公路路面加鋪層力學(xué)響應(yīng)對(duì)比研究

孫婧堯

（山西晉宇路橋工程有限責(zé)任公司,山西 太原 030000）

0 引言

從目前我國的公路工程組成結(jié)構(gòu)來看，水泥混凝土路面的比例相對(duì)較高，具備較高的抗壓強(qiáng)度、抗彎拉強(qiáng)度以及抗磨損性的效果，水穩(wěn)定性比較好，而且隨著投入使用時(shí)間的延長，強(qiáng)度呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)。但是在水泥混凝土路面使用的環(huán)節(jié)，面板之間存在接縫，降雨時(shí)會(huì)有雨水進(jìn)入到板底，在運(yùn)行的環(huán)節(jié)比較常見的問題是唧漿、脫空、斷裂等。就實(shí)際應(yīng)用結(jié)果來說，水泥混凝土路面使用壽命較長，但是后續(xù)的管理成本比較高，需要投入大量的人力、物力進(jìn)行建設(shè)才能滿足要求。對(duì)于表面鋪設(shè)瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層來說，性能恢復(fù)較為明顯，降低維護(hù)成本，施工速度也比較快，及時(shí)恢復(fù)道路通行狀態(tài)，具備較高的綜合利用價(jià)值。結(jié)合不同的厚度，水泥混凝土路面的加鋪橡膠瀝青層包含兩種情況，分別為2～3 cm 薄罩面層、1.5～2 cm 超薄罩面層，不管是選擇哪種形式，在加鋪瀝青罩面層的養(yǎng)護(hù)中，都需要面臨著比較高昂的費(fèi)用，管理部門需要承擔(dān)的投入資金比較多[1]。因此，該文以某公路項(xiàng)目為案例進(jìn)行分析，探討加鋪橡膠瀝青罩面層之后水泥混凝土路面的車輛荷載下力學(xué)響應(yīng)，為同類型工程項(xiàng)目的施工提供基礎(chǔ)。

1 工程概況

某公路項(xiàng)目建設(shè)投入運(yùn)營超過15 年的時(shí)間，應(yīng)用水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)形式，但是在長期投入運(yùn)行的環(huán)節(jié)，經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，單日通行車輛的數(shù)量從2 958 輛增加到6 529 輛，通行量增加幅度過大，21 cm 厚度的水泥混凝土路面無法滿足通行的標(biāo)準(zhǔn)，多個(gè)部位都出現(xiàn)了嚴(yán)重的斷裂問題?；鶎咏Y(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)，應(yīng)用的材料水穩(wěn)定性比較差，加上施工工藝控制不嚴(yán)格，導(dǎo)致有些部分的強(qiáng)度性能不合格。由于大量的水分進(jìn)入到結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使得板材結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，強(qiáng)度無法達(dá)到設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)，特別是車輛持續(xù)碾壓作用，出現(xiàn)唧漿的病害問題，脫空、斷板、沉陷等問題也比較嚴(yán)重。通過管理部門技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析，經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查了解，技術(shù)人員應(yīng)用壓漿處理措施，修復(fù)孔內(nèi)問題并灌縫處理，達(dá)到結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)的效果。同時(shí)，表面鋪設(shè)瀝青混凝土材料，使用罩面層進(jìn)行施工，確保路面結(jié)構(gòu)性能恢復(fù)。

2 模型構(gòu)建

2.1 三維模型

通過管理部門技術(shù)人員的現(xiàn)場(chǎng)勘察與分析，技術(shù)人員經(jīng)過充分的分析和研究，選擇現(xiàn)場(chǎng)的水泥混凝土板試驗(yàn)方式對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。在三維模型建設(shè)過程中，主要采用ABAQUS 有限元開展分析，并根據(jù)需要建設(shè)罩面層的模型，分為兩個(gè)模型進(jìn)行模擬計(jì)算[2]，從而對(duì)該次研究中兩個(gè)結(jié)構(gòu)形式的受力相應(yīng)進(jìn)行分析。

2.2 力學(xué)模型

根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)層的研究特性以及具體的標(biāo)準(zhǔn)，該次工程使用的是BISAR 輔助設(shè)計(jì)軟件展開力學(xué)模型的建設(shè)，假設(shè)各個(gè)結(jié)構(gòu)層的材料是均勻設(shè)置，屬于線性彈性材料的類型，各個(gè)結(jié)構(gòu)層水平面沒有尺寸約束。通過剪切模量的數(shù)據(jù)分析，了解黏結(jié)的具體情況，然后根據(jù)要求布置中間層，再進(jìn)行剪切應(yīng)力的測(cè)試分析，掌握現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用條件。摩擦系數(shù)按下式計(jì)算：

式中，α——層間摩擦系數(shù)；K——中間層剪切模量；μ——上層材料泊松比；E——上層材料彈性模量（MPa）；δ——當(dāng)量荷載圓半徑（m）。在計(jì)算中α數(shù)值在0～1 之間，若數(shù)值為0，則代表路面具備連續(xù)性；若參數(shù)值為1，則表示路面處于光滑狀態(tài)。

基于路面力學(xué)響應(yīng)計(jì)算值如圖1 所示。

圖1 力學(xué)響應(yīng)計(jì)算圖示

圖中瀝青罩面層用h1表示、水泥混凝土層用h2表示、水穩(wěn)基層用h3表示。瀝青罩面層用E1表示、水泥混凝土層E2表示、水穩(wěn)基層E3表示、土基回彈模量E0表示。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算的環(huán)節(jié)，通過圖1 進(jìn)行分析，并結(jié)合道路通行的標(biāo)準(zhǔn)使用符合要求的橡膠瀝青混合料進(jìn)行表面鋪設(shè)施工，形成符合要求的罩面層。在試驗(yàn)操作中，車輛軸載以及輪胎表面的作用力、接觸面積都按照要求進(jìn)行，按照滑動(dòng)摩擦系數(shù)0.4 進(jìn)行計(jì)算分析，該次試驗(yàn)水平力參數(shù)值為20 kN。

3 力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 路表彎沉

開展路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)荷載條件之下進(jìn)行垂直位移量的設(shè)計(jì)，分析掌握目前路面結(jié)構(gòu)層所產(chǎn)生的彎沉系數(shù)，了解該參數(shù)對(duì)于公路運(yùn)行效果的影響。技術(shù)人員從當(dāng)前國家發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)規(guī)范技術(shù)參數(shù)展開分析，總結(jié)出設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，進(jìn)而計(jì)算出結(jié)構(gòu)加鋪之后所形成的瀝青混凝土層彎沉數(shù)據(jù)，然后確定其是否符合設(shè)計(jì)方案的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，技術(shù)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)做出參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到路面通行的標(biāo)準(zhǔn)[3]。路表彎沉情況如圖2 所示。

圖2 路表彎沉

由圖2（a）可知，該瀝青路面加鋪工作結(jié)束后的彎沉值，將輪間荷載同時(shí)施加到表面，并進(jìn)行綜合系數(shù)的分析，以確定在車輪作用時(shí)所形成的最大彎沉參數(shù)值。表面鋪設(shè)工作結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)彎沉分布相對(duì)比較一致，并且加鋪后彎沉值要高于加鋪之前。

由圖2（b）可知，在罩面層加鋪工作開始前，通過分析水泥混凝土面板以及瀝青路面的彎沉參數(shù)，加鋪后的彎沉值要小于加鋪前，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，主要是因?yàn)樗嗷炷撩姘鍙?qiáng)度較高，這就使得加鋪之后的面層結(jié)構(gòu)彎沉值減小。

3.2 土層層間剪切應(yīng)力分布

對(duì)于瀝青罩面層結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，應(yīng)從厚度、模量、荷載等方面出發(fā)進(jìn)行分析，其他數(shù)據(jù)都是常數(shù)，所以在進(jìn)行最大剪應(yīng)力的分析中，從層間連續(xù)和層間光滑兩個(gè)條件分析，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 層間最大剪應(yīng)力與相關(guān)參數(shù)的關(guān)系

由圖3 可知，再進(jìn)行表面加鋪?zhàn)鳂I(yè)之后，罩面層和水泥混凝土結(jié)構(gòu)表面達(dá)到連續(xù)性的要求，組合成為整體的結(jié)構(gòu)，同時(shí)測(cè)定厚度2 cm 的結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)力相對(duì)比較小，當(dāng)結(jié)構(gòu)層的施工厚度增加到3 cm 之后，最大剪應(yīng)力并沒有跟隨厚度的增加而增大，反而表現(xiàn)出減小的發(fā)展趨勢(shì)，并且厚度增大時(shí)，該趨勢(shì)會(huì)更加的明顯，減小的數(shù)值也會(huì)更大。層間光滑時(shí)，最大剪應(yīng)力會(huì)因?yàn)槠浜穸鹊淖兓粩嘧兓?，那么在厚度處于波?dòng)狀態(tài)背景下，當(dāng)面層厚度處于2 cm 時(shí)，那么最大的剪應(yīng)力屬于0.334 MPa，而罩面面層厚度參數(shù)變化為3 cm 時(shí)，則最大剪力則降低到0.339 MPa，在這種厚度變化背景下，最大剪力的變化情況變化為先增加，后減少的方式。但是都沒有達(dá)到2 cm的參數(shù)值，所以確定厚度為2 cm 符合實(shí)際應(yīng)用的需要。分析可以發(fā)現(xiàn)，罩面層與水泥混凝土路面連接的情況下，罩面層模量不斷增加，最大剪應(yīng)力變小，這就說明路面的抗滑移性能得到提升。分析發(fā)現(xiàn)在連續(xù)、光滑的條件下，最大剪應(yīng)力都會(huì)在荷載不斷增加的條件下處于線性增長的趨勢(shì)，荷載一致時(shí)，層間光滑的最大剪應(yīng)力相對(duì)較大[4]。

如果瀝青罩面層與水泥混凝土路面處于不連續(xù)的連接狀態(tài)，罩面層厚度增大和模量增加50%，雖然剪應(yīng)力與最大剪應(yīng)力會(huì)不斷減小，尤其是厚度不斷增大，減小的幅度也會(huì)增加。而在厚度不斷變化的趨勢(shì)之下，當(dāng)面層模量參數(shù)減小到一定規(guī)范值，若滿足面層結(jié)構(gòu)厚度的9倍值，那么在這種條件下能夠有效減小免層結(jié)構(gòu)的厚度方式對(duì)剪力進(jìn)行控制是不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的，反而利用增大罩面層厚度的方式能夠?qū)崿F(xiàn)。

3.3 層底水平應(yīng)力

按照目前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，層底水平應(yīng)力分析極為重要，必須按照當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行，并且從拉應(yīng)力、壓應(yīng)力方面出發(fā)展開分析。目前設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中將層底拉應(yīng)力作為技術(shù)指標(biāo)分析，需要在罩面層結(jié)構(gòu)施工結(jié)束之后，技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的橫向路徑層底水平應(yīng)力展開數(shù)據(jù)計(jì)算分析，經(jīng)過分析確定，加鋪操作前后的參數(shù)值為1.4 kPa 和0.37 kPa，這就表示在加鋪施工之后，可以有效地減小層底拉應(yīng)力，使得結(jié)構(gòu)受力條件改善較為明顯。

經(jīng)過對(duì)該次項(xiàng)目實(shí)施的加鋪前后層底拉應(yīng)力分析，發(fā)現(xiàn)兩者的發(fā)展變化趨勢(shì)是基本相同的，車軸重點(diǎn)拉應(yīng)力為1.5 kPa 和0.04 kPa。在車輛碾壓的環(huán)節(jié)，會(huì)給結(jié)構(gòu)層造成應(yīng)力的變化，主要是出現(xiàn)壓應(yīng)力的變化；右側(cè)接縫部位應(yīng)力比較集中，壓應(yīng)力達(dá)到35.9 kPa。

由此可見，經(jīng)過加鋪罩面層的處理方式，車轍中點(diǎn)部位上存在有最大的層底拉應(yīng)力，并且兩側(cè)板接縫部位壓應(yīng)力最大。

3.4 橡膠瀝青薄罩面層厚度

結(jié)合目前的設(shè)計(jì)要求做出方案的改進(jìn)和優(yōu)化，并落實(shí)厚度參數(shù)的分析。在罩面層厚度增加50%后，橫向徑恒定時(shí)，計(jì)算確定瀝青層與水泥混凝土的層底拉應(yīng)力。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，瀝青層結(jié)構(gòu)的厚度增加，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)影響比較明顯，尤其是在厚度增加的情況下，層底拉應(yīng)力呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，并且變化幅度較大。測(cè)量之后確定，罩面層在現(xiàn)場(chǎng)加鋪工作實(shí)施前，測(cè)定的層底拉應(yīng)力是0.36 kPa，而在增加厚度之后，其會(huì)下降到0.59 kPa。之所以會(huì)出現(xiàn)這種情況，主要是在厚度的增加后，加鋪層與原有的水泥混凝土路面都會(huì)存在層底拉應(yīng)力減小的情況，結(jié)構(gòu)受力也會(huì)逐步的改變，裂縫的病害問題會(huì)更加的嚴(yán)重[5]。

4 結(jié)論

水泥混凝土路面是我國重要的道路路面結(jié)構(gòu)形式，在長期投入使用中，尤其是在車輛荷載不斷增大的背景之下，結(jié)構(gòu)損壞的問題較為常見。為了能夠滿足道路通行的需要，采用加鋪橡膠瀝青罩面層的方式進(jìn)行修復(fù)處理，提升水泥混凝土路面的通行效果。在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，從實(shí)際情況出發(fā)，分析瀝青罩面層的力學(xué)特點(diǎn)，展開模型計(jì)算分析，并根據(jù)實(shí)際需要確定最佳的結(jié)構(gòu)層厚度參數(shù)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定的效果，從而改善橡膠瀝青結(jié)構(gòu)層的受力條件，具備較高的應(yīng)用價(jià)值。該文案例中的路面改造之后，通車超過1 年的時(shí)間，經(jīng)過跟蹤檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各方面力學(xué)性能都符合要求，沒有沉降、裂縫等病害問題。