旧水泥混凝土路面加沥青面层抗剪切破坏分析研究

戴佑才，邓 蓉

(1.湖南路桥建设集团公司，湖南长沙 410004;2.湖南省永吉高速公路建设开发有限公司，湖南长沙 410003)

0 前言

目前我省上世纪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，目前均处于大修改造时期。高速公路有长益高速、潭耒高速、潭邵高速湘潭段、衡枣高速衡阳段等等;地方公路有老107国道以及许多省道和县道;对城市道路而言，目前长沙市已基本完成白加黑或白改黑的改造，省内其他城市还有大量的旧混凝土路面需要进行加铺改造。目前在旧混凝土路面上直接加铺沥青面层是改造旧混凝土路面最简单、最经济的方法，在省内外旧混凝土路面改造工程中大量使用。在旧混凝土路面上加铺沥青层，其重点考虑的问题有两点:其一如何防止旧混凝土板的接裂缝产生的反射裂缝;第二就是如何防止沥青层产生高温剪切流动性变形，比如车辙、推移等。本文对旧混凝土路面加铺沥青面层结构的加铺层内部进行剪应力计算分析，以防止旧混凝土路面加铺沥青层发生车辙破坏。

1 常用的旧混凝土路面加铺沥青层结构组合

为更好地研究分析旧混凝土路面加铺沥青层内部剪应力分析，根据目前省内多条道路旧混凝土路面加铺沥青层结构组合设计方案，初拟了以下的几种典型结构:

1)结构方案一。在我省长潭高速大修改造、长益高速大修(在建)采用，一般适用于重交通、特重交通高速公路，其主要特点是增加了一层连续配筋混凝土补强层，其典型结构组合如下:4 cm改性沥青混凝土+6 cm改性沥青混凝土+18 cm连续配筋混凝土面层+26 cm旧水泥混凝土路面板(综合处治)+18 cm旧水泥稳定碎石基层+15 cm旧水泥稳定砂砾底基层。

2)结构方案二。在我省长永高速大修改造采用，一般适用于重交通高速公路，其典型结构组合如下:4 cm改性沥青混凝土+5 cm中粒式改性沥青混凝土+6 cm粗粒式沥青混凝土+26 cm旧水泥混凝土路面板(综合处治)+18 cm旧水泥稳定碎石基层+15 cm旧水泥稳定砂砾底基层。

3)结构方案三。在我省长沙、邵阳、娄底许多旧城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其结构组合如下:4 cm细粒式改性沥青混凝土+6 cm中粒式改性沥青混凝土+26 cm旧水泥混凝土路面板(综合处治)+18 cm旧水泥稳定碎石基层+15 cm旧水泥稳定砂砾底基层。

4)结构方案四。在近年我省长沙、娄底许多旧城市道路水泥混凝土路面改造中使用，其结构组合如下:5 cm中粒式橡胶沥青混凝土+26 cm旧水泥混凝土路面板(综合处治)+18 cm旧水泥稳定碎石基层+15 cm旧水泥稳定砂砾底基层。

2 理论分析基础及设计参数的取值

2.1 设计参数

为分析旧混凝土路面加铺沥青层结构的剪应力，确定各结构层的设计参数取值如表1所示，计算理论采用目前规范所采用的弹性层状体系，计算软件采用BISAR3.0，计算坐标及图例见图1。

表1 各结构层设计参数取值

2.2 剪应力分析的计算模型

沥青面层在力学性质上属于非线性的弹—粘—塑性体，但考虑到行驶车辆作用的瞬时性(百分之几秒)，在路面结构中产生的应力数量很小，所以对于厚度较大、强度较高的高等级路面，将其视作线性弹性体并应用弹性层状体系理论进行分析计算是合适的，我国与大部分国家的现行沥青路面设计方法均是以该理论为基础的。

在进行弹性层状体系理论分析时，一般引入以下的假设(与规范设计理论的相同)，即假设研究对象为弹性半空间体，各层均是连续的、完全弹性的(在进行损坏分析时考虑非线性因素)、均匀的、各向同性的，以及位移和形变是微小的，且无限远处其应力、形变和位移均为0。

荷载采用设计规范中的标准荷载型式，即单轴——双轮组，轴重P=100 kN，轮胎接地压强p=0.7 MPa，单轮传压面当量圆直径 d=2δ=21.3 cm，两轮中心距为1.5d。为了分析的可比性，都采用相同的轮胎接地压强、当量圆直径、两轮中心距。研究路面的位置作用点为 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)以及其纵向不同位置的点，记为 Az、Bz、Cz、Dz、Ez、Fz、Gz、Hz(Z表示距地表的深度值，单位为cm)。其平面位置见图1，采用壳牌公司开发的弹性层状体系计算分析软件 BISAR3.0。

图1 平面位置示意图

3 各结构方案剪应力分析结果

3.1 结构方案一

用于旧混凝土损坏相当严重的路段，在旧混凝土上增加了18 cm连续配筋混凝土补强层，其A、B、C、D、E、F、G点各点各深度处的最大剪应力计算结果如图2所示。

从计算结果及示意图可以看出:

1)当无水平力时，沥青层最大剪应力出现在A点6 cm深处，最大值为0.257 5 MPa;

2)当考虑正常行驶状态水平力系数F=0.1时，沥青层最大剪应力出现在E点表面，最大值为0.268 2 MPa;

3)当考虑长大上坡或紧急刹车状态水平力系数 F=0.2时，在 E点表面，最大值为0.434 6 MPa。

图2 不同水平力系数时各位置的剪应力分布图(一)

3.2 结构方案二

直接在旧混凝土加铺较厚的沥青层，用于旧混凝土损坏不严重的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 点各点各深度处的最大剪应力计算结果如图3所示。

从计算结果及示意图可以看出:

1)当无水平力时，沥青层最大剪应力出现在A点8 cm深处，最大值为0.248 0 MPa;

2)当考虑正常行驶状态水平力系数F=0.1时，沥青层最大剪应力仍出现在A点8 cm深处，最大值为0.248 5 MPa;

3)当考虑长大上坡或紧急刹车状态水平力系数 F=0.2时，在 E点表面，最大值为0.408 9 MPa。

3.3 结构方案三

直接在旧混凝土加铺较薄的沥青层，用于旧混凝土损坏很少的路段，其 A、B、C、D、E、F、G、H 点各点各深度处的最大剪应力计算结果如图4所示。

图3 不同水平力系数时各位置的剪应力分布图(二)

从计算结果及示意图可以看出:

1)当无水平力时，沥青层最大剪应力出现在A点6 cm深处，最大值为0.249 7 MPa;

2)当考虑正常行驶状态水平力系数F=0.1时，沥青层最大剪应力出现在E点表面，最大值为0.262 2 MPa;

3)当考虑长大上坡或紧急刹车状态水平力系数 F=0.2时，在 E点表面，最大值为0.428 7 MPa。

3.4 结构方案四

直接在旧混凝土加铺很薄的沥青层，一般采用橡胶沥青混凝土，用于旧混凝土损坏很少的路段，且重型车辆很少，一般为城市道路，其 A、B、C、D、E、F、G、H点各点各深度处的最大剪应力计算结果如图5所示。

图4 不同水平力系数时各位置的剪应力分布图(三)

从计算结果及示意图可以看出:

1)当无水平力时，沥青层最大剪应力出现在H点2 cm深处，最大值为0.236 4 MPa;

2)当考虑正常行驶状态水平力系数F=0.1时，沥青层最大剪应力出现在E点表面，最大值为0.253 4 MPa;

3)当考虑长大上坡或紧急刹车状态水平力系数 F=0.2时，在 E点表面，最大值为0.387 0 MPa。

3.5 对比分析

通过综合计算分析上述常用的几种旧混凝土加铺方式，其结果见表2，无论是否考虑水平力，结构方案一的剪应力均为最大。对于直接在旧混凝土路上直接加铺沥青层的结构方案二、结构方案三、结构方案四，结构方案三的剪应力最大。

图5 不同水平力系数时各位置的剪应力分布图(四)

表2 结构一至结构四最大剪应力汇总表 MPa

4 结论

通过分析旧混凝土路面加铺沥青层的沥青层最大剪应力分析，可得出如下结论:

1)在旧混凝土路面上加铺沥青层，不但要认真考虑防反射裂缝问题，而且要着重防止高温车辙问题;加铺连续配筋混凝土+沥青面层，虽然进行结构补强和防反射裂缝功能设计，但是也提高了沥青层内部的剪应力，增大了车辙病害产生的可能性，因此在沥青层的材料设计中应提高其抗剪强度，采用抗车辙能力的沥青混合料，比如改性沥青混合料、高模量沥青混合料、添加抗车辙剂等。

2)对于在旧混凝土路上直接加铺沥青层的结构方案，沥青层内最大剪应力首先随着沥青层的增加而增加，到沥青层厚度为10～12 cm达到最大;之后随着加铺沥青层厚度的增加而减少。

3)对于旧混凝土路上加铺沥青层结构方案时，沥青层0～10 cm深度范围均存在较大的剪应力，考虑水平力系数为0.2，最大达到0.4 MPa以上，因此在深度0～10 cm范围内均要采用抗车辙能力强的沥青混合料，比如改性沥青混合料或橡胶沥青混合料，必要时还应掺加抗车辙剂。

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