旧水泥路面改扩建拼接结构优化及性能评价*

房 硕 李 盛 刘朝晖 张 豪 许路凯

(长沙理工大学交通运输工程学院1) 长沙 410004) (长沙理工大学公路养护技术国家工程实验室2) 长沙 410004)

0 引 言

自上世纪90年末我国的公路建设进入了快速发展时期，当时水泥路面是主要的路面结构形式.在气候环境和车辆荷载作用下，路面的使用性能逐渐降低，且由于设计使用期内交通量增长速度远高于预期，我国不少水泥路面未达到使用年限即出现了严重的结构性破坏和使用功能衰退，且原有的双向四车道高速公路也难以满足日益繁重的交通量需求，迫切需要通过提质改造和扩建完成升级[1].但目前尚未有成熟的旧路改扩建设计施工技术及相应的设计标准，尤其是在新旧路面拼接环节，目前国内对此研究不多.

李沂骏[2]研究了水泥混凝土路面在拓宽改建过程中路面结构拉杆连接技术，研究得出在新旧水泥混凝土路面结合处增设拉杆能够很好的避免裂缝变宽同时能够起到一定的传荷作用.余国红等[3]对旧混凝土加宽结构进行三维建模分析，分别计算了等厚度和变厚度拼接方案中面板板边位置的拉应力、拉杆所受的拉力、及接缝处剪应力，得出变厚结构拼接方案中的板边纵向拉应力大于等厚结构的板边纵向拉应力，而拉杆承受的拉应力和接缝处的剪应力则小于等厚结构中相应的力.然而在拼接缝的设置位置及反射裂缝的控制方面总是存在各种不足，所以有必要研发新的旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接结构，并按照解决现有旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接结构缺陷、提高路面结构使用性能的原则进行合理选择与科学设计，以解决现有旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接结构存在的诸多问题.

1 路面拼接结构组合优化设计

路面拼接结构优化设计的主要目标是有效解决现有旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接结构存在的问题，提高路面结构的使用性能，并具有良好的社会与经济效益.

优化后的旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接结构，其中水泥混凝土面板拼接缝设置在旧水泥混凝土面板的硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m处；沿水泥混凝土面板拼接缝向扩建结构一侧开挖旧路面结构，依次在旧路上基层、旧路下基层、旧路垫层设置台阶作为过渡，所述台阶宽度为35 cm；扩建部分的新路下基层与新路垫层采用与旧路一致的材料与厚度，新路上基层采用贫混凝土，厚度与旧路上基层相同，新路水泥混凝土面板采用与旧路面板相同的结构强度及厚度，新路路床采用未筛分碎石；旧路水泥混凝土面板与新路水泥混凝土面板采用双层钢筋来连接；水泥混凝土面板拼接缝上，以拼接缝为中线，先粘贴厚度为2 mm、宽度为40 cm的高分子聚合物抗裂贴，再在新旧水泥混凝土面板上加铺沥青混凝土抗裂调平夹层，最后再依次加铺沥青混凝土下面层、沥青混凝土上面层[4].路面结构见图1.

图1 路面结构示意图

2 路面拼接后的裂缝控制

在一般情况下，旧水泥混凝土路面改扩建的路面拼接后仍存在裂缝开裂不规则，裂缝宽度过大的问题，以至于影响路面拼接后的使用寿命及行车舒适度等，需进一步进行优化处理.

2.1 拼接缝的设置

2.1.1拼接缝的位置

水泥混凝土面板拼接缝设置旧水泥混凝土路面的硬路肩上，相对于传统的拼接缝设在行车道与硬路肩之间的做法来说，既最大程度地利用了旧水泥混凝土面板，减少了废料处理和堆放，社会和环保效益良好，又挖除了旧水泥混凝土路面部分硬路肩及土路肩范围内的路面结构层、路床，可改善旧路土路肩附近范围内路基及路面结构层强度相对较低且不均匀的问题，延缓路面结构病害出现的时间[5].拼接缝示意图见图2.

图2 拼接缝示意图

2.1.2拼接缝的力学效果

根据断裂力学理论，运用Abaqus有限元软件[6]，计算旧水泥混凝土路面上加铺沥青层后在荷载作用下，比较在旧水泥混凝土路面硬路肩上靠土路肩方向1.9 m处设置拼接缝的做法，与在行车道与硬路肩之间设置拼接缝的传统做法，沥青层底部开裂后，裂缝尖端Ⅱ型应力强度因子KⅡ的变化情况[7-8].基本理论与方法及模型参数同文献[9]，建立三维的计算模型.

分别分析这两种做法，沥青层底部开裂后裂缝尖端Ⅱ型应力强度因子KⅡ与沥青加铺层厚度之间的关系，见图3.

图3 拼接缝KⅡ与沥青加铺层厚度关系

由图3可知，在相同的沥青加铺层厚度条件下，本文拼接缝设在旧水泥混凝土路面硬路肩上，位置在靠土路肩方向的1.9 m处的做法，远离了行车荷载的轮迹带，比之传统拼接缝设在行车道与硬路肩之间的做法，裂缝尖端Ⅱ型应力强度因子KⅡ要小很多，故可有效延缓沥青加铺层反射裂缝的出现[10]，提高新旧水泥混凝土面板上沥青混凝土加铺层的使用寿命.

2.2 台阶的设置

目前在旧水泥混凝土路面改扩建路面拼接的研究中，会出现比如沥青加铺层过早出现反射裂缝等难以克服的问题，因此笔者结合其他改扩建项目的修筑经验及多次有限元计算分析得出，可在旧路上基层、旧路下基层、旧路垫层设置35 cm宽的台阶作为过渡，相对于传统的路面结构拼接来说，可以使新旧路基及路面结构更好地结合且避免新旧路面结构及路基的拼接缝在竖直方向上位置一致，避免沥青加铺层过早出现反射裂缝[11].本文运用Abaqus有限元软件，建立路面拼接三维模型，选择对加铺的沥青混凝土下面层AC-20C层进行力学分析，得到不同的台阶宽度与所对应的最大拉应力及最大剪应力之间关系，见图4.

图4 最大拉应力及剪应力与台阶宽度之间的关系

由图4可知，台阶宽度在35 cm左右时，沥青混凝土下面层AC-20C层的最大拉应力最小，最大剪应力在台阶宽度从0～35 cm段递减的最多，达10.27%，在35 cm之后，递减幅度不大，即当台阶宽度到达一定的程度之后，改变路面结构的最大剪应力对路面结构影响很小.再者，若台阶宽度过大，旧路路床的处理范围就会减少，不能很好地解决旧路路基强度相对较低且不均匀的问题，若台阶宽度太小，则起不到拼接作用，开挖难度也相对较大.综上所述，本文设置35 cm宽的台阶作为过渡，与传统的路面拼接结构相比，更有利于提高路用性能.

2.3 抗裂贴及抗裂调平夹层的设置

在水泥混凝土面板拼接缝上，以拼接缝为中线，粘贴厚度为2 mm、宽度为40 cm且抗拉强度高于600 N/50 mm，产品延伸率大于30%的高分子聚合物抗裂贴，相对于传统的路面拼接抗裂方法来说，具有更好的消能缓冲、隔水防渗效果，可进一步消除或减小拼接缝对沥青加铺层的影响，减小拼接缝处沥青加铺层的应力集中.沥青混凝土抗裂调平夹层厚度为2 cm，为细型密级配沥青混凝土，集料最大粒径为9.5 mm，通过冲刷试验仪，确定细型密级配沥青混凝土的质量损失微乎其微，与本领域常用的水泥稳定类材料相比，质量损失大大减小，具有更好的抗裂调平效果.再者，沥青采用废胎胶粉改性沥青[12]，油石比为7.5%，通过动态剪切流变仪(DSR)黏度扫描试验，确定废胎胶粉对沥青胶浆性能的增粘作用大大增强，与本领域常用的普通沥青相比，更具有延缓反射裂缝出现的性能.

3 拼接后路面结构的性能提升分析

3.1 路面结构性能的加强

本文扩建部分路面结构的上基层采用刚性的贫混凝土，与传统的旧路上基层通常采用的半刚性材料相比，很好地体现了路面结构层的强度递增，有利于提升路面结构的耐久性，从力学模型的角度来看，采用双层小挠度薄板可有效解决扩建路面结构及路基工后沉降相对较大、结构强度需补偿的问题；新路路床采用未筛分碎石，也可进一步减小新旧路基的差异沉降问题.新型路面的沥青混凝土下面层掺质量百分比为0.3%且纤维长度为6 mm的短切玄武岩纤维[13]，可作为稳定剂和增强剂来改善路面的使用耐久性，与传统的做法相比，可有效提高沥青混凝土下面层的弯拉强度、抗裂性能及疲劳性能[14]，减小新旧路基不均匀沉降、路面结构结合等问题对沥青加铺层的不利影响.

3.2 新旧路面板钢筋设置及竖向位移分析

3.2.1双层钢筋的设置

新旧水泥混凝土面板拼接缝是该结构的薄弱环节，为了加强新旧相邻板块之间的承载协调性，在新旧水泥混凝土面板采用双层钢筋来连接，可进一步减小新旧路基差异沉降对路面结构的影响，同时上下层钢筋交错布置也能起到剪力钢筋的作用,双层钢筋分别位于水泥混凝土面板厚度的上h/3处和下h/3处，上、下层交错布置[15-16]；所述钢筋为热轧带肋钢筋，直径为16 mm，长度为70 cm，水平方向上的间距为50 cm.双层钢筋示意图见图5.

图5 双层钢筋示意图

3.2.2受荷板的竖向位移分析

运用Abaqus有限元软件，分别建立双层钢筋和单层钢筋的新旧水泥混凝土路面模型，混凝土板厚度取0.24 m，路面宽4 m，采用同种钢筋且保持配筋率相同，并施加荷载作用，分析两种布筋方案在相同车辆荷载作用下的力学响应及竖向位移的差异.所用部件的材料属性见表1.

表1 所用部件的材料属性

双层布筋方案：上、下两层钢筋错位布置(见图5)，上层钢筋8根布置在距面板层顶面0.08 m处(即面层板上h/3处)；下层钢筋七根布置在距面板底面0.08 m处(即面层板下h/3处)，计算云图见图6.

图6 双层钢筋有限元计算云图

单层布筋方案：将横向钢筋15根布置在距面板顶面0.12 m处(即面层板h/2处).

上述两种布筋方案的受荷板板底最大横向拉应力σc与受荷板最大竖向位移Uc计算结果见表2.

表2 两种布筋方案有限元计算结果

而受荷板的竖向位移与沿板宽方向距离关系见图7.

图7 受荷板竖向位移与沿板宽方向距离关系图

综上可知，双层钢筋方案的受荷板最大横向拉应力与单层钢筋的大小相当，但双层钢筋方案的受荷板最大竖向位移比单层钢筋方案受荷板最大竖向位移小10.64%，双层钢筋起到了更大的承受荷载的作用，能够减小受荷板的竖向位移，进一步减小新旧路基差异沉降对路面结构的影响，与设置单层钢筋及普通水泥混凝土路面结构相比，大大延长旧水泥混凝土路面改扩建后的寿命.

3.3 社会与经济效益

本研究成果在扩建部分路面结构的上基层采用刚性的贫混凝土，无需再像传统方法那样在扩建部分路面结构的上基层上设置纤维土工布，简化了工序、节约了修筑成本.新旧水泥混凝土面板上的加铺结构一致，与传统的水泥混凝土路面改扩建拼接方案相比，避免了沥青混凝土加铺层的拼接，消除了因沥青混凝土加铺层拼接带来的病害和隐患，行车舒适性及安全性将有很大的提升，每年的分摊改建成本费及养护费用也大大缩减，同时也减少了因加铺结构、材料和厚度不一致带来的施工工序复杂、质量难以控制的问题，大大提高了质量，节约了成本.拼接后的新型路面结构性能得到加强，可减少路面损坏对社会造成的不良影响，也可解决城市道路常常因路面损坏及养护维修造成交通中断或拥堵，甚至引发交通事故的问题，有良好的社会效益与经济效益，可广泛应用于旧水泥混凝土路面的改扩建.

4 结 论

1) 拼接缝设在靠路肩方向的1.9 m处，可有效延缓沥青加铺层反射裂缝的出现，提高新旧水泥混凝土面板上沥青混凝土加铺层的使用寿命.最大程度地利用了旧水泥混凝土面板，减少了废料处理和堆放，社会和环保效益良好.

2) 在旧路上基层、下基层、垫层所设置的35 cm宽的台阶作过渡，不仅可以使新旧路基及路面结构更好地结合，而且可以避免新旧路面结构及路基的拼接缝在竖直方向上位置一致所导致沥青加铺层过早出现反射裂缝的问题.

3) 新旧水泥混凝土面板采用双层钢筋来连接，可进一步减小新旧路基差异沉降对路面结构的影响，上下层钢筋交错布置可起到剪力钢筋的作用.

4) 本拼接结构有效利用旧水泥混凝土面板，减少路面结构拼接引发的病害，改扩建后的路面结构也具有整体强度高、行车舒适性好、维修费用小等优点，采用双层小挠度薄板可有效解决扩建路面结构及路基工后沉降相对较大、结构强度需补偿的问题.