成绵高速路面改造工程沥青加铺层力学分析

鄢桂龙

(新疆交通规划勘察设计研究院)

成绵高速路面改造工程沥青加铺层力学分析

鄢桂龙

(新疆交通规划勘察设计研究院)

以成绵高速公路路面改造工程为依托，通过室内足尺模型试验，研究不同碎石化程度下，路面结构力学行为。研究表明:破碎层的破碎粒径是决定沥青加铺层路用性能的重要因素，碎石化程度较高的沥青加铺层(模型Ⅱ)的抗疲劳特性明显优于碎石化程度较低的加铺层(模型Ⅰ)。

道路改造;碎石化;沥青加铺层;力学分析;抗疲劳特性

0 引言

随着道路使用年限的增长，原有水泥混凝土路面在交通荷载及环境条件的共同作用下，必然会产生各种形式的破坏，进而影响行车安全。因而，对原有水泥混凝土路面的改造变得越来越重要。目前对水泥混凝土路面的改造主要分为两种:(1)在原有水凝混凝土路面的基础上直接加铺新的水泥混凝土面层(即白加白);(2)将原有损坏的水泥混凝土破碎(即碎石化)，作为基层基础加铺沥青混凝土面层(即白加黑)。白加黑的关键技术是对面层反射裂缝的控制，大量实践经验表明:碎石化程度的好坏直接影响加铺层的结构性能。因而，碎石化程度成为白加黑技术的关键因素。

1 工程概况

成绵高速从1997年建成通车以来，已运营了10多年，是连接四川省南北的交通运输大动脉，为四川的经济做出了突出的贡献。但是，随着使用年限的增长和平均日交通流量的不断增大，原有水泥混凝土路面出现了不同程度的损坏，对驾驶员及旅客造成严重威胁。相关部门决定对其进行改造，将原有水泥混凝土面层进行碎石化，作为基层的基础，重新铺筑沥青混凝土面层(即白加黑)。

2 实验方案

2.1 实验模型建立

为了探讨不同碎石化程度对沥青加铺层的影响，结合成绵高速公路道路结构特点，通过建立室内足尺模型，分两种工况进行平行疲劳性能试验。对相同的条件水泥混凝土路面，以不同的破碎能量将其破碎到不同的破碎粒径，再以相同的压实功将其压实到规范要求的压实度作为新路面的基层，然后在其上面铺筑相同厚度的沥青混凝土面层。两种工况模型如下。

模型Ⅰ:40 cm的土基+10 cm的水泥稳定基层+30 cm的破碎水泥混凝土板(碎石表层破碎粒径≤15 cm，破碎深度10 cm)+10 cm的沥青加铺面层。

模型Ⅱ:40 cm的土基+10 cm的水泥稳定基层+30 cm的破碎水泥混凝土板(碎石表层破碎粒径≤7.5 cm，破碎深度10 cm)+10 cm的沥青加铺面层。

2.2 水泥混凝土破碎

旧水泥混凝土碎石化程度高低直接影响路面加铺层的路用性能。如果破碎时能量过小，破碎粒径较大则不能消除旧水泥混凝土对加铺层的不良影响，导致面层反射裂缝较多，降低加铺沥青面层的长期路用性能;反之，如果破碎能量过大，旧水泥混凝土被“粉末化”难以压实，相互之间难以形成嵌挤结构，导致新路面基层强度较低，从而增大了面层弯沉，沥青层底弯拉应力较大，容易产生疲劳破坏。

因此，采用合适的破碎冲击能量是保证破碎效果的重要因素。由于场地等条件的限制，本试验采用空压气锤将旧水泥混凝土破碎到目标粒径，然后用蛙夯将其压实到要求压实度。破碎压实后的筛分曲线如图1。

图1 旧水泥混凝土破碎压实后的筛分曲线

2.3 数据采集

为了探讨碎石层碎石化程度与加铺层结构力学响应的关系，并使测试结果具有可比性，两种模型采用相同的测点布置方法。试验拟测试变量为沥青层底的应变、累计应变、面层表面位移、土基层顶的应力。

3 实验结果分析

破碎后的碎石层作为新沥青混凝土路面的基层，不仅要起到承受车辆荷载产生的竖向力作用，还要起分散竖向力的作用，即将车辆荷载力均匀分散到路面各结构层。因此，要求碎石层要有足够的强度，碎石层颗粒粒径组成决定碎石层强度。模型Ⅰ和模型Ⅱ除碎石层破碎粒径组成不同外，其它条件均相同，因此，碎石化程度不同是导致试验不同结果的唯一因素。

向模型Ⅰ和模型Ⅱ加载50 kN正弦力60万次，所测得的荷载中心处沥青层底应变值如图2所示。从图中可以看出:沥青层底的拉应变随荷载作用次数的增加而增大;模型Ⅰ沥青加铺层层底拉应变大于模型Ⅱ层底拉应变。由于试验采用的荷载较小，达不到是沥青混凝土出现非线性变形的条件，即可以认为沥青加铺层层底拉应变处于弹性变形阶段，将层底拉应变进行线性拟合得模型Ⅰ层底纵向拉应变与荷载次数的关系方程ε=-0.864n-1.955;模型Ⅱ层底纵向拉应变与荷载次数的关系方程为ε=-0.364n+4.436，n为荷载作用次数(万次)。从以上关系式方程可以看出:模型Ⅰ的层底拉应变增长率是模型Ⅱ的2倍，从发展规律来看，模型Ⅰ会早于模型Ⅱ进入疲劳破坏阶段，即碎石化破碎粒径较小的模型Ⅱ抗疲劳能力要优于破碎粒径较大的模型Ⅰ。

图2 模型Ⅰ、Ⅱ沥青加铺层层底中心处应变值

4 结论

(1)在用白加黑技术进行路面改造的过程中，水泥混凝土的破碎粒径是决定沥青加铺层路用性能的重要因素。

(2)在相同荷载水平及环境条件下，碎石化程度较高的模型Ⅱ的层底拉应变和应变增长率要明显小于碎石化程度较低的模型Ⅰ，因此，模型Ⅱ的沥青加铺层抗疲劳特性要优于模型Ⅰ。

［1］万伟.道路白加黑碎石化技术研究［D］.华中科技大学硕士学位论文，2008.

［2］张玉宏.水泥混凝土路面碎石化综合技术研究［D］.东南大学博士学位论文，2006.

［3］郭林泉，周玉民，谈至明.碎石化就混凝土路面上沥青加铺层应力及顶面模量［J］.公路交通科技，2009.

［4］符冠华，倪富健，战高峰.旧水泥混凝土路面上沥青加铺层反射裂缝疲劳试验研究［J］.公路交通科技，2000.

［5］张泉，陆阳，杨智敏，等.碎石化混凝土路面沥青加铺层结构的数值分析［J］.公路交通科技，2009.

U416.217

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1008-3383(2012)07-0001-01

2012-03-08

鄢桂龙(1985-)，男，湖北仙桃人，助理工程师，研究方向:公路工程。