碎石化条件等级路水泥混凝土路面加铺层结构优化

孙晋举

（枣庄市公路管理局，山东枣庄 277300）

0 前言

随着我国经济的发展，各省均面临着繁重的交通建设任务，近年来公路等级与里程数均大幅增长，经过一段时间运营以后，已建成路面的养护、大修改造也逐步成为工作的重点之一。水泥混凝土路面作为重要的路面结构型式，在我国公路总里程中占有不小比例。水泥混凝土路面改造困难已成为制约水泥混凝土路面广泛应用的主要原因之一。解决旧水泥混凝土路面改造的技术难题，是广大工程技术人员目前面临的一个现实问题。尽管目前有诸多处治方法，如压密注浆、加铺各种土工加筋材料、直接清除等，前两种方法难以有效控制反射裂缝的发生，直接清除还会造成环境污染。基于旧水泥混凝土路面碎石化技术的处治方法可对旧混凝土路面原位破碎后加以利用，既充分利用既有资源，又能减少对环境的影响，适用于我国等级路改造建设[1][2]。根据国外经验，碎石化破碎完成之后，需加铺10～15 cm的沥青碎石等应力吸收层，然后铺筑沥青面层。但随着沥青价格的不断上涨，这种加铺层结构难以在等级路中推广使用，也同时阻碍了碎石化技术的应用。因此，结合我国等级路建设的实际情况，以减少工程造价和有效控制反射裂缝为双控指标，通过加铺半刚性基层和减薄沥青面层厚度为方法[3]，同时考虑到等级路承受重载交通条件，本文采用有限元分析方法进行路面结构优化，提出经济合理的路面加铺层结构方案，可以很大程度的降低公路改造费用、节约资源、保护环境，适用于等级路改造建设。

1 旧路面结构层碎石化后模量损失

实践表明，碎石化技术适用于旧路面出现大量的接缝缺陷、超过20%的板出现开裂、超过20%的路面需要修补等情况的路段[4]。破碎会降低水泥混凝土路面的平均强度，使加铺成为必然的后续工作。在破碎后结构层上进行加铺可有效消除差异沉降、防止反射裂缝的发生。水泥混凝土破碎程度是需要把握的重要标准，混凝土路面破碎需要在结构性降低和反射裂缝风险增高之间寻求平衡。适宜的破碎后有效模量应使反射裂缝可能性降低到一定程度，在此情况下尽量保证原混凝土板块结构性[5]。混凝土面板破碎后如何评定其承载能力，国内缺乏充分研究。由于现行沥青路面设计规范对于材料是以回弹模量表示其强度的[6]，同时，破碎后的结构层由于表层颗粒较小且松散，因此采用FWD进行破碎后的路面弯沉检测后换算回弹模量，基层以下则采用刚性承载板，针对代表性路段基层回弹模量进行了现场实测。利用FWD测试的数据进行计算，两段路段测试结果，E1=172.6 MPa，E2=221.6 MPa,出于测试精度的要求，可以选取221.6 MPa作为碎石化后的当量回弹模量，而基层顶面的当量回弹模量为342 MPa，221.6 MPa＜342 MPa，故需要进行补强层设计。由此换算得到打裂混凝土板本身的模量为375 MPa，重新利用ANSYS计算可知结果相差1%左右，不影响最终结果，见表1、图1。

表1 碎石化处理后结构层的回弹模量（单位：MPa）

由表1可以看出，旧水泥混凝土路面破碎成为15～30 cm的块状后，回弹模量有显著的降低且均匀性较好，降至221.6 MPa。碎石化层的刚度要优于普通级配碎石结构，碎石化层便形成了坚硬的粒料基层。该模量比较合理地反映了该路段混凝土面板碎石化后实际承载能力，可以作为上面加铺层结构厚度计算的依据。这样设计者就可以根据各个路段所测得的不同承载能力进行设计计算，避免了主观性和盲目性。路面新加铺结构层厚度不应完全参照新建路加铺层结构形式，而存在可优化的余地。因此，本文结合枣庄206国道旧水泥混凝土路面的实际改造工程，对不同加铺层结构形式的受力特点及疲劳寿命进行了分析比较。

2 加铺层结构设计计算方案

2.1 有限元模型的建立

通过现场实测回弹模量，确定力学计算参数，见表2。进行路面力学计算时，基于弹性层状体系，考虑为双圆荷载作用形式，采用ANSYS建立二维平面应变模型[7]，重点分析路面结构层弯沉、层底拉应力、拉应变及疲劳寿命，评价加铺层方案的合理性。基层材料参数见表3。

表2 有限元计算材料参数

表3 基层材料参数

2.2 加铺层结构方案组合

有限元计算时，改变半刚性基层种类、厚度及面层结构厚度，分别计算在标准轴载（0.7 MPa）和超载(1.1 MPa)两种情况下的加铺层结构的受力特征（见表 4）。

表4 界面完全连续加铺层结构优化方案

路面弯沉值如图2所示，对于方案组合类型I，在保证2层16 cm基层厚度的情况下，弯沉随材料模量变化趋势明显。其中密级配水稳碎石材料的弯沉值最小，为51(0.01 mm)；对于方案组合II，基层厚度减薄后，路面弯沉上升较快，其中柔性基层方案9最大，如在轴载为0.7 MPa和1.1 MPa条件下，方案7比方案2路面弯沉均增大10%；对于方案组合III，直接加铺15 cm沥青混凝土面层，比设置基层时路面弯沉增大较为明显，如方案10比方案1增大约15%。因此，旧路破碎后加铺半刚性路面比直接加铺沥青路面的弯沉值更小，而且半刚性基层减薄对路面弯沉的影响不大。

3.2 层底拉应力

图3、表5分别为加铺层层底拉应力图及与容许拉应力比较表。面层最大拉应力变化较平缓，基层波动较大。在重载交通条件下，除方案9和10外，其余方案应力增加明显，其中基层应力平均增加了98%，面层应力平均增加了130%。增值最小的分别是沥青碎石柔性基层和直接加铺15 cm沥青面层，分别为52%和3%。由此说明柔性结构更能应对重载交通。

表5 轴载为1.1 MPa时加铺层层底拉应力与容许拉应力比较

比较各方案基层层底拉应力σ1与容许拉应力σR可知，各方案在标准轴载下的基层和面层层底拉应力较小，(σR-σ1)/σR较大，均在0.50和0.70以上，安全系数较高；而在超载情况下，方案3、4、5基层层底拉应力已经超过或接近容许拉应力，其余 (σR-σ1)/σR值在0.11和0.80之间波动，说明在重载交通条件下，刚度较大的基层易破坏。面层最大拉应力除方案9和10的富余量较小外，其余各方案都在0.30左右，波动较小。

3.3 层底拉应变

结构层层底拉应变见图4。

对于类型I，方案1～6基层及面层层底拉应变大小趋近一致。对于类型II，减薄了基层厚度后，基层层底拉应变明显增大，如在1.1 MPa时，方案 8(357με)比方案 5(261με)增大了 37%。对于类型III，直接加铺15 cm沥青混凝土的方案10面层层底拉应变最大。

3.4 疲劳寿命

疲劳寿命见表6。

表6 疲劳寿命

由表6可知，除方案4、5、6、7基层疲劳寿命明显偏小外，各方案在标准轴载及超载交通条件下均具有较高的疲劳寿命，路面疲劳寿命受控于面层；对于各方案的面层疲劳寿命，除方案10较差外，其余方案相差不大；对比方案1和8，薄基层疲劳寿命降低较为明显，但面层疲劳寿命却优于或接近厚基层结构，由于整体路面结构寿命仍受控于面层，方案8比方案1更具有经济性优势。对比方案9与其他方案可知，柔性路面结构应对超载的能力较强。

3.5 基层和面层厚度的优化

在上述计算方案的基础上，为了验证基层和面层厚度是否存在优化的余地，特设置类型III进行比较。路表弯沉、面层最大拉应力和拉应变见图5～图 7。

由图5～图7可知，减薄了面层厚度后，弯沉、面层最大拉应力和拉应变均增大，其中1.1 MPa下的最大拉应变增大了42%，从而使得疲劳寿命大大降低，说明打碎后直接加铺沥青混凝土时，厚度不应低于15 cm。方案12的各项力学指标均好于直接加铺沥青混凝土，但与方案8结果相差无几，说明16 cm的基层厚度也能满足要求。

4 结语

（1）旧混凝土路面实施碎石化后，面层的模量降至384 MPa，形成坚硬的粒料基层，优于普通级配碎石基层。

（2）对于多数半刚性材料，用于碎石化条件下的加铺层结构时，其路表弯沉、面层层底拉应力、拉应变和疲劳寿命与直接加铺15 cm沥青混凝土的各项指标相差不大，个别情况下甚至优于后者。无论从经济性能，还是从力学性能分析，旧水泥混凝土路面破碎后采用半刚性基层+10 cm沥青混凝土作为加铺层结构是可行的。通过有限元计算表明，采用二灰碎石、水泥石灰碎石和新级配水稳碎石作为加铺层结构的基层更为合理。

[1]王松根,张玉宏,曹茂坤,等.水泥混凝土路面碎石化改造技术应用与探讨[J].公路.2004(5):31-35.

[2]黄晓明,张玉宏,李 昶,等.水泥混凝土路面碎石化层应力强度因子有限元分析[J].公路交通科技.2006,23(2):52-56.

[3]邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2005.

[4]王松根,张玉宏.旧水泥混凝土路面碎石改造技术应用与探讨[J].公路,2004(5):31-35.

[5]王松根,张玉宏.旧水泥混凝土路面碎石化再生技术研究与应用[J].公路交通科技（应用技术版）,2006(11).

[6]侯利国,马建青,吕伟民.混凝土面板碎石化承载能力的评定[J].养护机械与施工技术,2006(3):26-29.

[7]嘉木工作室.ANSYS 5.7有限元实例分析教程[M].北京:机械工程出版社,2002.