后推薦厚度范圍

根據(jù)ANSYS模擬計(jì)算結(jié)果，同時(shí)結(jié)合交通量和回彈模量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，推薦的瀝青加鋪層典型結(jié)構(gòu)見表4。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

華懷路新崇雙段支線原為一級(jí)路，雖未到使用年限，但路面由于多方面的原因，出現(xiàn)縱裂、橫裂、角隅斷裂、交叉裂縫、沉陷、磨損和露骨、接縫填料損壞等病害比較嚴(yán)重，且全線斷板率達(dá)到20.7%。原水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)為：原砂礫石路基+原路二灰碎石基層+23cm水泥混凝土路面板。改建設(shè)計(jì)中改為城市快速干道，雙向四車道，道路設(shè)計(jì)車速60km/h。

根據(jù)ANSYS模擬分析結(jié)及表4的推薦，其路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為：原砂礫石路基+原路二灰碎石基層+23cm水泥混凝土路面板共振碎石化后壓實(shí)作柔性基層(碎石化上層10cm，下層13cm)+加鋪瀝青混凝土面層(5cm厚上面層細(xì)粒式細(xì)型密級(jí)配改性瀝青砼(AC-13C)+7cm厚下面層中粒式細(xì)型密級(jí)配改性瀝青砼(AC-20C)+ATB-25瀝青碎石調(diào)平層)。

4.3 瀝青路面層現(xiàn)場(chǎng)彎沉及各項(xiàng)指標(biāo)分析

瀝青路面左幅面層按每500m對(duì)整條線路彎沉數(shù)據(jù)進(jìn)行分段整理后，各結(jié)構(gòu)層彎沉代表值基本處于平穩(wěn)狀態(tài)，且平行發(fā)展。(圖8、圖9)

表2 交通量等級(jí)劃分

表3 碎石化后瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)組合選擇

表4 共振碎石化后瀝青加鋪層厚度推薦范圍(cm)

圖8 全線左幅路面結(jié)構(gòu)層各層分段彎沉平均值

圖9 全線左幅路面結(jié)構(gòu)層各層分段彎沉代表值

共振碎石化層彎沉代表值最大，基本處于60～80(0.01mm)之間，均小于彎沉設(shè)計(jì)值82(0.01mm)；而上面層彎沉代表值和下面層彎沉代表值差別不大，且基本位于30～40(0.01mm)之間，都小于上面層的40.1(0.01mm)和下面層的46.1(0.01mm)設(shè)計(jì)值，均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

1)碎石化上層越厚，荷載中心加鋪層彎沉值增加，綜合考慮碎石化工藝特點(diǎn)，碎石化上層宜為10cm，下層宜為13cm。

2)瀝青加鋪層模量增大，一定程度上減小受荷中心處的彎沉；適當(dāng)增加瀝青加鋪層的厚度，可減小加鋪層彎沉。

3)地基模量的變化對(duì)水泥混凝土路面共振碎石化瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)彎沉值影響非常大，隨著地基模量的增加，加鋪層的彎沉值逐漸降低。為了提高地基的承載能力，地基的模量不宜太低，為控制水泥路面碎石化瀝青加鋪結(jié)構(gòu)的彎沉值，地基綜合強(qiáng)度應(yīng)保持在150MPa以上。

4)根據(jù)共振碎石化后彈性模量和公路交通量，推薦水泥混凝土路面碎石化瀝青加鋪層合理厚度范圍，為今后更好地指導(dǎo)水泥混凝土路面碎石化改造的設(shè)計(jì)及施工提供依據(jù)。

[1] 熊帆，黃曉明，賈棟等. 碎石化技術(shù)在水泥混凝土老路改建中的應(yīng)用.交通科技[J]，2004(6)52-53.

[2] 賀銘，高艷龍，黃莘. 多錘頭碎石化技術(shù)在舊砼路面改造中的應(yīng)用重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)[J]，2007，26(5)64-67.

[3]TIMM.D.HWARREN.A.M. (2004:10219). Performance of Rubblized Pavement Sectionsin Alabama[R]. Auburn University.

[4] 徐柱杰, 凌建明, 黃琴龍. (2008年09月). 舊水泥混凝土路面共振碎石化效果研究.中國(guó)公路學(xué)報(bào)[J], 頁(yè) 26-32.

[5]蔡永利. 路表彎沉的影響分析[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化. 2012(22).

[6]姜沖銳,戰(zhàn)高峰,朱福.瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)路表彎沉值影響分析[J]. 吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào). 2013(06).

[7]王曉華. 瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度與模量對(duì)路表彎沉的影響分析[J]. 天津建設(shè)科技. 2014(02).

[8] 閻宗嶺,高艷龍,馮學(xué)鋼. 水泥混凝土路面MHB法碎石化環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)[J]. 公路交通科技. 2008(08).

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

Yang Yang，F(xiàn)eng 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

楊洋(1982-)，男，工程師。主要研究方向：瀝青路面、施工、檢測(cè)及病害處治建議;馮德梁(1985-)，男，工程師。主要研究方向：橋梁隧道施工及檢測(cè)、路基路面病害處治。

U416.2;TP391.99

A

1674-7461(2015)01-0075-05