舊瀝青路面改造結(jié)構(gòu)抗裂力學(xué)響應(yīng)與設(shè)計(jì)研究

李 欣，王秋敏，黃 慧，3，4

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029；2.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530007；3.廣西壯族自治區(qū)公路隧道安全預(yù)警工程研究中心，廣西 南寧 530007；4.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530007)

0 引言

瀝青路面是公路路面結(jié)構(gòu)的重要形式之一[1]。雖然瀝青路面修筑技術(shù)和修筑質(zhì)量逐年提高，但由于受惡劣的氣候和交通荷載條件影響，部分路段車(chē)輛超載嚴(yán)重，加之優(yōu)質(zhì)瀝青等原材料缺乏等原因，瀝青路面的早期損害、路面開(kāi)裂、車(chē)轍、沉陷等問(wèn)題仍尤為突出，對(duì)綠色環(huán)保與經(jīng)濟(jì)適用型舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)的探討研究迫在眉睫，其中，如何選擇適合的舊瀝青路面加鋪改造方案顯得尤其重要[2-3]。本文針對(duì)舊瀝青路面病害處治后加鋪改造結(jié)構(gòu)，基于斷裂學(xué)理論對(duì)比研究了三種不同結(jié)構(gòu)抗裂性能的力學(xué)響應(yīng)特征，可為舊瀝青路面病害處治后加鋪改造結(jié)構(gòu)的適用性與合理性選擇提供技術(shù)參考。

1 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)調(diào)查研究

本文對(duì)舊瀝青路面直接加鋪改造、設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石基層、設(shè)置級(jí)配碎石基層三種不同加鋪改造結(jié)構(gòu)的使用狀況進(jìn)行了調(diào)查研究。

1.1 使用性能調(diào)查研究

本文選取了三條具有代表性公路的路段進(jìn)行了路況調(diào)研，其綜合信息如表1所示，現(xiàn)場(chǎng)路況如圖1所示。路段綜合信息和現(xiàn)場(chǎng)路況調(diào)查表明：舊瀝青路面加鋪級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)路面狀況最好，而舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)路面狀況最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)路面狀況易出現(xiàn)反射裂縫等病害。

表1 三種不同加鋪改造結(jié)構(gòu)路段綜合信息調(diào)查表

圖1 三種不同加鋪改造結(jié)構(gòu)路況調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比圖

1.2 病害調(diào)查研究

本文對(duì)這3條代表性公路典型路段進(jìn)行了彎沉測(cè)試，并鉆取面層芯樣進(jìn)行了芯樣空隙率和強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 三種不同加鋪改造結(jié)構(gòu)路段彎沉、面層芯樣空隙率和強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

2 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)抗裂力學(xué)響應(yīng)研究

在調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，大部分舊瀝青路面開(kāi)裂較多，包括反射裂縫、龜裂、塊裂等。在實(shí)體工程中發(fā)現(xiàn)，若直接加鋪或加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層后再加鋪瀝青面層，新加鋪瀝青面層運(yùn)營(yíng)后不可避免地出現(xiàn)開(kāi)裂，而加級(jí)配碎石層再加鋪瀝青面層卻很少出現(xiàn)裂縫，這說(shuō)明舊瀝青路面加級(jí)配碎石層后再加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)具有良好的抗裂性能。本文基于斷裂學(xué)理論，以裂縫尖端的剪切應(yīng)力和斷裂強(qiáng)度因子為指標(biāo)研究計(jì)算了三種不同結(jié)構(gòu)的抗裂性能。計(jì)算模型和參數(shù)如表3所示。

表3 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)模型與參數(shù)表

2.1 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)裂縫尖端剪切應(yīng)力分析

剪切應(yīng)力指標(biāo)：不設(shè)過(guò)渡層，直接加鋪瀝青面層的結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)1)在舊瀝青路面裂縫處產(chǎn)生了很大的剪切應(yīng)力，而加鋪了水泥穩(wěn)定碎石基層和級(jí)配碎石過(guò)渡層的兩種結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3)裂縫處的剪切應(yīng)力峰值明顯減小，并且這種垂直型的剪切應(yīng)力荷載敏感性很強(qiáng)，隨荷載增大而增大。詳見(jiàn)圖2～5。

圖2 不同路面結(jié)構(gòu)裂縫尖端豎向剪應(yīng)力對(duì)比柱狀圖

圖3 結(jié)構(gòu)1裂縫尖端豎向剪應(yīng)力云圖

圖4 結(jié)構(gòu)2裂縫尖端豎向剪應(yīng)力云圖

圖5 結(jié)構(gòu)3裂縫尖端豎向剪應(yīng)力云圖

2.2 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

在荷載作用下，裂縫處的應(yīng)力強(qiáng)度因子大小依次為：直接加鋪瀝青面層(結(jié)構(gòu)1)>加水泥穩(wěn)定碎石基層后加鋪瀝青面層(結(jié)構(gòu)2)>加級(jí)配碎石后加鋪瀝青面層(結(jié)構(gòu)3)，且結(jié)構(gòu)1的應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的應(yīng)力強(qiáng)度因子。從開(kāi)裂趨勢(shì)來(lái)看，加級(jí)配碎石后加鋪瀝青面層(結(jié)構(gòu)3)抗裂最好，直接加鋪瀝青面層(結(jié)構(gòu)1)抗裂最差。結(jié)構(gòu)2除可能會(huì)因荷載作用引起開(kāi)裂外，其本身的溫縮也是開(kāi)裂的重要原因，因此在荷載作用、溫縮作用的綜合作用下，結(jié)構(gòu)2水泥穩(wěn)定碎石基層開(kāi)裂的可能性較大，而且基層開(kāi)裂后會(huì)逐步反射至瀝青罩面層，這也是在加水泥穩(wěn)定碎石過(guò)渡層后加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較多反射裂縫的主要原因[4]。詳見(jiàn)圖6。

圖6 不同路面結(jié)構(gòu)裂縫尖端的剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子柱狀圖

由圖6可知：當(dāng)舊瀝青路面開(kāi)裂較多且交通量較大時(shí)，若直接加鋪瀝青面層，原有的舊路面裂縫很容易向上擴(kuò)展至新加鋪面層。若加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層后再加鋪瀝青面層，舊裂縫會(huì)在新基層底產(chǎn)生應(yīng)力集中，且水泥穩(wěn)定碎石基層本身在荷載和溫縮作用下易開(kāi)裂，使新基層在舊路裂縫和本身因素共同作用下而開(kāi)裂，并逐步擴(kuò)展至新加鋪面層形成反射裂縫。而加鋪級(jí)配碎石層具有良好的抗裂性能，級(jí)配碎石本身是一種多孔散體材料，能很好地消耗掉舊裂縫向上傳遞的開(kāi)裂能，且級(jí)配碎石層是一種“遇強(qiáng)則強(qiáng)”的材料，舊瀝青路面整體穩(wěn)定性較好，承載力較高，從而能表現(xiàn)出良好的承載能力。因此，加鋪級(jí)配碎石層既能提高路面結(jié)構(gòu)整體承載力，又能表現(xiàn)出良好的抗裂能力[5-6]。

3 舊瀝青路面加鋪改造結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計(jì)研究

綜上所述，針對(duì)上述不同瀝青罩面結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及不利應(yīng)力分布位置、結(jié)構(gòu)層材料自身特性，并且結(jié)合不同過(guò)渡層類(lèi)型的力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)，尤其是抗裂性能，在“黑改黑”加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)中，針對(duì)加鋪瀝青面層的受力情況，建議針對(duì)舊瀝青路面路況采用不同加鋪結(jié)構(gòu)：

(1)舊瀝青路面路況良好時(shí)，無(wú)明顯的結(jié)構(gòu)病害，經(jīng)病害處治后，可采用直接加鋪4～7 cm瀝青罩面層。

(2)舊瀝青路面路況較差時(shí)，經(jīng)病害處治后，建議先加鋪15～20 cm級(jí)配碎石層進(jìn)行過(guò)渡，然后再加鋪7～9 cm瀝青罩面層；重載交通時(shí)可適當(dāng)提高瀝青罩面層厚度至10 cm，采用15～20 cm級(jí)配碎石層+10 cm左右的瀝青罩面層。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)計(jì)算分析舊瀝青路面碎石化后加鋪三種不同結(jié)構(gòu)型式的瀝青罩面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)，并結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，得到如下結(jié)論：

(1)從對(duì)舊瀝青路面直接加鋪改造、設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石基層、設(shè)置級(jí)配碎石層三種不同加鋪改造結(jié)構(gòu)使用狀況的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：舊瀝青路面加鋪級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)路面狀況最好，舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)路面狀況最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)路面狀況已出現(xiàn)反射裂縫等病害。

(2)基于斷裂學(xué)理論，以裂縫尖端的剪切應(yīng)力和斷裂強(qiáng)度因子為指標(biāo)，計(jì)算研究三種不同結(jié)構(gòu)的抗裂力學(xué)響應(yīng)特征發(fā)現(xiàn)：舊瀝青路面加鋪級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)具有良好的抗裂性能，舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)的抗裂性能最差，舊瀝青路面加鋪水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)反射裂縫。