重载交通碎石化加铺沥青路面结构的优化研究

全　锋

(1.衡阳市衡通公路桥梁勘察设计有限公司，湖南 衡阳　421001；2.衡阳市公路管理局，湖南 衡阳　421001)



重载交通碎石化加铺沥青路面结构的优化研究

全锋1，2

(1.衡阳市衡通公路桥梁勘察设计有限公司，湖南 衡阳421001；2.衡阳市公路管理局，湖南 衡阳421001)

针对特重交通荷载等级下，对国道G107路面改造工程的碎石化加铺沥青路面的结构方案进行优化分析。采用ANSYS有限元软件建模分层分析碎石化加铺沥青路面结构的层底拉应力及温度应力的力学性能，最终分析出最优的碎石化加铺沥青路面的结构组合，并利用层状弹性体系理论程序HPDS2011对该优化结构层进行验算，满足设计要求。

；路面改造；结构设计；碎石化；加铺沥青路面；有限元；优化

水泥混凝土路面改造中的“白改黑”方案，是对原水泥混凝土路面面层进行破碎后并压实处理，即对原水泥混凝土碎石化处理，再加铺沥青面层(或基层+沥青面层)。与这种施工工艺源自美国，2002年引进国内，近几年在国内开始推广，笔者所在城市是2007年才首次采用了碎石化工艺对本区域一条干线公路进行路面改造，之后陆续在国省干线的路面大修改造中推广了碎石化技术。

目前交通运输行业形势严峻，车辆超载情况屡见不鲜，严重影响和缩短了区域内各公路及城市道路路面结构的使用寿命，对碎石化改造路面更是如此。优化特重交通荷载等级下的碎石化路面结构设计方案，对今后的水泥路面改造具有很迫切的现实意义。本次研究的G107路面改造项目为本区域典型的重载交通下的旧水泥路面碎石化加铺沥青路面的改造工程。

1　碎石化路面结构设计指标分析

针对碎石化路面结构设计，主要有2个控制性指标；①交通荷载等级，即项目道路的累计标准轴次；②碎石化老路面的回弹模量。

1.1交通荷载等级取值

本次结构优化采用G107路面改造项目的累计标准轴次的等级：特重交通荷载等级，累计标准轴次：1.7×108(以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标)。

1.2路面结构计算模型

G107路面改造项目的原设计方案的路面结构层为：

上面层：4 cm细粒式沥青混凝土AC-13；

下面层：6 cm中粒式沥青混凝土AC-20；

连接层：1 cm沥青下封层+透层；

基层：24 cm 5%水泥稳定碎石；

基层：21 cm 4%水泥稳定碎石；

底基层：破碎原水泥路面作底基层。

由于碎石化处理后的旧水泥路面情况比较复杂[1，2]，基本上分为两层，为更符合实际情况，根据G107线路面改造项目的路面设计结构方案，以及本区域其它碎石化工艺项目的路面结构情况，确定本次优化研究的路面结构模型如表1所示：其中计算层1至计算层4的具体厚度将根据路面结构设计需要选取。

表1 优化后路面结构模型表序号结构层名称厚度/cm备注1细粒式沥青混凝土计算层12中粒式沥青混凝土计算层23粗粒式沥青混凝土计算层34水泥稳定碎石计算层45碎石化上层126碎石化下层127原路面(原路面基层)

1.3路面结构材料模量取值

路面结构材料的回弹模量，无论是半刚性材料还是沥青路面材料的指标都较为成熟，关键是控制水泥路面碎石化层结构的回弹模量，根据查阅国内外相关研究资料和G107线路面改造项目的工程实践情况，碎石化层结构的回弹模量也趋于一个较稳定的区间，一般情况下>200 MPa。

本次结构优化研究碎石化处理后的碎石化层上层取模量取200 MPa；碎石化层下层由未完全断开的水泥砼块组成，镶嵌紧密，根据国外相关研究资料[3]表明，下层模量取3 450 MPa；原路面基层模量取1 100 MPa，原路基顶面的回弹模量取150 MPa。其它沥青面层、稳定类基层等结构层取值均采用常规设计模量。

2　碎石化加铺沥青砼路面结构的有限元分析

2.1碎石化加铺沥青砼路面结构有限元模型的建立

本次根据本区域项目实施经验及参考相关文献资料，确定各种路面材料的计算参数，如表2所示。进行路面力学计算时，基于弹性层状体系，考虑为标准荷载作用形式，采用 ANSYS建立三维应力模型，分析路面结构层层底拉应力情况，并对照分析评价碎石化路面加铺层设计方案的最优结构厚度。

汽车荷载采用《公路沥青路面设计规范》[4]规定的双轮组单轴载BZZ-100作为标准轴载。轴载参数见表3所示。为方便计算，模型尺寸统一采用：宽×长=3.5 m×2.2 m。

表2 有限元材料计算参数表路面结构材料厚度h/cm模量E/MPa密度ρ/(kg·m-3)泊松比υ上面层细粒式沥青混凝土4～6130020000.25中面层中粒式沥青混凝土4～8110020000.25下面层粗粒式沥青混凝土4～10100021500.25新基层水泥稳定碎石15～50140021000.25碎石化上层旧水泥混凝土板1220022000.25碎石化下层旧水泥混凝土板12345022000.25原路面基层水泥稳定类基层20110018500.25

表3 标准轴载计算参数标准轴载P/kN轮胎接地压强p/MPa单轮传压面当量圆直径d/cm两轮中心距1000.721.31.5d

2.2水稳基层厚度的分析

1) 根据G107路面改造项目的路面设计情况，首先拟定控制加铺水稳基层厚度设定路面结构方案，如表4所示。

2) 车辆荷载应力分析通过ANSYS有限元计算后，各个方案的碎石化结构方案在车辆的标准轴载下，结构层拉应力分析如下：

如图1、图2、图3所示，水泥稳定碎石层和细粒式沥青混凝土层的拉应力值随水稳层厚度的增厚而逐渐降低，其中水泥稳定碎石厚度为15～35 cm的区间降低趋势较为明显，降幅约为7.1%～3.8%左右；厚度为35～50 cm的区间降低趋势较为缓和，降幅基本稳定在1%左右。由此可认为，35 cm的厚度附近是水泥稳定碎石的最优厚度界线。

表4 控制加铺水泥稳定基层厚度结构方案表方案序号路面结构设计厚度/cm沥青砼细粒式中粒式水泥稳定碎石基层碎石化上层下层原路面基层1461512122024620121220346251212204463012122054635121220646401212207464512122084650121220

行车道方向　　　　　　垂直行车道方向

行车道方向　　　　　　垂直行车道方向

图2　水泥稳定碎石层拉应力图

图3　细粒式沥青混凝土层拉应力图

2.3沥青面层厚度的分析

1) 前述分析表明，水泥稳定碎石基层最优厚度适宜采用35 cm，再以控制加铺沥青面层厚度设定路面结构方案，如表5所示。

2) 车辆荷载应力分析。

通过ANSYS有限元计算后，各个方案的碎石化结构方案在车辆的标准轴载下，结构层拉应力分析如下：

如图4、图5所示，当路面结构的基层固定为35 cm厚水泥稳定碎石，其细粒式沥青混凝土层的拉应力值随沥青面层厚度的增厚而逐渐增加，当沥青面层厚度为8 cm厚度附近时，拉应力趋势出现明显变化。当沥青面层厚度为6～8 cm的区间，拉应力增加趋势较为明显，增幅约为4.5%～6.9%左右；8～20 cm的区间降低趋势较为缓和，增幅基本稳定在0.4%左右。由此选定，10 cm的厚度附近是沥青混凝土面层的最优厚度界线。

表5 控制加铺沥青面层厚度结构方案表方案序号路面结构设计厚度/cm沥青砼细粒式中粒式粗粒式水泥稳定碎石基层碎石化上层下层原路面基层16351212202443512122034635121220448351212205464351212206466351212207468351212208461035121220

行车道方向　　　　　　垂直行车道方向

图5　细粒式沥青混凝土层拉应力图

3) 温度应力分析。

根据表5中路面结构，通过ANSYS有限元计算，模拟本地区平均气温上升20 ℃和下降20 ℃的变化情况，对结构层表层沥青面层的温度应力的影响，温度应力分析如下：

如图6、图7、图8所示，当路面结构的基层固定为35 cm厚水泥稳定碎石，其细粒式沥青混凝土层的温度应力值随沥青面层厚度的增厚而逐渐增加并趋于稳定，当沥青面层厚度大于8 cm之后，温度应力出现明显稳定趋势。由此选定，10 cm的厚度附近是沥青混凝土面层的最优厚度界线。

行车道方向　　　　　　垂直行车道方向

行车道方向　　　　　　垂直行车道方向

图7　沥青砼层温度应力图(升温20 ℃)

图8　沥青砼层温度应力图(降温20 ℃)

2.4有限元分析结论

根据有限元分析结果，碎石化加铺沥青砼路面的最优结构组合为：35 cm水泥稳定碎石基层+10 cm沥青砼面层。该结构在标准轴载作用及温度变化下，所受最大拉应力及温度应力处于最优的状态。

3　优化后沥青路面结构的验算

根据前节分析的优化结构层组合，利用层状弹性体系理论程序《公路路面设计程序系统》HPDS2011对该结构进行验算，论证该结构是否满足设计指标。

验算碎石化路面结构厚度如表6所示。

表6 路面结构验算厚度序号结构层名称厚度/cm备注1细粒式沥青混凝土42中粒式沥青混凝土6计算层13水泥稳定碎石35计算层24碎石化上层125碎石化下层126原路面基层20

各结构层的材料模量取值与前章相同，其他计算参数参照G107项目的情况选取。

分别以计算层1与计算层2作为计算层验算，设计弯沉情况与最大层底拉应力值如表7所示。

计算结果表明，路面优化结构中沥青面层厚度为10 cm，水泥稳定层厚度为35 cm。该结构优化结构能满足G107线路面改造项目设计要求。该项目原设计沥青面层采用10 cm是较为合适的，原设计水泥稳定基层厚度45 cm较为保守，厚度可优化减薄10 cm。证明碎石化处理后的原路面的实际承载效果更好，原项目设计的路面结构为加强方案。

表7 优化结构设计计算成果结构层厚度/cm是否满足设计弯沉要求层底最大拉应力/MPa计算层1计算层2设计拉应力/MPa细粒式沥青混凝土AC-134是-0.137-0.1340.23中粒式沥青混凝土AC-206是-0.102-0.0970.155%水泥稳定碎石(基层)20是0.0530.0530.134%水泥稳定碎石(基层)15是0.1190.1140.13

4　结语

1) 通过ANSYS有限元软件建模分析，水泥稳

定碎石层和细粒式沥青混凝土层的层底拉应力值随水泥稳定碎石层厚度的增厚而逐渐降低并趋于稳定。分析认为：水泥稳定碎石层最优厚度适宜采用35 cm。

2) 通过ANSYS有限元软件建模分析，水泥稳定碎石基层厚度采用35 cm时，细粒式沥青混凝土层的层底拉应力值及温度应力值随沥青混凝土厚度的增厚而逐渐增加并趋于稳定。分析认为：沥青混凝土最优厚度适宜采用10 cm。

3) 采用HPDS2011软件的验算，优化结构厚度“10+35”能满足G107线路面改造项目的设计要求，原设计的碎石化加铺沥青路面结构方案仍然有优化空间。

[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]邵学良，秦兴华，王胤，等.碎石化水泥混凝土路面加铺层结构研究与设计[J].城市道桥与防洪，2009(5)：31-35.

[4]JTG D50-2006，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

2016-03-30

全锋(1982-)，男，工程硕士，工程师，从事路桥设计。

；1008-844X(2016)03-0027-04

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