PCC-AC路面層間剪切力學(xué)分析與試驗研究

王章彪

(邯鄲市交通局監(jiān)理中心)

近年來,舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層形成PCC-AC復(fù)合式路面,已經(jīng)成為水泥混凝土路面破壞養(yǎng)護的一種經(jīng)濟有效的手段。但是近年超載車輛,特別是大幅度超限運輸車輛日益顯著增加,后軸從限定的 100kN增加到180kN以上,輪胎充氣壓力從額定的 0.7MPa增加到0.9MPa以上,車輛的超載和重載化給這種復(fù)合式路面帶來了嚴(yán)峻的考驗。

經(jīng)過大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)PCC-AC復(fù)合式路面路段的病害主要表現(xiàn)在:(1)推移變形。該損壞主要是由于路面在行車荷載和高速行駛所產(chǎn)生水平力的綜合作用下引起的層間剪切變形。(2)路面分層。PCC與AC層之間分離現(xiàn)象嚴(yán)重甚至已完全喪失粘結(jié)力。(3)水損害。如果面層出現(xiàn)損毀,大量的降水將無阻隔的直接滲入到PCC與AC層之間,致使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)水損壞。針對上述現(xiàn)象,本研究將通過軟件計算分析PCC與AC層間在不同軸載作用下的接觸狀態(tài),并結(jié)合室內(nèi)試驗對PCC與AC層間的夾層材料進行研究。

1 PCC-AC層間剪應(yīng)力力學(xué)分析

由于水泥混凝土路面整體強度高、承載能力大,而瀝青面層屬于柔性材料,在重載作用下,間接導(dǎo)致了PCC與AC層間的剪應(yīng)力大幅增加。現(xiàn)通過BISAR3.0來分析重載對層間接觸狀態(tài)的影響。計算采用典型的PCC-AC路面結(jié)構(gòu)見表1。

表1 PCC-AC典型結(jié)構(gòu)

計算時依據(jù)粘彈性層狀體系理論,假設(shè)PCC-AC路面結(jié)構(gòu)層間處于完全連續(xù)狀態(tài),設(shè)行車方向為X方向,道路橫斷方向為 Y方向,豎直向下為 Z方向,摩阻系數(shù)取 0.3,計算結(jié)果見表 2所示。

表2 沿Y方向深度為5cm層間各點剪應(yīng)力

圖1 不同軸載作用下PCC與AC層間剪應(yīng)力分布

從圖 1可以看出,最大剪應(yīng)力發(fā)生在沿 Y方向 1.5σ點處,即輪中心點的位置上。且隨著軸重的增加,剪應(yīng)力值也隨之增加,整體受力分布和標(biāo)準(zhǔn)軸載時的受力分布規(guī)律大體一致,當(dāng)超載達到 180kN時的剪應(yīng)力較標(biāo)準(zhǔn)荷載時的剪應(yīng)力增大了 1倍。在荷載的作用下,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,在較大的剪應(yīng)力的作用下會造成層間破壞。在荷載的作用下,路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,在較大的剪應(yīng)力的作用下會造成層間破壞。同時由于我國路面存在嚴(yán)重的超載情況,加劇了這種破壞的發(fā)展,一旦PCC與AC層脫離,變?yōu)橥耆瑒訝顟B(tài),AC層層底和路表輪跡帶邊緣均產(chǎn)生較大的彎拉應(yīng)力,從而造成兩頭受拉的情況。

取Y方向1.5σ點處作為最大剪應(yīng)力點,計算沿Z軸方向路面深度內(nèi)的剪應(yīng)力變化趨勢。

由圖 2可以看出,面層是剪應(yīng)力主要集中的區(qū)域,夾層位置處剪應(yīng)力最大,出現(xiàn)位置位于h=5cm處。從表面層下5cm開始,隨路面深度的增加,剪應(yīng)力逐漸減少,且衰減幅度很大。這說明AC層與PCC層之間是一個剪應(yīng)力集中區(qū)域,也是一個過渡區(qū)域。當(dāng)剪應(yīng)力衰減到一定范圍內(nèi),軸載增大對剪應(yīng)力值的影響趨于穩(wěn)定。上述力學(xué)分析表明:當(dāng)汽車高速行駛在路面上時,如果緊急或者緩慢制動,或是在長大縱坡緩慢行駛,都會產(chǎn)生較大的水平力,從而會在路面結(jié)構(gòu)的面層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪應(yīng)力是使PCC與AC層產(chǎn)生嚴(yán)重剪切形變及轍槽的重要原因。剪應(yīng)力愈大,剪切形變及轍槽愈嚴(yán)重。

圖2 不同軸載下PCC與AC剪應(yīng)力與深度關(guān)系

2 PCC-AC層間剪切試驗

剪切試驗為了測定PCC-AC層間不同夾層材料的抗剪強度,為PCC-AC層間材料的選取提供依據(jù)。為了更好的模擬真實路面結(jié)構(gòu),本實驗借助多功能路面層間剪切儀對不同的夾層材料進行直接剪切試驗。

SBS油氈、玻纖格柵、同步碎石封層、粘層油 +土工布被常用在PCC-AC夾層結(jié)構(gòu)中,因此試驗分別對比了這幾種材料抗剪強度。首先用擊實法成型一層高度為63.5mm± 0.3mm的馬歇爾水泥混凝土試件,養(yǎng)生好后在其上均勻涂上層間夾層材料,然后用靜壓法成型 5cm厚瀝青混合料。試驗溫度為20℃,剪切速率為 10mm/min,剪切時,當(dāng)剪應(yīng)力衰減到峰值時的 20%時,試驗停止。剪切數(shù)據(jù)如表 3所示。

表3 抗剪強度

從表3可以看出,SBS油氈的抗剪強度最大,粘層油+土工布的抗剪強度最小。SBS油氈與玻纖格柵的抗剪強度均大于 180kN時層間最大剪應(yīng)力。同步碎石封層抗剪強度為0.4153,而BISAR計算出180kN重載時層間剪應(yīng)力最大值為 0.417MPa,大于同步碎石封層的抗剪強度,說明在180kN軸載下,采用同步碎石封層會產(chǎn)生剪切破壞。粘層油+土工布的抗剪強度為0.3491MPa,僅滿足于140kN軸載下層間的剪應(yīng)力。

3 結(jié) 論

(1)超重荷載引起路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力大幅增加,使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪切形變,這種剪應(yīng)力的增加會使路面的損壞過程加快。

(2)層間接觸條件對層間所受剪應(yīng)力大小有很大的影響。隨著層間界面趨向光滑,PCC與AC層間所受到的剪應(yīng)力不斷增大。

(3)在對PCC-AC路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時,不但要確定適宜的結(jié)構(gòu)層厚度,而且需要對夾層材料進行研究。夾層材料的抗剪強度應(yīng)大于PCC-AC層間的最不利狀態(tài)下的抗剪強度。

[1] 楊太欽.PCC-AC復(fù)合式路面典型結(jié)構(gòu)研究[D].廣西大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[2] 劉浙湘.舊水泥混凝土路面瀝青罩面技術(shù)研究[J].中外公路,2009,(2).

[3] BiooksEW,CountrymanR.GeotextileFabricsunderanAsphalt ConcreteOverlaytoRetardReflectiveCracking[R].Federal HighwayAdministration,1999.