冷再生基层路面结构力学响应分析＊

侯昭光 赵洲清 应荣华

（珠海交通集团有限公司1） 珠海 519071） （长沙理工大学交通运输工程学院2） 长沙 410004）

对沥青路面废旧材料进行再生利用，可以有效提高资源利用率，保护生态环境，符合国家提出的发展循环经济、实现可持续发展的战略方针［1］.冷再生技术从20世纪90年代初开始，在美国、澳大利亚和南非等国家开始得到广泛的应用，我国也从1998年引进了冷再生技术，并陆续开展了相关研究［2］.采用冷再生技术，以原有部分半刚性基层和沥青面层的铣刨碎料为骨料，通过掺加乳化沥青或泡沫沥青为结合料，再加入其他外加剂拌合均匀后碾压形成一种半柔性材料，这种材料具有“刚柔相济”的特点，力学性能介于柔性基层和半刚性基层之间，从而使原先的路面结构成为半柔性基层结构［3］，其抗车辙、抗开裂性能优越，承受荷载的能力强.本文结合佛山官西线冷再生路面结构形式，采用BISAR计算软件对冷再生基层路面结构的力学特性进行分析，分析了冷再生基层路面结构的力学响应.

1 计算软件与力学参数

1.1 计算软件

本文采用壳牌的BISAR3.0计算软件［4］进行冷再生基层路面结构的力学分析，计算荷载采用标准双轮轴载BZZ－100kN，胎压0.7MPa，轮压半径R＝10.65cm，双圆中心距为15.975cm计算荷载如图1［5］.

图1 荷载形式图

1.2 冷再生路面结构形式与计算参数

分析中结合广东佛山官西线沥青路面维修改造工程，考虑当地经济发展、交通量、公路等级以及社会经济效益，拟采用现成冷再生技术对其进行维修改造.再生路面结构层计算参数主要考虑层位厚度、模量和泊松比.结构计算参数的确定综合考虑了路面状况、结构承载能力评定、材料力学计算参数的室内试验研究［6］，本研究中通过路面材料的室内试验研究和现场测试，得到再生路面结构层的计算参数见表1所列.

表1 路面结构形式与力学参数

2 力学计算结果分析

2.1 再生路面结构的位移

分析中只考虑了冷再生路面横断面方向的位移，因此没有X方向的水平向位移，图1中计算点A，B，C和D分别代表轮系边缘（靠外）、轮胎正中、轮系边缘（靠内）和双轮正中位置.分析图2和图3可以看出，就同一计算点来说，各个点的位移随路面不同深度处的变化趋势是相同的，变化趋势大致可以分为4个，从土基到30cm的压实土基顶部、从水稳基层底部到冷再生层底、从冷再生底部到面层底部、路表面到面层内；就不同的计算点而言，A，B，C和D各个计算线上的位移也存在较大的差别.

图2 各计算线上的竖向位移

图3 各计算线上的水平向（Y向）位移

由图2可以看出：A，B，C和D个点随路面深度的增加，其竖向位移逐渐减小；从路表面到沥青面层这一深度中，D点到A点的竖向位移成逐渐增加的趋势，从C点到B点的增加幅度最大，从B点和A的增加幅度较小.在路表面10～15cm处，几个点的位移计算线产生交叉，位移大小差别不大，但仍可以看出位移的大小是A到D逐渐增加.当路面深度达到40cm处即压实土基部分时，位移有了一个转折点，几个点的位移继续变小.分析原因可知，在路面结构中，沥青面层、冷再生层和水稳层作为主要的承重层，承受了车轮的荷载，当其传递到基层时，已经大大减小.位移突变的原因主要是由于所假定的路面结构中，压实土基的上一层比压实土基的抗压回弹模量大了许多，所以位移有了突变.

由图3可以看出在：水平位移的计算线中，D点的位移为零，并不随冷再生路面深度的变化而变化.在沥青面层内，A点的位移最大，都大于其他三点的水平位移，但随着路面深度的增加，三点的位移逐渐减小.在达到再生层（路表面下24 cm）底部时，各个点的水平向位移基本上趋向于零，从再生层底部到压实土基深度处，位移再变大，在路面深度达到40cm处即压实土基层顶时，达到最大，之后再次变小.由此可以看出，越是靠近轮胎行驶的外侧边沿，横向的水平位移越大，这和路面产生的推移情况相同［7］.

2.2 再生路面结构竖向应变

由图4竖向应变图中看出：D计算线在路表面即出现拉应变，并随路面深度增加而迅速减少，在路表面下约6cm（再生深度2cm）处又拉应变变为压应变，并且压应变在再生层层中随深度的增加减小.其余各个计算线上的应变在路面全深度范围内均为压应变，在路表面下约8cm范围内表现为路面厚度增加，其压应变也明显增加，然后开始逐渐减少，在再生层底部，A，B，C，D3个计算线的应变减小到最小值，且应变大小相差不大.在路面深度达到40cm处即压实土基顶层时出现应变突变，之后再次减小.

图4 各计算线上的竖向应变

由图5水平的Y向应变中可以看出：A，B，C，D4条线都是先受到压应变，之后迅速增大.A和B计算线在面层底部（路面深度4cm处）应变变为拉应变，并随厚度增加而继续增大，在再生层底约2cm（路面深度6cm）处达到峰值，然后逐渐减小；C和D2个计算线的压应变在沥青面层底达到最大，之后随深度的增加迅速减小，在再生层底部（路面深度24cm）从压应变变为拉应变，之后四条曲线的趋势基本保持一直，一直到路面深度达到40cm处即压实土基顶层时增大到峰值，并开始减小.

图5 各计算线上的水平向（Y向）应变

由图6水平的X向应变中可以看出：在路表面处，四条计算线上均表现出较大的压应变，并随着路面深度的增加而急剧降低，在沥青面层底部（路面深度4cm）处变为拉应变，在再生层底约2 cm（路面深度6cm）处达到最大，之后减小.无论是趋势还是数值，再生层以下的层位的应变区别都不大，都是先增大，在路面深度达到40cm处即压实土基顶层后减小，所表现的规律和Y向应变是相同的.

图6 各计算线上的水平向（X向）应变

2.3 再生路面结构竖向应力

由图7竖向应力计算结果可以看出：冷再生路面结构的竖向应力均为压应力，比较各个计算线上应力的大小可知，应力大小为A＞B＞C＞D，A，B，C点应力随深度的增大而减小，D点是先增大，后连续减小.各计算线上没有出现突变的情况，在路面深度达到40cm处即压实土基顶面时，应力值达到较小值，减小到1kPa以下.

由图8、图9 X向和Y向应力计算结果可以看出：X向和Y向差别不大，都从压应力渐变为拉应力，在各层位的结合处存在一个应力的突变.分析Y向应力的计算结果，发现D点的应力是先增大，然后从沥青面层底部开始逐渐减小，并和A，B，C3条计算线在冷再生层底部（路面深度24 cm）处改变为拉应力；在路面深度达到40cm处即压实土基顶部时，X向和Y向的应力发生突变，变得非常的小，均在1kPa以下.

图7 各计算线上的竖向应力

图8 各计算线上的水平向（X向）应力

图9 各计算线上的水平向（Y向）应力

2.4 再生路面结构剪应力和剪应变

由图10、图11剪应力和剪应变计算结果可以看出：各个点的剪应力随路面深度的变化趋势相差极大，从再生层底部开始差别减小.最大剪应力出现在计算线C下，即轮迹边缘附近，大致位置在路表面一下2cm处，其最大值达到近0.25 MPa.剪应力和剪应变在冷再生路面结构的面层和再生深度与约2cm内均表现出较大的数值，C，D两点在再生层以及以上的层位保持随着路面深度增加而递减的趋势，而A，B2点均是先增大，在再生深度约2cm处达到最大，之后再减小.这和路面的剪切破坏现象保持一致［8］.分析剪应力和剪应变计算结果可知，在路面深度达到40 cm即压实土基处时剪应变出现突然增大，而剪应力则出现突然变小的现象，分析原因认为这主要是压实土基的模量较小，虽然剪应力也很小，但是相对的剪应变会较大.

图10 各计算线上的剪应力

图11 各计算线上的剪应变

3 结 论

1）路面的位移在车轮通过的轮胎正中之轮胎外侧边缘最大，而双轮正中位置的垂直形变最小.

2）竖向应变数值大于水平应变，且3个方向的应变均在路面深度约为6cm处达到最大值.在垂直方向上，双轮正中位置（D点）在路面的再生层约4cm以上存在着拉应变，之后变为压应变；在X向和Y向均是先出现压应变，之后变为拉应变.

3）Z向应力的计算线在再生层底部逐渐汇合，在路面全深度范围内均为压应力；X向和Y向应力均在路面面层部位表现为压应力，之后变为拉应力，并在压实土基顶面减到很小.

4）最大剪应力和剪应变出现均出现在计算线C的位置处.剪应力的最大值出现在路表面下约2cm处，而最大剪应变峰值大致在再生深度约为2cm处.

［1］韦 琴，杨长辉，熊出华.旧沥青路面再生利用技术概述［J］.重庆建筑大学学报，2007，29（3）：128－131.

［2］拾方治，马卫民.沥青路面再生技术手册［M］.北京人民交通出版社，2006.

［3］兰承雄，谭忆秋，盛兴跃.泡沫沥青冷再生半柔性基层性能研究［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2008，27（增刊）：928－932.

［4］申爱琴，张艳红，郭寅川.三类沥青路面结构力学响应的对比分析［J］.长安大学学报：自然科学版，2009，29（4）：1－7.

［5］中华人民共和国行业标准.JTG D50－2006公路沥青路面设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［6］吴超凡，曾梦澜，钟梦武.乳化沥青冷再生混合料设计方法试验研究［J］.湖南大学学报：自然科学版，2008，35（8）：19－231.

［7］Mohammad L N，Wu Z，Daly W H.Investigation of the use of recycled polymer－modified asphalt in asphaltic concrete pavements［R］.Madison：Louisiana Transportation Research Center，2004.

［8］聂忆华，张起森，徐 阳.高等级公路沥青路面剪应力分布研究［J］.重庆建筑大学学报，2007，29（5）：86－90.