旧沥青路面坑槽对水泥混凝土加铺层的力学影响

□文/吕耀龙 韩湘屏 薛 文

在旧沥青路面上加铺水泥混凝土层（又称白色罩面）是一项广泛应用的路面维修技术，主要用来提高己有公路的结构承载能力。白色罩面的施工程序主要为旧沥青路面修补、纠正路面的外形偏差、摊铺水泥混凝土路面。国外应用经验表明，水泥混凝土加铺层比沥青加铺层更坚固耐久，是一个低投资、低养护费用的刚性加铺层。

在旧沥青路面上加铺混凝土面层，混凝土面板的设计是采用新路的混凝土面板设计理论的，在计算时，认定混凝土板厚是均匀一致的。但是，在旧沥青路面改建施工中有很多情况下，混凝土板的板厚是不一致的，有的部分混凝土板厚是超过设计值的。例如，原沥青路面坑槽部分修补若与混凝土面板同时浇注，那么混凝土面板厚度就会超过设计的厚度，可能导致理论计算时的温度翘曲应力与实际上混凝土板产生的温度翘曲应力存在偏差。本文通过对旧沥青路面水泥混凝土加铺层的温度力学分析，研究原路面坑槽位置、旧沥青层模量、重载作用对加铺层结构的力学影响，为旧沥青路面加铺水泥混凝土层提供设计依据。

旧沥青路面加铺水泥混凝土层有限元计算模型

采用ANSYS软件对影响路面结构力学特性的参数进行计算，不考虑路面各结构层自重的影响，假定土基底面固定、四边自由，建立三维有限元模型。见图1。

图1 水泥混凝土加铺层有限元模型

（1）单元类型。水泥混凝土加铺层采用各向同性的SOLID95单元，旧沥青混凝土层及土基采用各向同性的SOLID45单元。考虑到计算速度的影响,假设材料组成具有各向同性的线弹性特性。接触单元选用TARGET 170目标单元、CONTACT 173 3-D表面接触单元。

（2）行车荷载。JTGD 40-2002《公路水泥混凝土路面设计规范》规定标准轴载为BZZ-100,轮胎接地压强为0.7 MPa，当量圆半径为10.65 cm，两轮中心距为1.5d。为了计算方便,车轮荷载简化为18.9 cm×18.9 cm的正方形均布荷载,接触面积为357.21 cm2，双轮中心距32 cm，由于模型和荷载具有对称性，可取其中1/4进行分析以节省程序运行的时间。

（3）材料参数。水泥混凝土模量为34 000 MPa，泊松比为0.15。旧沥青混凝土模量为200～1 000 MPa，泊松比为0.25，基层顶面当量回弹模量为30 MPa，泊松比为0.35，水泥混凝土板平面尺寸为4 m×6 m，旧沥青层及加铺层厚度为变量。水泥混凝土加铺层导热系数9.125×10-2W/（m·K），热膨胀系数 3.661×10-8/K；旧沥青层导热系数 4.393×10-2W/（m·K），热膨胀系数2.929×10-7/K；基层顶面当量回弹摸量导热系数3.112×10-2W/（m·K），热膨胀系数 1.647×10-7/K。

（4）临界荷位。水泥混凝土板纵缝边缘。

旧路路面坑槽水泥混凝土加铺层应力分析

旧沥青路面由于交通荷载的重复作用，面层局部出现坑槽，对旧沥青路面有坑槽部分修补时若采用与混凝土面板同时浇注，水泥混凝土板受力会受到一定影响。同时坑槽位置及坑槽面积不同也会对路面受力产生不同影响。

本文选取相对加铺层板板角、板中、纵缝边缘有坑槽修补时，对路面进行力学分析。坑槽位置见图2和图3。

图2 旧路面坑槽位置示意

图3 路面纵断面

车辆荷载作用于纵缝边缘中部，路表温度变化前路面各结构层的平均温度为0℃，降温后旧沥青层底面温度为-10℃，有限元计算结果见表1。

表1 加铺层板底应力计算结果

由表1可以看出，旧路坑槽位于板中时，水泥混凝土加铺层板底荷载应力最大；坑槽位置从板中向板边靠近时，水泥混凝土加铺层荷载应力随之减小。加铺层底的荷载应力随之坑槽面积的的增加有逐渐减小的趋势，但变化不明显。板角有坑槽时温度应力值最大，随加铺层面积的增大有减小的趋势。对于荷载与温度应力的耦合作用，坑槽位于板中时应力最大，随坑槽面积的变大而逐渐变小。这就表明，位于加铺层板中的旧路上的小坑槽对加铺后的路面结构影响最大。

此外，通过对旧沥青路面坑槽修补后加铺与不修补直接加铺相比，板底最大弯拉应力坑槽无修补要小于直接加铺时的应力。因此，对于旧路病害，建议加铺前进行修补，以利于加铺后水泥混凝土面层的受力。

旧路面沥青层模量变化对加铺层应力的影响

考虑车辆荷载与温度荷载作用情况，由于温度作用对加铺层的影响要远低于车辆荷载作用的影响，即温度荷载对疲劳寿命的影响比车辆荷载的影响要低，所以本文取板中坑槽部分修补后再加铺以及旧沥青层参数变化对路面受力影响。计算结果见表2。

表2 沥青层模量对路面应力影响分析计算结果 MPa

由表2可以看出，旧沥青路面坑槽位于加铺层板中，层间连续时，车辆荷载及温度荷载引起的路面应力随旧沥青路面模量的增大而减小，当旧沥青层模量由500 MPa增加到1 500 MPa时，荷载应力减小了8.78%，而温度与荷载耦合应力减小了14.78%；层间光滑时，温度与荷载应力对路面结构的影响随旧路回弹模量的变化很小，当旧沥青层模量由500 MPa增加到1 500 MPa时，荷载应力几乎没有变化，而耦合应力仅从2.69 MPa变化到2.68 MPa。因此，在旧路加铺前，应采取提高旧路面与水泥混凝土加铺层间的粘结能力的措施，改善层间接触状态，降低加铺层底的温度与荷载应力。

重载作用对水泥混凝土加铺层力学影响

取板中坑槽部分修补后，轮胎与路面接触单位压力为0.9、1.1、1.3和1.5 MPa研究重载作用对水泥混凝土加铺层的影响。加铺层与原路面滑动接触时（即路面受力最不利情况）进行分析。有限元计算结果见表3。

表3 超载对水泥混凝土加铺层底耦合应力影响分析计算结果

由表3可知，加铺层厚度为28 cm，轮胎与路面接触单位压力从0.7 MPa增加到1.5 MPa时，路面板底弯拉应力由2.92 MPa变化到5.08 MPa，增大了将近1倍；由此可以看出，车辆荷载对路面结构造成的损伤很大，这也说明了在重载交通路段，路面易发生破坏的原因。此外，也可以看出，加铺层厚度对耦合应力也有着重要的影响，只要保证一定的加铺层厚度，就能确保加铺的工程质量。

结语

白色罩面是在旧沥青路面上直接摊铺而成，这种技术不仅能够节约资金，而且能够最大程度地利用旧沥青路面，达到新的使用要求。本文通过对旧沥青路面上加铺水泥混凝土层的结构力学分析，研究旧路面坑槽位置、旧路面沥青层的模量对加铺层的影响，为旧沥青路面加铺水泥混凝土结构设计奠定了基础。

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