舊水泥混凝土路面加瀝青面層抗剪切破壞分析研究

戴佑才，鄧 蓉

(1.湖南路橋建設集團公司，湖南長沙 410004;2.湖南省永吉高速公路建設開發有限公司，湖南長沙 410003)

0 前言

目前我省上世紀90年代修筑高速公路、地方公路、城市道路等大量采用水泥混凝土路面，目前均處于大修改造時期。高速公路有長益高速、潭耒高速、潭邵高速湘潭段、衡棗高速衡陽段等等;地方公路有老107國道以及許多省道和縣道;對城市道路而言，目前長沙市已基本完成白加黑或白改黑的改造，省內其他城市還有大量的舊混凝土路面需要進行加鋪改造。目前在舊混凝土路面上直接加鋪瀝青面層是改造舊混凝土路面最簡單、最經濟的方法，在省內外舊混凝土路面改造工程中大量使用。在舊混凝土路面上加鋪瀝青層，其重點考慮的問題有兩點:其一如何防止舊混凝土板的接裂縫產生的反射裂縫;第二就是如何防止瀝青層產生高溫剪切流動性變形，比如車轍、推移等。本文對舊混凝土路面加鋪瀝青面層結構的加鋪層內部進行剪應力計算分析，以防止舊混凝土路面加鋪瀝青層發生車轍破壞。

1 常用的舊混凝土路面加鋪瀝青層結構組合

為更好地研究分析舊混凝土路面加鋪瀝青層內部剪應力分析，根據目前省內多條道路舊混凝土路面加鋪瀝青層結構組合設計方案，初擬了以下的幾種典型結構:

1)結構方案一。在我省長潭高速大修改造、長益高速大修(在建)采用，一般適用于重交通、特重交通高速公路，其主要特點是增加了一層連續配筋混凝土補強層，其典型結構組合如下:4 cm改性瀝青混凝土+6 cm改性瀝青混凝土+18 cm連續配筋混凝土面層+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩定碎石基層+15 cm舊水泥穩定砂礫底基層。

2)結構方案二。在我省長永高速大修改造采用，一般適用于重交通高速公路，其典型結構組合如下:4 cm改性瀝青混凝土+5 cm中粒式改性瀝青混凝土+6 cm粗粒式瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩定碎石基層+15 cm舊水泥穩定砂礫底基層。

3)結構方案三。在我省長沙、邵陽、婁底許多舊城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其結構組合如下:4 cm細粒式改性瀝青混凝土+6 cm中粒式改性瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩定碎石基層+15 cm舊水泥穩定砂礫底基層。

4)結構方案四。在近年我省長沙、婁底許多舊城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其結構組合如下:5 cm中粒式橡膠瀝青混凝土+26 cm舊水泥混凝土路面板(綜合處治)+18 cm舊水泥穩定碎石基層+15 cm舊水泥穩定砂礫底基層。

2 理論分析基礎及設計參數的取值

2.1 設計參數

為分析舊混凝土路面加鋪瀝青層結構的剪應力，確定各結構層的設計參數取值如表1所示，計算理論采用目前規范所采用的彈性層狀體系，計算軟件采用BISAR3.0，計算坐標及圖例見圖1。

表1 各結構層設計參數取值

2.2 剪應力分析的計算模型

瀝青面層在力學性質上屬于非線性的彈—粘—塑性體，但考慮到行駛車輛作用的瞬時性(百分之幾秒)，在路面結構中產生的應力數量很小，所以對于厚度較大、強度較高的高等級路面，將其視作線性彈性體并應用彈性層狀體系理論進行分析計算是合適的，我國與大部分國家的現行瀝青路面設計方法均是以該理論為基礎的。

在進行彈性層狀體系理論分析時，一般引入以下的假設(與規范設計理論的相同)，即假設研究對象為彈性半空間體，各層均是連續的、完全彈性的(在進行損壞分析時考慮非線性因素)、均勻的、各向同性的，以及位移和形變是微小的，且無限遠處其應力、形變和位移均為0。

荷載采用設計規范中的標準荷載型式，即單軸——雙輪組，軸重P=100 kN，輪胎接地壓強p=0.7 MPa，單輪傳壓面當量圓直徑 d=2δ=21.3 cm，兩輪中心距為1.5d。為了分析的可比性，都采用相同的輪胎接地壓強、當量圓直徑、兩輪中心距。研究路面的位置作用點為 A(0，0.159 8)、B(0，0.053 3)、C(0，0.266 3)、D(0.106 5，0.159 8)、E(－0.106 5，0.159 8)、F(0.053 2，0.159 8)、G(－0.053 2，0.159 8)、H(0.079 9，0.159 8)以及其縱向不同位置的點，記為 Az、Bz、Cz、Dz、Ez、Fz、Gz、Hz(Z表示距地表的深度值，單位為cm)。其平面位置見圖1，采用殼牌公司開發的彈性層狀體系計算分析軟件 BISAR3.0。

圖1 平面位置示意圖

3 各結構方案剪應力分析結果

3.1 結構方案一

用于舊混凝土損壞相當嚴重的路段，在舊混凝土上增加了18 cm連續配筋混凝土補強層，其A、B、C、D、E、F、G點各點各深度處的最大剪應力計算結果如圖2所示。

從計算結果及示意圖可以看出:

1)當無水平力時，瀝青層最大剪應力出現在A點6 cm深處，最大值為0.257 5 MPa;

2)當考慮正常行駛狀態水平力系數F=0.1時，瀝青層最大剪應力出現在E點表面，最大值為0.268 2 MPa;

3)當考慮長大上坡或緊急剎車狀態水平力系數 F=0.2時，在 E點表面，最大值為0.434 6 MPa。

圖2 不同水平力系數時各位置的剪應力分布圖(一)

3.2 結構方案二

直接在舊混凝土加鋪較厚的瀝青層，用于舊混凝土損壞不嚴重的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 點各點各深度處的最大剪應力計算結果如圖3所示。

從計算結果及示意圖可以看出:

1)當無水平力時，瀝青層最大剪應力出現在A點8 cm深處，最大值為0.248 0 MPa;

2)當考慮正常行駛狀態水平力系數F=0.1時，瀝青層最大剪應力仍出現在A點8 cm深處，最大值為0.248 5 MPa;

3)當考慮長大上坡或緊急剎車狀態水平力系數 F=0.2時，在 E點表面，最大值為0.408 9 MPa。

3.3 結構方案三

直接在舊混凝土加鋪較薄的瀝青層，用于舊混凝土損壞很少的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 點各點各深度處的最大剪應力計算結果如圖4所示。

圖3 不同水平力系數時各位置的剪應力分布圖(二)

從計算結果及示意圖可以看出:

1)當無水平力時，瀝青層最大剪應力出現在A點6 cm深處，最大值為0.249 7 MPa;

2)當考慮正常行駛狀態水平力系數F=0.1時，瀝青層最大剪應力出現在E點表面，最大值為0.262 2 MPa;

3)當考慮長大上坡或緊急剎車狀態水平力系數 F=0.2時，在 E點表面，最大值為0.428 7 MPa。

3.4 結構方案四

直接在舊混凝土加鋪很薄的瀝青層，一般采用橡膠瀝青混凝土，用于舊混凝土損壞很少的路段，且重型車輛很少，一般為城市道路，其 A、B、C、D、E、F、G、H點各點各深度處的最大剪應力計算結果如圖5所示。

圖4 不同水平力系數時各位置的剪應力分布圖(三)

從計算結果及示意圖可以看出:

1)當無水平力時，瀝青層最大剪應力出現在H點2 cm深處，最大值為0.236 4 MPa;

2)當考慮正常行駛狀態水平力系數F=0.1時，瀝青層最大剪應力出現在E點表面，最大值為0.253 4 MPa;

3)當考慮長大上坡或緊急剎車狀態水平力系數 F=0.2時，在 E點表面，最大值為0.387 0 MPa。

3.5 對比分析

通過綜合計算分析上述常用的幾種舊混凝土加鋪方式，其結果見表2，無論是否考慮水平力，結構方案一的剪應力均為最大。對于直接在舊混凝土路上直接加鋪瀝青層的結構方案二、結構方案三、結構方案四，結構方案三的剪應力最大。

圖5 不同水平力系數時各位置的剪應力分布圖(四)

表2 結構一至結構四最大剪應力匯總表 MPa

4 結論

通過分析舊混凝土路面加鋪瀝青層的瀝青層最大剪應力分析，可得出如下結論:

1)在舊混凝土路面上加鋪瀝青層，不但要認真考慮防反射裂縫問題，而且要著重防止高溫車轍問題;加鋪連續配筋混凝土+瀝青面層，雖然進行結構補強和防反射裂縫功能設計，但是也提高了瀝青層內部的剪應力，增大了車轍病害產生的可能性，因此在瀝青層的材料設計中應提高其抗剪強度，采用抗車轍能力的瀝青混合料，比如改性瀝青混合料、高模量瀝青混合料、添加抗車轍劑等。

2)對于在舊混凝土路上直接加鋪瀝青層的結構方案，瀝青層內最大剪應力首先隨著瀝青層的增加而增加，到瀝青層厚度為10～12 cm達到最大;之后隨著加鋪瀝青層厚度的增加而減少。

3)對于舊混凝土路上加鋪瀝青層結構方案時，瀝青層0～10 cm深度范圍均存在較大的剪應力，考慮水平力系數為0.2，最大達到0.4 MPa以上，因此在深度0～10 cm范圍內均要采用抗車轍能力強的瀝青混合料，比如改性瀝青混合料或橡膠瀝青混合料，必要時還應摻加抗車轍劑。

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