■羅子林

（福建省交通科研院有限公司，福州 300005）

舊水泥路面上進行瀝青面層的加鋪是針對混凝土路面修復(fù)的一種有效技術(shù)， 由于其工期短、對交通的影響較小，而且修復(fù)之后路面的服務(wù)性能良好，得以廣泛應(yīng)用。 然而，我國對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的研究還處于初級階段， 沒有形成統(tǒng)一的技術(shù)體系和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)， 因此對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)進行研究具有重要意義。在公路改擴建工程中，通過在舊水泥路面加鋪瀝青面層能夠充分利用原路面的剩余強度， 有效改善路面使用性能及承載能力[1-3]。 但由于舊水泥路面一般存在縱橫向裂縫、龜網(wǎng)裂、面板斷裂等病害，加鋪瀝青面層后，服役期加鋪層層底極易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而開裂，后期裂縫緩慢向上擴展而導(dǎo)致瀝青面層出現(xiàn)裂縫、龜裂等一系列病害。研究表明[4-9]通過設(shè)置應(yīng)力吸收層可有效緩解舊水泥路面裂縫引起的瀝青面層病害。 因此，本試驗在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，擬定2 種舊水泥路面加鋪瀝青面層方案，基于彈性層狀理論體系分析2 種路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

1 模型建立

1.1 基本假設(shè)

本試驗路面結(jié)構(gòu)受力分析采用3D-Move Analysis 軟件。該軟件基于三維連續(xù)有限層法，視各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)體，假定表面荷載具有隨時間不變的特性，用離散Fourier 級數(shù)展開法將表面荷載分解成二維諧波分量，使用解析解來計算各結(jié)構(gòu)層對每個諧波的響應(yīng)，通過疊加原理用每個諧波分量的響應(yīng)來評估整體響應(yīng)。

1.2 擬定路面結(jié)構(gòu)

總結(jié)國內(nèi)公路改擴建工程中舊水泥路面加鋪瀝青面層改造方案，一般是對舊水泥混凝土路面病害處治后加鋪2～3 層瀝青面層；對原路面病害較嚴(yán)重、路面板破損率高的路段，采用壓力注漿或換板處理，但造價高昂。 針對病害嚴(yán)重的舊水泥路面改擴建工程，本試驗擬定先對舊水泥混凝土路面進行斷裂穩(wěn)定，再以加鋪級配碎石層及瀝青層的方法進行改造。

在瀝青面層與斷裂舊水泥混凝土之間設(shè)置級配碎石層可有效抑制路面反射裂縫。 級配碎石層作為粒料類結(jié)構(gòu)，具有不能傳遞拉應(yīng)力，拉應(yīng)變的能力，可阻斷舊水泥路面的裂縫等病害由下向上發(fā)展至面層。 此外，級配碎石層可改善舊水泥混凝土路面的溫度狀況。 由于碎石過渡層的隔離作用，使得水泥混凝土板的溫度變化大幅下降，減少水泥混凝土路面內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

擬定在加鋪瀝青層層底鋪筑富油改性瀝青混凝土FAC-5 應(yīng)力吸收層， 以有效抑制下承層反射裂縫， 延長路面使用壽命。 富油改性瀝青混凝土FAC-5 成型后密實、粘結(jié)力強、不滲水，與基層之間的結(jié)合性能良好， 能隨著下承層的變形而變形，并且具有優(yōu)良的自愈能力，可以延緩基層裂縫向上反射。 同時富油改性瀝青混凝土級配較細，可大量應(yīng)用3～5 mm 的石料， 實現(xiàn)筑路材料的全粒度應(yīng)用，有效緩解3～5 mm 石料的浪費。 2 種路面結(jié)構(gòu)分別為：（1）對舊水泥路面病害進行處治（換板、注漿等）后加鋪（4+6）cm 瀝青面層，并在瀝青面層與舊路面之間設(shè)置富油改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層。 （2）對舊水泥路面進行斷裂穩(wěn)定處治后加鋪20 cm 級配碎石粒料層+（4+6）cm 瀝青面層， 并在瀝青面層與級配碎石層之間設(shè)置富油改性瀝青混凝土應(yīng)力吸收層。 2 種擬定路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)參照J(rèn)TG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中推薦值進行選取，見表1、表2。

表1 擬定路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)（結(jié)構(gòu)一）

表2 擬定路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)（結(jié)構(gòu)二）

1.3 模型幾何及計算點位確定

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力最大值處很容易達到材料容許拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。 本試驗將應(yīng)用3D-Move Analysis 路面結(jié)構(gòu)分析軟件計算2 種擬定路面結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，設(shè)計荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100， 輪胎接地壓強p=700 kPa， 當(dāng)量圓直徑2δ=21.3 cm，計算模型及荷載分布形式見圖1、圖2，X 為行車方向，Y 為路面橫斷面方向，Z 為路面深度方向。在力學(xué)響應(yīng)計算時，沿X 方向選取點位的間距為10.65 cm，共5 個點位（分別為X=-21.3、-10.65、0、10.65、21.3 cm），沿Y 方向的間距為5.325 cm，共20 個計算點位（含規(guī)范中要求路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力最大值處A、B、C 和D 4 點）。

圖1 X-Y 平面應(yīng)力計算點位分布示意圖

圖2 Y-Z 平面應(yīng)力計算點位分布示意圖

2 “白改黑”路面應(yīng)力響應(yīng)分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)不同點位沿深度方向應(yīng)力分布

計算得到2 種路面結(jié)構(gòu)不同點位（A 點、B 點、C 點、D 點） 沿路面深度的正應(yīng)力分布規(guī)律見圖3、圖4。 其中，拉應(yīng)力為負(fù)值，壓應(yīng)力為正值。

圖3 路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)一）

圖4 路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)二）

在道路的行車方向， 瀝青面層主要承受壓應(yīng)力，2 種結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在路表A 點處，結(jié)構(gòu)一最大壓應(yīng)力值為0.64 MPa，結(jié)構(gòu)二最大壓應(yīng)力值為1.36 MPa，相較于結(jié)構(gòu)一，結(jié)構(gòu)二由于設(shè)置了粒料類，使得瀝青層的抗變形能力減弱，服役后期易產(chǎn)生車轍、擁包、推移等病害。

在道路的行車方向，瀝青路面舊水泥路面基層和水泥穩(wěn)定碎石底基層均承受拉應(yīng)力，最大橫向拉應(yīng)力發(fā)生在舊水泥路面基層底部D 點處，結(jié)構(gòu)一最大拉應(yīng)力為0.17 MPa，結(jié)構(gòu)二為0.1 MPa。相較于結(jié)構(gòu)一，結(jié)構(gòu)二的基層抗裂性能較強。

2.1.1 瀝青層底拉應(yīng)力分布（Z=0.12 m 處）

在靜力荷載作用下，結(jié)構(gòu)一瀝青層底為壓應(yīng)力（這是由于舊水泥路面經(jīng)過注漿等處治， 使得模量較大，加之瀝青面層較薄，車輛荷載產(chǎn)生的壓應(yīng)力分散路徑有限，瀝青層底產(chǎn)生壓應(yīng)力），結(jié)構(gòu)二為拉應(yīng)力，且應(yīng)力最大值均在A 點處。其中，結(jié)構(gòu)一壓應(yīng)力為0.18 MPa，結(jié)構(gòu)二拉應(yīng)力為0.77 MPa。 從層底拉應(yīng)力分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)二對原有水泥混凝土路面進行了斷裂穩(wěn)定處治，且在基層與面層之間加鋪了模量值較低的級配碎石粒料層，使路面結(jié)構(gòu)當(dāng)量模量比較結(jié)構(gòu)一小，且路面結(jié)構(gòu)整體剛度比較小，瀝青層層底拉應(yīng)變最大，易發(fā)生疲勞開裂；而結(jié)構(gòu)一剛性基層在減少瀝青層疲勞破壞方面有較大的力學(xué)優(yōu)勢。

2.1.2 原路面基層層底拉應(yīng)力分布 （結(jié)構(gòu)一：Z=0.56 m、結(jié)構(gòu)二：Z=0.76 m）

在靜力荷載作用下，2 種路面結(jié)構(gòu)基層層底應(yīng)力均為拉應(yīng)力，且最大拉應(yīng)力均位于D 點處。 結(jié)構(gòu)一基層層底拉應(yīng)力為0.15 MPa，結(jié)構(gòu)二為0.1 MPa。結(jié)構(gòu)一的層底拉應(yīng)力為結(jié)構(gòu)二的1.5 倍。 分析結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)二路面基層的抗疲勞性能較結(jié)構(gòu)一好，具有較好的基層抗疲勞性能。

2.2 路面結(jié)構(gòu)YZ 剖面應(yīng)力分布

計算得到2 種路面結(jié)構(gòu)在X=0 處橫向剖面的應(yīng)力Sxx分布情況見圖5、圖6。

圖5 路面結(jié)構(gòu)YZ 剖面應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)一）

圖6 路面結(jié)構(gòu)YZ 剖面應(yīng)力分布（結(jié)構(gòu)二）

從圖5、圖6 可知，結(jié)構(gòu)一與結(jié)構(gòu)二的應(yīng)力均以X 軸對稱分布，且荷載作用區(qū)域兩側(cè)約δ 距離范圍內(nèi)為高應(yīng)力區(qū)。 對于結(jié)構(gòu)一，路面面層范圍內(nèi)，由路表面沿路面深度方向，壓應(yīng)力逐漸減??；路面基層范圍內(nèi)，由基層頂面到基層底面，拉應(yīng)力逐漸增大。對于結(jié)構(gòu)二，瀝青層與級配碎石層之間拉應(yīng)力達到最大值， 由于級配碎石粒料層的應(yīng)力擴散能力強，使得基層到底基層的拉應(yīng)力逐漸減小。

3 結(jié)論

通過總結(jié)國內(nèi)公路改擴建過程中舊水泥路面加鋪瀝青面層改造方案，擬定2 種路面結(jié)構(gòu)，借助3D-MoveAnalysis 軟件進行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析，得到主要結(jié)論如下：（1）在道路的行車方向，由于結(jié)構(gòu)二對原有水泥混凝土路面進行了斷裂穩(wěn)定處治并設(shè)置了粒料層， 路面結(jié)構(gòu)整體剛度較小，使得瀝青層的抗變形能力減弱，服役后期易產(chǎn)生疲勞開裂、擁包、推移等病害。 而結(jié)構(gòu)一在減少瀝青層疲勞破壞方面有較大的力學(xué)優(yōu)勢。 （2）在道路的行車方向，瀝青路面舊水泥路面基層和水泥穩(wěn)定碎石底基層均承受拉應(yīng)力，且結(jié)構(gòu)二的基層抗裂性能較結(jié)構(gòu)一強。 （3）對于結(jié)構(gòu)一，沿深度方向，面層壓應(yīng)力逐漸減小，基層拉應(yīng)力逐漸增大。 對于結(jié)構(gòu)二，瀝青層底拉應(yīng)力達到最大值，由于級配碎石的應(yīng)力擴散能力強，沿深度方向基層拉應(yīng)力逐漸減小。