基于力学响应的旧路面加铺层结构承载能力研究

李 均，邹志发

(深圳惠盐高速公路有限公司，广东 深圳 518000)

0 引 言

当混凝土路面由于各项使用性能指标下降而不能满足行车要求时，需要对其功能或结构进行改善和加固。目前，国内主要采用旧水泥路面加铺沥青层的设计方法[1-4]，在破碎后的水泥混凝土面板上加铺沥青混凝土层以恢复旧路服务质量，避免后期加铺层出现反射裂缝[5-6]。但在设计过程仍采用与新建沥青路面相同的设计理论[7-9]，缺乏系统的旧路面加铺方案、设计参数及评价指标；同时需要针对旧路面加铺层结构承载能力及旧路面材料利用，进一步优化加铺层方案设计，以明确不同加铺方案的结构适应性。本文依托惠盐高速深圳段改扩建工程，针对工程起点至金钱坳段加铺方案及优化方案提出的路面加铺结构组合，采用有限元方法建立路面结构数值模型，对不同加铺结构的弯沉、拉应力进行全面分析，对比评价标准轴载和重载作用下各方案的力学响应特征，明确各方案的承载能力，为改扩建工程选择路面加铺方案提供参考。

1 工程概况

惠盐高速公路深圳段是深圳市“七横十三纵”干线道路网规划中的重要干道，起点至金钱坳段为水泥混凝土路面。该路段出港方向为重载路段，原水泥路面存在断板、裂缝，进港方向轻载路段，原路面状况良好；结构为：25 cm厚C40混凝土面板、18 cm厚低剂量(3%～4%)水泥稳定碎石、15 cm厚填隙碎石。各加铺方案结构如表1所示，各结构层材料参数如表2所示。进港方向使用状况良好，出港方向存在裂缝和断板病害。近年来交通量的快速增长，使惠盐高速路面病害严重，服务水平逐年下降。本文以惠盐高速深圳段改扩建工程路面加铺方案为依托，深入研究路面加铺层结构承载能力，为惠盐高速深圳段改扩建工程起点至金钱坳段加铺方案的确定提供参考。

表1 路面结构方案

表2 各结构层材料参数

注：基础的弹性模量为原路面基层、下基层、垫层和路基的当量值

2 路面加铺层结构数值模型的构建

2.1 模型建立

路面结构由沥青加铺层、防裂夹层、水泥混凝土路面和基础构成弹性层状体系[10]。假设各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性体，各层层间竖向、水平位移均连续，基础底面各向位移为零，基础侧面水平方向位移为零，不计路面结构的自重影响[11-12]；接缝宽度假设为1 cm，且接缝处无传荷能力，基于此建立空间三维模型。薄夹层采用三维薄膜单元，其余各结构层采用8节点实体单元，进行应力、应变及位移分析。

2.2 计算参数

拟定计算参数如下：水泥混凝土路面板长度L=5 m，宽度B=4.5 m，厚度h=22 cm。经过对不同基础尺寸计算的误差分析，基础扩大尺寸拟定为10 m×4.5 m×9 m。行车荷载采用标准轴载BZZ-100，轮胎内压为0.7 MPa，单个轮压作用范围为18.9 cm×18.9 cm，接触面积为357.21 cm2，双轮间距为32 cm，两侧轮隙间距为182 cm。采用车轮荷载作用在接缝一侧中部的偏荷载为加铺层最不利布载方式，如图1、2所示。

图1 车轮布载平面

图2 接缝处车轮荷载示意

对称轴上的单侧轮载比双侧荷载对加铺层产生的不利影响更大，因此在计算时仅考虑对称轴上的单侧荷载作用。图2中A点为加铺层底计算点，1、2点为弯沉及弯沉差计算点。为满足计算精度要求，对各关键部位，如接缝及其附近加铺层结构进行网格细化，经过误差分析，最后取最小单元边长为0.005 m(接缝处)。

3 路面加铺层结构的承载能力

3.1 基于弯沉响应的加铺层结构的承载能力

3.1.1 不同加铺层结构的路表弯沉

为了分析不同加铺层方案的结构承载能力，对设计方案及优化方案加铺层结构在荷载作用下的路表弯沉值进行了对比分析，结果如图3、4所示。

图3 不同加铺层结构在荷载作用下的路表弯沉值

图4 不同加铺层厚度方案的路表弯沉

分析计算结果可以得出以下结论。

(1)4种方案中，优化方案二的弯沉计算值相对较小，其余3种方案路表弯沉值接近；优化方案二未破碎原水泥路面，其余方案均在破碎旧水泥路面后加铺了ATB沥青稳定碎石基层，设置柔性基层的加铺层结构，因此弯沉值有所增加，增加幅度为17.5%～39.6%。

(2)与设计方案一相比，优化方案一增加了“两油一料”，即黏结层和热洒沥青层，2种方案的路表弯沉值基本一致，层间黏结状态对加铺层弯沉计算结果无影响。

(3)加铺层厚度不是影响路表弯沉的主要因素，加铺厚度为11 cm的优化方案二的路表弯沉值小于加铺厚度为25 cm的设计方案一、优化方案一和31 cm的设计方案二。

(4)不同加铺层厚度方案的路表弯沉结果说明，影响路表弯沉的主要因素是基层结构类型。采用刚性基层结构，即使加铺层厚度较小，也具有较强的承载力。因此，若旧水泥路面使用状况良好，不进行破碎处理，直接加铺面层具有良好的经济性。

3.1.2 重载作用对加铺层路表弯沉的影响

为了分析重载作用对路面加铺层结构路表弯沉的影响，对标准轴载(100 kN)和重载(200 kN)作用下各方案的路表弯沉值进行对比分析，结果如图5所示。

图5 不同荷载作用下的加铺层路表弯沉值

分析计算结果可以得出以下结论。

(1)重载作用下各方案弯沉增长比例基本一致，荷载由100 kN增加到200 kN，各方案路表弯沉值同样增加为原来的2倍。

(2)重载作用下优化方案二弯沉值为0.57 mm，小于其他方案，以路表弯沉为评价指标时，优化方案二对重载适应性较优，其余3种方案结构承载力基本相同。

3.2 基于层底拉应力响应的加铺层结构承载能力

3.2.1 不同加铺层结构的层底拉应力

为了评价各方案的抗疲劳开裂性能，对设计方案与优化方案的加铺层底部拉应力进行了对比分析，计算结果如表3、4所示。

表3 轴载100 kN下不同方案加铺层底部拉应力

表4 轴载200 kN下不同方案加铺层底部拉应力

分析计算结果可以得出以下结论。

(1)4种方案上面层、中面层拉应力均为负值，处于受压状态，最大拉应力出现在下面层底部及ATB基层底部。其中，设计方案二加铺层底部拉应力较小，设计方案一与优化方案二层底拉应力较大。

(2)设计方案一中的ATB基层与旧水泥路面碎石化基层之间未采取层间处治措施，层间黏结强度较低，路面结构整体性降低，加铺的ATB基层底部出现较大拉应力。

(3)与设计方案一相比，优化方案二未设置ATB柔性基层，加铺层厚度明显小于设计方案一，但在旧水泥路面与加铺层之间设置了应力吸收层，不同轴载作用下，其层底最大拉应力比设计方案一减小约6.4%，说明应力吸收层能够起到减小加铺层底部拉应力的效果。

3.2.2 重载作用对加铺层结构层底拉应力的影响

为了分析重载作用对加铺层结构层底拉应力的影响，对标准轴载(100 kN)和重载(200 kN)作用下各方案的加铺层底部最大拉应力进行了对比分析，结果如图6所示。

图6 不同轴载作用下的加铺层底部最大拉应力

分析计算结果可以得出以下结论。

(1)重载作用下，4种方案加铺层底部最大拉应力的增长比例基本相同，荷载由100 kN增加到200 kN，层底最大拉应力增长比例为93.1%～106.0%。

(2)标准轴载作用下，各方案结构层底部最大拉应力均小于材料劈裂强度0.6～1.0 MPa，重载作用下，设计方案一和优化方案二层底最大拉应力分别为0.618 MPa和0.565 MPa，超过或接近材料劈裂强度，容易发生开裂破坏，设计方案一和优化方案二对重载适应性较差。

(3)以层底最大拉应力为评价指标时，设计方案二对重载适应性较优，优化方案一次之。

3.2.3 层间黏结状态对加铺层底部拉应力的影响

为了分析层间黏结状态对加铺层结构层底拉应力的影响，以设计方案一和优化方案一为例，对相同加铺层结构在不同层间黏结状态下的各结构层底部拉应力进行了对比分析，结果如图7所示。

图7 不同黏结状态下的加铺层底部拉应力

分析以上计算结果可以得出以下几点。

(1)与设计方案一相比，优化方案一增加了“两油一料”黏结层，ATB基层与碎石化基层之间黏结强度提高，加铺层底部拉应力减小约23.7%，增强层间黏结状态可以有效减小加铺层底部最大拉应力。

(2)重载作用下，未设置层间处治措施的设计方案一层底最大拉应力达到0.618 MPa，大于ATB沥青碎石最小劈裂强度0.6 MPa，优化方案一层底最大拉应力为0.468 MPa，对于重载具有较好的适应性。

4 结 语

本文针对惠盐高速深圳段改扩建工程，采用有限元方法建立了路面结构数值模型，提出了路面加铺结构组合优化方案，基于路表弯沉、层底拉应力等指标对不同加铺结构进行了全面的力学响应分析。主要研究结论如下。

(1)对比4种加铺方案，设置柔性基层的加铺层结构弯沉值增加幅度为17.5%～39.6%，层间黏结状态对加铺层弯沉计算结果无影响，刚性基层结构加铺厚度小、承载力强；重载作用下，各方案路表弯沉值增加了2倍，且以路表弯沉为评价指标时，优化方案二适应性最优。

(2)重载作用下，设计方案二加铺层底部拉应力较小，设计方案一与优化方案二层底拉应力较大；设计方案一未采取层间处治措施，其ATB基层底部出现较大拉应力；优化方案二设置了应力吸收层，其层底最大拉应力比设计方案一减小约6.4%。

(3)重载作用下，4种方案层底最大拉应力增长比例为93.1%～106.0%；标准轴载作用下，各方案层底最大拉应力均小于材料劈裂强度；重载作用下，以层底最大拉应力为评价指标时，对重载的适应性从优到劣依次为：设计方案二、优化方案一、优化方案二、设计方案一。

(4)优化方案一增加了“两油一料”黏结层，提高了ATB基层与碎石化基层之间的黏结强度，加铺层底部拉应力减小了23.7%；重载作用下，优化方案一层底最大拉应力为0.468 MPa，说明其对重载具有良好的适应性。