旧沥青路面新建半刚性路面结构合理性分析*

姚新宇，彭华，周胜波

（1.广西交通科学研究院广西道路材料与结构重点实验室，广西南宁 530007；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063）

旧沥青路面新建半刚性路面结构合理性分析*

姚新宇1，彭华2，周胜波1

（1.广西交通科学研究院广西道路材料与结构重点实验室，广西南宁 530007；2.武汉理工大学交通学院，湖北武汉 430063）

采用ANSYS分析新水泥稳定碎石层不同厚度、模量衰减条件下各结构层压应变与剪应变，并通过检测弯沉值计算路面回弹模量，分析不同厚度新水泥稳定碎石层对路面整体强度的影响。检测与计算结果表明，新水泥稳定碎石层厚度对路面整体强度具有较大影响，当水泥稳定碎石层强度下降到一定程度时路面结构受力分布会发生较大改变，同时旧沥青层对路面结构存在不利影响。

公路；旧路改造；水泥稳定碎石基层；旧沥青层；力学分析

随着中国公路建设与城市化建设的加快，旧路改造规模逐年加大。旧路改造结构形式与改造后的使用寿命和性能逐渐引起国内外专家的关注。根据工程条件与使用需求的不同，目前存在“白加黑”、“黑加白”及“白加白”等多种旧路改造形式。Cole L.W.等研究了在旧沥青路面上进行纤维加筋水泥砼罩面的破坏特点，发现它能有效防止路面早期病害，并可应用于频繁制动区域如停车场等。国内不少高校均对旧路改建路面新结构形式与新材料的应用进行了相关研究，但结构形式大多局限于“白加黑”。下面依托现有工程与检测项目，研究旧半刚性沥青路面面层经过部分铣刨调平后直接新建半刚性沥青砼路面的结构性能，探讨新建水泥稳定碎石层强度与厚度对路面整体结构的影响，以探索新的旧路改造方式。

1 材料参数拟定与模型建立

根据设计图纸建立长×宽×高为3 m×3 m×8 m的立方体，其中下承层与路面总厚度为8 m，路面结构层模型根据工程设计图纸拟定（见表1）。

采用有限元软件ANSYS中的Solid45单元进行离散处理。约束立方体4个侧面的水平方向位移，允许垂直方向的位移及任意方向自由转动，立方体底部进行完全约束，立方体上表面为自由面。因取芯鉴定新建结构层之间的接触条件良好，采用Glue粘结和下层建立联系，新水稳层与旧沥青层采用Canta173接触单元。根据有关研究成果，沥青面层与半刚性基层之间的摩擦系数为0.399～0.829，考虑到旧沥青层与新水稳层粘结并不理想，取摩擦系数为0.75。为便于计算和分析，根据Groenendijk、Ronald Blab及文献［12］等的研究成果，采用图1所示荷载分布形式，荷载选用100 k N标准轴载，参数见表2。

表1 各结构层材料特性及厚度

图1 车辆荷载接地面积区域划分

表2 荷载参数

2 路面结构力学分析

沥青路面寿命不仅受到土基模量变化的影响，也受到水稳层条件变化的影响，不同水稳层模量下路面结构力学性能不同。因此，选取水稳层模量作为路面结构受力影响因素。改变水稳层模量为理论模量的100%、50%、75%、25%，在标准轴载作用下分析其变化对路面结构受力的影响。不同检测段新水稳层的厚度和模量见表3。

表3 各检测段新水稳层的厚度和弹性模量

对不同水稳层模量条件时标准轴载作用下结构层的压应变进行分析，得知沿水平方向轮迹中心点处压应变最大、路面结构层中轮迹外边缘点处剪应变最大。因此，选取轮迹中心点作为压应变计算点、轮迹外边缘点作为剪应变计算点。

2.1 检测段1＃力学响应分析

该路段水泥稳定碎石基层为36 cm，其余结构层参数见表1，其中新水泥砼碎石层模量从1 500 MPa到375 MPa逐渐折减，每次减小25%。

2.1.1 压应变分析

不同模量新水稳层条件下，标准轴载作用下最大压应变随深度的变化见图2。

图2 水稳层模量改变时检测段1＃不同深度压应变的变化

由图2可知：随着水稳层模量的逐渐减小，检测段1＃上、中面层内压应变小幅度减小，下面层内压应变逐渐增大且增幅较大，基层内压应变增幅较大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内压应变减小幅度分别为12.9%、7.1%，下面层内压应变增幅为101.8%。

2.1.2 剪应变分析

不同模量新水稳层条件下，标准轴载作用下轮迹外边缘点水平剪应变随深度的变化见图3。

图3 水稳层模量改变时检测段1＃不同深度剪应变的变化

由图3可知：随着水稳层模量的减小，检测段1＃面层内水平剪应变逐渐增大，下面层内水平剪应变增幅大于上、中面层，基层内剪应变增幅最大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内剪应变增幅分别为29.5%、33.5%，下面层内剪应变增幅为78.2%。

2.2 检测段2＃力学响应分析

该路段水泥稳定碎石基层为30 cm，其余结构层参数见表1，其中新水泥砼碎石层模量从1 500 MPa到375 MPa逐渐折减，每次减小25%。

2.2.1 压应变分析

新水稳层不同模量条件下，标准轴载作用下最大压应变随深度的变化见图4。

图4 水稳层模量改变时检测段2＃不同深度压应变的变化

由图4可知：随着水稳层模量的逐渐减小，检测

段2＃上、中面层内压应变小幅度减小，下面层内压应变逐渐增大且增幅较大，基层内压应变增幅较大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内压应变减小幅度分别为12.1%、7.0%，下面层内压应变增幅为102.1%。

2.2.2 剪应变分析

新水稳层不同模量条件下，标准轴载作用下轮迹外边缘点水平剪应变随深度的变化见图5。

图5 水稳层模量改变时检测段2＃不同深度剪应变的变化

由图5可知：随着水稳层模量的减小，检测段2＃面层内水平剪应变逐渐增大，下面层内水平剪应变增幅大于上、中面层，基层内剪应变增幅最大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内剪应变增幅分别为28.3%、31.8%，下面层内剪应变增幅为73.9%。

2.3 检测段3＃力学响应分析

该路段水泥稳定碎石基层为18 cm，其余结构层参数见表1，其中新水泥砼碎石层模量从1 500 MPa到375 MPa逐渐折减，每次减小25%。

2.3.1 压应变分析

新水稳层不同模量条件下，标准轴载作用下最大压应变随深度的变化见图6。

图6 水稳层模量改变时检测段3＃不同深度压应变的变化

由图6可知：随着水稳层模量的逐渐减小，检测段3＃上、中面层内压应变小幅度减小，下面层内压应变逐渐增大且增幅较大，基层内压应变增幅较大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内压应变减小幅度分别为9.6%、5.7%，下面层内压应变增幅为108.1%。

2.3.2 剪应变分析

新水稳层不同模量条件下，标准轴载作用下轮迹外边缘点水平剪应变随深度的变化见图7。

图7 水稳层模量改变时检测段3＃不同深度剪应变的变化

由图7可知：随着水稳层模量的减小，检测段3＃面层内水平剪应变逐渐增大，下面层内水平剪应变增幅大于上、中面层，基层内剪应变增幅最大。水稳层模量从1 500 MPa减小到375 MPa，上、中面层内剪应变增幅分别为23.3%、24.3%，下面层内剪应变增幅为65.0%。

3 路面整体强度分析

路表弯沉是路面各结构层（包括土基）各自变形的综合结果，该变形在一定程度上反映路面各结构层及土基的力学性质，同时通过路表弯沉反算路面当量回弹模量，可反映路面结构整体抗剪强度。通过贝克曼梁法对3个检测段路面弯沉进行测量，并采用式（1）、式（2）分别反算其路面当量回弹模量，结果见表4。

各路段弯沉值计算公式为：

式中：l为路段内实测路表弯沉平均值（0.01 mm）；Za为与保证率相关的系数，高速公路、一级公路Za=1.645，其他公路沥青路面Za=1.5；S为路段内实测路面弯沉标准差；K1、K2分别为季节影响系数和湿度影响系数，根据当地经验确定；K3为温度修正系数，可按照《公路路基路面现场测试规程》的规定或条文说明或当地的实测资料进行修正。

原路面的当面回弹模量计算公式为：

式中：p、δ分别为标准车型的轮胎接地压强（MPa）和当量圆半径（cm）；l0为原路面的计算弯沉（0.01 mm）；m1为用标准轴载汽车在原路面上测得的弯沉值与用承载板在相同压强条件下所测回弹变形值之比，即轮板对比值，根据各地的对比试验结果论证地确定，在没有对比试验资料的情况下取m1=1.1（轮隙弯沉法）；m2为原路面当量回弹模量扩大系数，取1.0。

表4 路面当量回弹模量计算结果

由表4可知：检测段2＃所测弯沉值比检测段1＃平均高65.5%，相应地路面回弹模量低23.7%；检测段3＃所测弯沉值比检测段2＃平均高25.0%，相应地路面回弹模量低6.4%。且检测段3＃车辙、坑槽、网裂等路面病害现象比检测段2＃更显著，说明水泥稳定碎石层厚度对路面结构整体强度具有很大贡献。

4 结论

（1）新水泥稳定碎石层是路面承载能力的重要组成部分，决定路面的整体强度。

（2）新水泥稳定碎石层的强度稳定性影响路面的使用寿命，随着新水稳层模量的下降，各结构层同深度剪、压应变都有一定程度增大；当新水稳层模量下降到25%时，会在路面深度12～40 cm处出现较大的压、剪应变区域；新水稳层强度衰减会加剧这一区域结构层的破坏，影响路面整体强度。

（3）旧沥青层对路面寿命存在不利影响；新水稳层越厚，在旧沥青面层深度范围内的剪、压应变越大，旧沥青层较大的应变会加剧新水稳层的破坏，影响路面寿命。

［1］ 陈善祥.高速公路服务区新建UTW路面设计及应用研究［D］.长沙：长沙理工大学，2011.

［2］ 何勇兵.对“白加白”改造旧水泥混凝土路面实施方案的探讨［J］.安徽地质，2011（21）.

［3］ Cole L W，J P Moshen.Ultra-thin concrete overlays on asphalt［A］.Paper Prepared for Presentation at 1993 Transportation Association Annual Conference，ACPA［C］.1993.

［4］ Cole LW.Ultra-thin resrarch advances whitetopping technology［J］.Concrte Contruction Magazine，1995（6）.

［5］ Charles J Churilla.Ultra-thin whitetopping［J］.Public Roads，1998，62（2）.

［6］ 刘朝晖，郑健龙，华正良.CRC+AC刚柔复合式路面结构与工程应用［J］.公路交通科技，2008，25（12）.

［7］ 李胜，刘朝晖，李宇峙.CRC+AC复合式路面结构层厚度对温度效应及车辙变形的影响［J］.中国公路学报，2012，25（1）.

［8］ 侯荣国.复合式长寿命路面结构研究［D］.西安：长安大学，2008.

［9］ 薛应军，李明杰，张俊杰，等.水泥稳定碎石强度影响因素［J］.长安大学学报：自然科学版，2010，30（4）.

［10］ 静行.柔性水泥混凝土复合式路面路用性能研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［11］ 封基良.新疆油田公路层间滑移分析［D］.西安：西安公路交通大学，2000.

［12］ 钱国平.重载条件下沥青路面结构复杂受力特征及力学响应研究［D］.上海：同济大学，2004.

［13］ JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范［S］.

U416.223

A

1671-2668（2016）06-0120-04

2016-05-24

广西壮族自治区交通运输科技项目（桂科教发2015-261-1-12）