大修工程不同车道沥青路面结构搭接受力分析

蔡叶澜

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)



大修工程不同车道沥青路面结构搭接受力分析

蔡叶澜

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

不同车道沥青路面搭接是旧沥青路面大修工程中需要面临的问题，其搭接方式对新建路面结构整体稳定性有较大影响，直接影响着路面的使用寿命。文章依托实体工程，通过建立ABAQUS二维有限元模型，分析不同搭接宽度下，沥青加铺面层的拉应力与剪应力的变化规律。分析表明：沥青加铺面层最大拉应力随着搭接宽度的增大呈先增后减，最后趋于稳定，而最大剪应力随着搭接宽度的增加呈幂函数式递减。最后提出大修工程中不同车道路面搭接的技术建议。

大修工程;搭接宽度;拉应力;剪应力

0 引言

沥青路面是我国城市道路路面的主要结构型式，早期修建的沥青路面已经到达使用年限，相继进入养护及改、扩建阶段。通过现场调研发现，对于多车道的横断面型式，不同车道的路面病害严重程度往往相差较大，且以中间车道病害最为严重，可能原因在于中间车道重载车辆使用频率较高，且车速较慢，加速了路面的损坏。因此，对于同一断面内不同车道病害严重程度不一的情况，存在不同旧路处治手段，对于病害较少、弯沉较小的车道可以考虑直接加铺罩面；然而，对于病害较多、弯沉较大的车道应对旧路基层进行补强后，方可加铺沥青面层。此时，对于同一断面内，不同车道新旧路面结构层之间存在着路面结构的搭接问题。为此，本文基于福州市西三环路大修工程实体案例，针对不同搭接形式、搭接宽度下路面结构的应力应变特性进行分析，为路面大修工程设计提供相关建议。

1 不同车道路面搭接形式

福州市西三环路大修工程道路标准横断面为：8.5m(人行道及行道树)+10.5m(辅路车道)+7m(侧绿化带)+12m(主路三车道)+3m(中分带)+12m(主路三车道)+5m(侧绿化带)+7m(辅路车道)=65m。旧路路基填料均为砂性土，路基情况良好。本文主要针对主路大修进行分析，主路旧路面结构为半刚性基层沥青路面。

通过现场病害调查及弯沉检测，发现主路第二车道路面病害严重程度较第一、第三车道严重得多、主路第二车道弯沉代表值约为55(0.01mm)，远远大于旁边两个车道，约为33(0.01mm)。

出现以上现象结合现场调研，发现主要原因：中间车道重载车辆使用频率较高，且车速较慢，加速了半刚性基层强度与模量的衰减。基此，提出第二车道采用现场全深式就地冷再生工艺对旧路基层进行补强，第一、第三车道先进行简单病害处理，最后全断面一并进行加铺改造方案。具体做法如下：

先铣刨第二车道范围内的旧沥青面层，然后对旧基层进行就地冷再生形成就地冷再生混合料层，接着在就地冷再生混合料层上加铺密级配沥青稳定碎石层至标高与第一、第三车道加铺罩面前标高一致，最后整个断面统一加铺两层沥青混凝土层。

基于以上，存在着第二车道现场全深式就地冷再生层及ATB-25密级配沥青稳定碎石层与第一、第三车道的路面结构搭接问题。根据文献[1-3]调研，可知现场全深式就地冷再生采用的维特根冷再生机施工宽度为2.5m。因此，第二车道现场冷再生需要分两幅同时进行，且考虑到两幅之间存在至少40cm的搭接宽度，所以第二车道现场冷再生路幅宽度最多为4.6m。

西三环路大修工程主路第二车道路面宽度为3.75m，考虑到现场冷再生路幅宽度最多为4.6m，因此第二车道现场全深式就地冷再生层与第一、第三车道旧路面结构的搭接宽度最多为42.5cm，为方便施工，将搭接宽度取整，搭接宽度取为40cm，现场冷再生路幅宽度为4.55m。

因此，本文重点讨论ATB-25密级配沥青稳定碎石层与第一、第三车道的路面结构搭接。根据现场冷再生与旧路搭接接缝位置，拟定ATB-25密级配沥青稳定碎石层与第一、第三车道的路面结构搭接宽度L，对搭接宽度为0cm、30cm、50cm、80cm、100cm、120cm、150cm这7种工况进行分析，如图1所示。

2 计算模型与参数取值

2.1 模型尺寸

主路单向路面宽度为12m，布置型式为0.5m路缘带+3.5m车行道+3.75车行道+3.75车行道+0.5m路缘带。因此，本文建立ABAQUS二维轴对称分析模型进行分析。模型详细尺寸，如图1所示。

2.2 模型网格

(1)单元类型：选用平面应变单元(八节点缩减积分CPE8R)。

(2)单元总数：其中沥青面层、加载位置、现场全深式就地冷再生层及ATB-25密级配沥青稳定碎石层4部分进行加密处理，共14 658个单元。

2.3 基本假定

(1)路面各结构层为均匀、连续、各向同性的线弹性体。

(2)层间接触假定[4]：旧路面层和基层间采用库伦摩擦接触，旧路面层与新建ATB-25密级配沥青稳定碎石层搭接处采用库伦摩擦接触，各搭接缝新旧材料之间也采用库伦摩擦接触，其余层间接触均采用完全联系(tie)约束。

(3)模型边界条件假定：左侧设为水平方向约束，右侧设为水平和转角约束土基底部设为完全固定，路表自由。

2.4 材料参数

模型各结构层材料参数一般取值(即基准值)，如表1所示。

表1 模型结构层材料参数一般取值

注：旧路各结构层弹性模量是基于弯沉代表值进行反算，并考虑模量的折减进行取值。

2.5 车辆荷载

(1)轴型

计算采用的车辆荷载轴型为单轴双轮组，为单轴双轮组，其轮距和轴距，如图2所示。

(2)轮胎接地压强

根据文献[5]可知，不同单轴双轮组后轴轮胎接地压强与后轴轴重的关系大致，如表2所示。

表2 单轴双轮组后轴轮胎接地压强[5]

(3)荷载作用面积

由于轮胎横向刚度较大，轮胎接地宽度基本为一定值，不受充气压力和负荷条件影响。随着轴重增加，轮胎变长，愈偏离圆形荷载假设，接近矩形假设。

根据文献[5]实测结果，轮胎接地宽度约为22cm。基于矩形轮胎作用面积假定，则单轴双轮组后轴轮胎长度可按下式计算：

(1)

式中：F——后轴轴重，N；

p——轮胎接压强，MPa。

因此，当F=100kN，p=0.7MPa时，单轴双轮组后轴轮胎长度为16cm。

(4)加载位置

考虑到各个车道同时加载为结构最不利情况，因此本文选择车辆荷载的加载位置如图3所示。

3 不同搭接宽度路面力学响应分析

对不同搭接宽度的路面搭接模型进行分析，可以为选取合理的路面搭接宽度提供依据。新旧路面搭接处发生开裂，主要是由于下层的不均匀变形，导致沥青加铺面层拉应力和剪应力过大，而发生破坏。因此，本文重点关注沥青加铺面层的拉应力和剪应力随搭接宽度不同的变化。

3.1 最大拉应力

通过计算得到不同搭接宽度下路面结构内的拉应力分布，其中列举搭接宽度0cm、30cm及100cm的拉应力云图，如图4～图6。

由图4～图6可以看出，沥青加铺面层层底最大拉应力均出现在新旧搭接缝处，汇总以上计算结果，得到不同搭接宽度下加铺面层层底最大拉应力，如图7所示。

由图7可知，沥青加铺面层层底最大拉应力随着搭接宽度的增大呈现先增后减，最后趋于稳定。在搭接宽度为30cm时，沥青加铺面层层底最大拉应力达到峰值，原因在于：此时搭接缝正好位于荷载位置的正下方。因此，在路面结构层的搭接设计应注意避免出现在荷载位置的正下方。

除去搭接宽度为30cm与50cm的点，沥青加铺面层层底最大拉应力随搭接宽度变化的幅度不大。这种情况表明，通过对病害较为严重车道冷再生处理后，再全断面加铺沥青面层，能够使得沥青加铺面层下卧层模量更均匀。

3.2 最大剪应力

通过计算得到不同搭接宽度下路面结构内的剪应力分布，其中列举搭接宽度0cm、30cm及100cm的拉应力云图，如图8～图10所示。

从图8～图10可以看出，随着搭接宽度的增加，最大剪应力出现位置从新旧搭接缝处转移走，搭接宽度为100cm时，最大剪应力未出现在新旧搭接缝处。并将以上计算结果汇总，得到不同搭接宽度下加铺面层层底最大剪应力，如图11所示。

由图11可知，沥青加铺面层最大剪应力随着搭接宽度的增加而减小，基本呈现幂函数式递减。从不设搭接到搭接宽度为30cm时，剪应力下降29.5%，变化最大。当搭接宽度≥100cm后，沥青加铺面层最大剪应力基本保持不变。

综上，从沥青加铺面层拉应力和剪应力的路面力学响应角度出发，建议路面结构层的搭接设计应避免出现在荷载位置的正下方，且搭接宽度建议≥100cm。

4 不同车道路面搭接工程建议

基于以上分析，结合工程经验，通过机械咬合、界面粘结与格栅加筋等方面提出大修工程不同车道路面搭接的工程建议：

(1)应避免车辆轮迹线位于搭接范围内；

(2)建议设置≥100cm的搭接宽度，以提高新旧结构之间的机械咬合；

(3)建议在接缝处设置宽为2m的玻纤格栅，两侧各跨缝1m，以增加新旧结构之间的加筋作用；

(4)严格按照路面结构设计方案，采用切割机进行切割后，按台阶进行分层铣刨，铣刨时应减少对现状结构扰动，对局部松动处应进行补强；

(5)粘层油的喷洒范围应包括接缝垂直面，要求粘层油喷洒均匀，不露白不流淌，以提高新旧结构之间的界面粘结；

(6)接缝压实：碾压时先距接缝20cm～30cm将新料压实，然后紧靠缝面碾压，最后对接缝处两侧新旧混合料应进行一并碾压。

5 结论

(1)应避免车辆轮迹带位于搭接范围内。当搭接缝设在车辆轮迹带范围内，会导致沥青加铺面层层底拉应力产生较大的突变，对沥青加铺面层极为不利。

(2)通过全深式就地冷再生对病害较为严重的车道进行基层补强，能够缩小原路面结构顶面模量差异，使得沥青加铺面层下卧层模量更均匀。

(3)沥青加铺面层最大剪应力随着搭接宽度的增加而减小，基本呈现幂函数式递减。从不设搭接到搭接宽度为30cm时，剪应力下降29.5%，变化最大。当搭接宽度≥100cm后，沥青加铺面层最大剪应力基本保持不变。

[1] 师郡. 旧沥青混凝土路面现场冷再生技术及施工工艺研究[J].公路, 2004(10).

[2] 周洪飞. 沥青路面现场冷再生基层技术的应用研究[D].吉林: 吉林大学, 2006.

[3] 杨宁. 沥青路面全深度复拌式现场冷再生技术研究[D].哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2007.

[4] 马晓辉,李立寒. 道路拓宽中路面拼接台阶尺寸的分析[J].公路交通科技, 2010,27(5), 52-55.

[5] 邹雪英.福建省重载交通水泥混凝土路面结构性能研究 [D].福州: 福州大学, 2008.

Analysis of The Overlapping of Asphalt pavement in different Lanes in Overhaul project of old Asphalt pavement

CAIYelan

(Fuzhou Planning Design & Research Institute ,Fuzhou 350000)

The overlapping of asphalt pavement in different lanes is a problem that needs to be faced in the overhaul project of old asphalt pavement, which has great influence on the overall stability of the new pavement structure and has a direct impact on the service life of pavement. This paper is based on the engineering entity, which analyze the variation of asphalt pavement layer tensile stress and shear stress under different overlap width through the establishment of two-dimensional finite element model of ABAQUS. The analysis shows that the asphalt pavement layer maximum tensile stress with the overlap width increasing first increases and then decreases and finally tends to be stable, while the maximum shear stress with overlap width increasing decreases in the form of the power function. In the end, the technical proposal for the lap of different lanes in the overhaul project is put forward.

Overhaul project; Overlap width; Tensile stress;Shear stress

蔡叶澜(1973.2- ),女，高级工程师。

E-mail:caiyelan_214@163.com

2016-07-14

U41

A

1004-6135(2016)10-0078-05