舊瀝青路面坑槽對水泥混凝土加鋪層的力學影響

□文/呂耀龍 韓湘屏 薛 文

在舊瀝青路面上加鋪水泥混凝土層（又稱白色罩面）是一項廣泛應用的路面維修技術，主要用來提高己有公路的結構承載能力。白色罩面的施工程序主要為舊瀝青路面修補、糾正路面的外形偏差、攤鋪水泥混凝土路面。國外應用經驗表明，水泥混凝土加鋪層比瀝青加鋪層更堅固耐久，是一個低投資、低養護費用的剛性加鋪層。

在舊瀝青路面上加鋪混凝土面層，混凝土面板的設計是采用新路的混凝土面板設計理論的，在計算時，認定混凝土板厚是均勻一致的。但是，在舊瀝青路面改建施工中有很多情況下，混凝土板的板厚是不一致的，有的部分混凝土板厚是超過設計值的。例如，原瀝青路面坑槽部分修補若與混凝土面板同時澆注，那么混凝土面板厚度就會超過設計的厚度，可能導致理論計算時的溫度翹曲應力與實際上混凝土板產生的溫度翹曲應力存在偏差。本文通過對舊瀝青路面水泥混凝土加鋪層的溫度力學分析，研究原路面坑槽位置、舊瀝青層模量、重載作用對加鋪層結構的力學影響，為舊瀝青路面加鋪水泥混凝土層提供設計依據。

舊瀝青路面加鋪水泥混凝土層有限元計算模型

采用ANSYS軟件對影響路面結構力學特性的參數進行計算，不考慮路面各結構層自重的影響，假定土基底面固定、四邊自由，建立三維有限元模型。見圖1。

圖1 水泥混凝土加鋪層有限元模型

（1）單元類型。水泥混凝土加鋪層采用各向同性的SOLID95單元，舊瀝青混凝土層及土基采用各向同性的SOLID45單元。考慮到計算速度的影響,假設材料組成具有各向同性的線彈性特性。接觸單元選用TARGET 170目標單元、CONTACT 173 3-D表面接觸單元。

（2）行車荷載。JTGD 40-2002《公路水泥混凝土路面設計規范》規定標準軸載為BZZ-100,輪胎接地壓強為0.7 MPa，當量圓半徑為10.65 cm，兩輪中心距為1.5d。為了計算方便,車輪荷載簡化為18.9 cm×18.9 cm的正方形均布荷載,接觸面積為357.21 cm2，雙輪中心距32 cm，由于模型和荷載具有對稱性，可取其中1/4進行分析以節省程序運行的時間。

（3）材料參數。水泥混凝土模量為34 000 MPa，泊松比為0.15。舊瀝青混凝土模量為200～1 000 MPa，泊松比為0.25，基層頂面當量回彈模量為30 MPa，泊松比為0.35，水泥混凝土板平面尺寸為4 m×6 m，舊瀝青層及加鋪層厚度為變量。水泥混凝土加鋪層導熱系數9.125×10-2W/（m·K），熱膨脹系數 3.661×10-8/K；舊瀝青層導熱系數 4.393×10-2W/（m·K），熱膨脹系數2.929×10-7/K；基層頂面當量回彈摸量導熱系數3.112×10-2W/（m·K），熱膨脹系數 1.647×10-7/K。

（4）臨界荷位。水泥混凝土板縱縫邊緣。

舊路路面坑槽水泥混凝土加鋪層應力分析

舊瀝青路面由于交通荷載的重復作用，面層局部出現坑槽，對舊瀝青路面有坑槽部分修補時若采用與混凝土面板同時澆注，水泥混凝土板受力會受到一定影響。同時坑槽位置及坑槽面積不同也會對路面受力產生不同影響。

本文選取相對加鋪層板板角、板中、縱縫邊緣有坑槽修補時，對路面進行力學分析。坑槽位置見圖2和圖3。

圖2 舊路面坑槽位置示意

圖3 路面縱斷面

車輛荷載作用于縱縫邊緣中部，路表溫度變化前路面各結構層的平均溫度為0℃，降溫后舊瀝青層底面溫度為-10℃，有限元計算結果見表1。

表1 加鋪層板底應力計算結果

由表1可以看出，舊路坑槽位于板中時，水泥混凝土加鋪層板底荷載應力最大；坑槽位置從板中向板邊靠近時，水泥混凝土加鋪層荷載應力隨之減小。加鋪層底的荷載應力隨之坑槽面積的的增加有逐漸減小的趨勢，但變化不明顯。板角有坑槽時溫度應力值最大，隨加鋪層面積的增大有減小的趨勢。對于荷載與溫度應力的耦合作用，坑槽位于板中時應力最大，隨坑槽面積的變大而逐漸變小。這就表明，位于加鋪層板中的舊路上的小坑槽對加鋪后的路面結構影響最大。

此外，通過對舊瀝青路面坑槽修補后加鋪與不修補直接加鋪相比，板底最大彎拉應力坑槽無修補要小于直接加鋪時的應力。因此，對于舊路病害，建議加鋪前進行修補，以利于加鋪后水泥混凝土面層的受力。

舊路面瀝青層模量變化對加鋪層應力的影響

考慮車輛荷載與溫度荷載作用情況，由于溫度作用對加鋪層的影響要遠低于車輛荷載作用的影響，即溫度荷載對疲勞壽命的影響比車輛荷載的影響要低，所以本文取板中坑槽部分修補后再加鋪以及舊瀝青層參數變化對路面受力影響。計算結果見表2。

表2 瀝青層模量對路面應力影響分析計算結果 MPa

由表2可以看出，舊瀝青路面坑槽位于加鋪層板中，層間連續時，車輛荷載及溫度荷載引起的路面應力隨舊瀝青路面模量的增大而減小，當舊瀝青層模量由500 MPa增加到1 500 MPa時，荷載應力減小了8.78%，而溫度與荷載耦合應力減小了14.78%；層間光滑時，溫度與荷載應力對路面結構的影響隨舊路回彈模量的變化很小，當舊瀝青層模量由500 MPa增加到1 500 MPa時，荷載應力幾乎沒有變化，而耦合應力僅從2.69 MPa變化到2.68 MPa。因此，在舊路加鋪前，應采取提高舊路面與水泥混凝土加鋪層間的粘結能力的措施，改善層間接觸狀態，降低加鋪層底的溫度與荷載應力。

重載作用對水泥混凝土加鋪層力學影響

取板中坑槽部分修補后，輪胎與路面接觸單位壓力為0.9、1.1、1.3和1.5 MPa研究重載作用對水泥混凝土加鋪層的影響。加鋪層與原路面滑動接觸時（即路面受力最不利情況）進行分析。有限元計算結果見表3。

表3 超載對水泥混凝土加鋪層底耦合應力影響分析計算結果

由表3可知，加鋪層厚度為28 cm，輪胎與路面接觸單位壓力從0.7 MPa增加到1.5 MPa時，路面板底彎拉應力由2.92 MPa變化到5.08 MPa，增大了將近1倍；由此可以看出，車輛荷載對路面結構造成的損傷很大，這也說明了在重載交通路段，路面易發生破壞的原因。此外，也可以看出，加鋪層厚度對耦合應力也有著重要的影響，只要保證一定的加鋪層厚度，就能確保加鋪的工程質量。

結語

白色罩面是在舊瀝青路面上直接攤鋪而成，這種技術不僅能夠節約資金，而且能夠最大程度地利用舊瀝青路面，達到新的使用要求。本文通過對舊瀝青路面上加鋪水泥混凝土層的結構力學分析，研究舊路面坑槽位置、舊路面瀝青層的模量對加鋪層的影響，為舊瀝青路面加鋪水泥混凝土結構設計奠定了基礎。

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