MHB碎石化后瀝青加鋪層應力有限元研究

尚志剛，王玉平

（1.天津城建設計院有限公司，天津市 300073；2.長安大學，陜西 西安 710064）

0 前言

板底脫空、接縫錯臺等是水泥路面常見的病害，且病害發生后路面難以修復，國外在處理舊水泥路面的過程中形成了原位再生利用的MHB碎石化技術，該技術具有工程造價低、保護環境、節約資源、消除加鋪層的反射裂縫等優點。

2002年，我國首次從國外引進MHB碎石化技術，并在國內一些道路中進行了應用，取得了一些成果，但對碎石化層的力學性能研究還較少，且目前的研究大都沒有考慮碎石化松散層的作用，與實際情況不符，為進一步認識碎石化層對加鋪層的應力影響作用，本文建立了考慮松散層的碎石化結構有限元模型。

1 松散層的作用分析

舊水泥路面碎石化后，根據形成顆粒的物理特性沿豎向把舊水泥路面碎石化后分為表面松散層、碎石化層上部及碎石化層下部三層，其中松散層厚約2～5 cm、碎石化層上部厚約10 cm、碎石化層下部厚約10 cm，見圖1。

圖1 舊水泥路面碎石化后結構分層

各層由于吸收能量多少的不同，粒徑相差較大。舊水泥路面表層與MHB設備的錘頭直接接觸，吸收的能量最充分，碎石化后成鱗片狀，同時由于受到破碎設備的振動較大，破碎后的片狀顆粒在表面形成松散狀的一層。該層經Z型壓路機和光輪壓路機進一步的破碎壓實后，顆粒間的聯結有所加強，該層強度的形成原理與碎石材料相似，可把該層看做松散粒料類材料，但破碎后松散層呈現開放狀態，容易受到大氣降水的影響（見圖2）。

圖2 碎石化松散層

基于以上原因，推薦對松散層進行一定的技術處理。目前，國內常采用在碎石化后灑布乳化瀝青透層油并拋灑石屑的方法（碎石化層撒布透層油后見圖3）。乳化瀝青可以增強松散層和碎石化上部頂層的聯系，透層油灑完后應撒布適量石屑，但由于石屑不能填滿顆粒間的縫隙，該層次形成骨架-空隙結構。透層瀝青的規格和質量均按《公路瀝青路面施工規范》有關規定選用，用于透層油的液體瀝青用量為2.5～3 kg/m2，其中瀝青含量50%～55%，然后，灑布用量為2～3 m3/1 000 m2的碎石一層，但碎石用量不宜過多。碎石灑布完立即用20 t的光輪壓路機穩壓兩遍，壓實效果以不粘輪為準。

圖3 撒布透層油后的碎石化層

松散層處理后具有一定正面作用，如松散層顆粒粒徑較小，因此容易吸收下部層次的不均勻沉降等，其作用類似于應力吸收層，對消除瀝青加鋪層的反射裂縫有很大的作用。因此，在建立有限元模型時不能將該層次省略，本文首次在有限元模型中獎松散層看做一層，其厚度為為4 cm的均有一層。

2 有限元模型的建立

2.1 邊界條件及模型的假設

（1）瀝青加鋪層、碎石化層、舊基層、地基等都為均勻、連續、各向同性的線彈性體；

（2）新建瀝青混凝土面層兩端橫截面上的水平位移為零；

（3）原基層及土基底面各向位移為零，側面水平方向位移為零；

（4）碎石化層為板單元，路基采用彈性地基；

（6）各層層間豎向、水平向位移均連續；

（7）層間完全連續，不計路面結構自重，

（8）各層在水平方向均為無限長，但厚度均有限；

（9）瀝青面層表面自由，在其上作用均布垂直荷載和水平荷載。

2.2 路面結構尺寸及材料參數

由上述分析可知，混凝土顆粒粒徑沿豎向逐漸增大，可分為三個層次。其中，松散層強度較低，屬松散粒料，其性能類似于級配碎石，可將其簡化為4 cm的級配碎石；碎石化層上部類似于瀝青穩定粒料，將其簡化為連續均勻的一層；石化層下部顆粒粒徑較大，塊體粒徑約為30 cm，塊體相對于水泥板來說較小，因此無法和水泥板一樣靠板體的撓曲擴散荷載，本文將其簡化為存在大量較寬裂縫的水泥混凝土塊層，在有限元建模時仍將其看作線彈性體。

（1）瀝青加鋪層采用三層，其模量依次取1 400MPa、1 200 MPa、1 000 MPa，各層泊松比均采用μ=0.25；

（2）松散層模量取50 MPa，其泊松比為0.3，厚度為4 cm；

（3）碎石化層上部類似于瀝青穩定粒料，其厚度和模量根據國外相關研究資料分別取10 cm、207 MPa；

（4）碎石化層下部厚度和模量根據國內外現有成果分別取10 cm、3 450 MPa；

（5）舊路基層與土基看做一層，其厚度和模量根據現有資料分別取300 cm、157 MPa；

（6）荷載采用規范規定的標準荷載BZZ-100，輪胎接地壓強為0.7 MPa。

3 碎石化層與級配碎石層上瀝青加鋪層對比

3.1 碎石化層上加鋪瀝青混凝土面層的有限元計算

模型各層結構的尺寸及材料參數見表1，考慮松散層時的計算模型示意和有限元模型見圖4、圖 5。

表1 考慮松散層路面結構及材料參數

圖4 考慮松散層時的計算模型示意圖

圖5 考慮松散層時有限元模型

3.2 級配碎石上加鋪瀝青混凝土面層的有限元計算

傳統的處理方法如在舊水泥混凝土板或半剛性基層上加鋪瀝青混凝土面層后，反射裂縫成為加鋪層的主要病害，而在級配碎石上加鋪瀝層則可以減少反射裂縫的發生，因此，在舊路基層和新的瀝青加鋪層之間加鋪一定厚度的級配碎石是一種可行的施工方案。

為對比分析碎石化層和級配碎石對瀝青加鋪層層底應力和應變的影響，本文建立以級配碎石為基層，其上加鋪瀝青混凝土路面的的有限元模型。級配碎石層的模量根據相關研究資料取235 MPa，其泊松比為0.35，為使計算結果具有可對比性，級配碎石層厚度與舊水泥路面厚度相同，本文按舊水泥路面為一級公路，其厚度取24 cm。計算模型各層結構的尺寸及材料參數見表2，等厚度級配碎石時的計算模型示意和有限元模型見圖6、圖7。

表2 級配碎石時路面結構及材料參數

圖6 級配碎石基層的計算模型示意圖

圖7 級配碎石基層的有限元模型

本文計算時主要考慮了荷載作用時荷載中心下瀝青混凝土加鋪層層底的拉應力、拉應變和彎沉隨距荷載中心水平距離的變化情況，對比分析結果分別見圖8～圖10，拉應力最大值為0.566 MPa。

圖8 瀝青層底拉應力分布

圖9 瀝青層底拉應變分布

圖10 瀝青層底彎沉分布

4 計算結果分析

通過對計算結果的對比，可以得出如下結論：

（1）距離荷載中心相同距離時，碎石化層上加鋪的瀝青層底拉應力下，且進入受壓區比級配碎石要早。

（2）碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應力峰值為0.485，同厚度級配碎石上瀝青加鋪層的層底拉應力峰值為0.566，碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應力峰值小了0.081MPa，其峰值小了14.3%，距荷載中心水平距離相同位置的拉應力則小的更多。

（3）兩種基層上瀝青加鋪層的主應力與其拉應力的變化規律類似，碎石化層上瀝青加鋪層的層底主應力峰值小了71×10-6，其峰值小了11.1%。

（3）兩種基層上瀝青加鋪層的彎沉與其拉應力的變化規律類似，但兩者彎沉相差不大。

綜上所述，碎石化層上瀝青加鋪層的層底拉應力和應變峰值均比級配碎石的要低，其上瀝青層進入受壓也較早，這表明碎石化層的強度比級配碎石要高，改善加鋪層受力狀況的性能更好。分析其原因：碎石化層下部由粒徑較大的混凝土塊體組成，由于其粒徑比該層次的厚度要大，在結構上與塊料路面類似，由粒徑較大的相互間并未完全斷開的混凝土塊組成，該結構具有“裂而不碎、聯鎖咬合和契合良好”的特點，且具有良好的“拱效應”。該層具備傳遞剪力的能力，能將豎向壓力變為水平推力，借以擴散荷載，具有比級配碎石更大強度，所以其相應瀝青加鋪層的層底拉應力和應變峰值要小。

5 結語

MHB碎石化技術是一種重要的舊水泥路面處治技術，具有明顯的優點。本文通過有限元方法，考慮松散層的作用，對碎石化后瀝青加鋪層和同厚度級配碎石層上瀝青加鋪層的層底應力和應變進行了對比分析，結構表明：碎石化層的性能由于同厚度的級配碎石。

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