水泥路面碎石化加铺设计研究

黎纯

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

在早期公路建设中，水泥路面以其高强度、高耐久性、长使用寿命及原材料易得、造价低等优点而广泛应用于各级公路建设。随着人们对道路通行质量要求的提高，高等级公路建设中沥青路面正逐渐取代水泥砼路面。当水泥砼路面出现损坏且需要变更为沥青路面时，碎石化技术以其可有效减缓反射裂缝的产生、避免水泥板与沥青层高模量差、符合建材循环使用原则、经济性良好等优势，正逐渐受到广泛关注。水泥砼路面“白改黑”关键技术有两项，一是碎石化，主要有共振碎石化、多锤头碎石化等，对此的研究较多；另一项为加铺层结构设计，由于其与传统新建路面成熟的结构体系存在较大差异，其结构设计尚未形成广泛使用的理论基础。该文针对水泥路面碎石化加铺沥青层改造项目，以ABAQUS有限元软件构建本构模型及边界条件，对SMA-13厚度、SMA-13模量、碎石化下承层模量及碎石化层与沥青层层间接触状态对路面结构力学响应的影响进行分析，为水泥路面碎石化加铺结构设计提供指导。

1 加铺结构ABAQUS有限元分析

1.1 模型构建及参数选取

某省省道公路改扩建工程原路面为水泥砼路面，采用多锤头碎石化或共振碎石化处理后，将破碎的水泥砼作为基层进行沥青面层加铺。由于原道路水泥砼路面之下各结构层结构参数在不同运营路段差异较大且检测确定较困难，为简化计算模型，将碎石化以下各结构层作为下承层统一考量。采取目前常用的高等级路面结构组合形式进行加铺设计，中面层采用6 cm SUP-20，上面层采用4 cm SMA-13。碎石化前后路基路面结构形式见表1。

表1 碎石化前后路基路面结构形式

为保证上面层SMA-13模拟参数的准确性，其模量采用试验方法确定。参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中单轴压缩动态模量测试方法，在5、25、30、50 ℃试验温度下进行试验，测试结果见图1。由图1可知：20 ℃、10 Hz时SMA-13的动态模量为8 000 MPa。采用全自动落锤式弯沉仪对碎石化后水泥路面进行当量回弹模量测试，结果显示碎石化层模量为200～500 MPa，均值为300 MPa左右。其余结构层参照JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》取值(见表2)。

图1 SMA-13动态模量测试结果

表2 各结构层参数

1.2 加载及边界条件

采用标准轴载BZZ-100 kN进行加载模拟，即采用100 kN单轴双轮组轴载，当量圆接地压强为0.7 MPa。为方便加载分析，采用ABAQUS进行分析时，将双圆均布荷载转换为矩形荷载进行模拟。有限元三维模拟中，X、Y、Z轴分别表示道路横断面、厚度方向及纵断面方向，模型尺寸为6 m×6 m，利用八节点减缩积分立方体单元(C3D8R)进行分析。模型边界条件为：底部根据实际情况采用零自由度约束，X、Y方向采用对称边界条件；由于上、下面层均为柔性同质材料，而下承层为散体颗粒柔性材料，将上、下面层层间设置为完全连续，下面层与下承层之间设置为非完全连续。法向加载产生的切向应力采用库伦摩擦计算，系数取0.6。

2 路面结构力学响应分析

根据《公路沥青路面设计规范》，水泥路面碎石化后加铺沥青面层时，应对沥青混合料疲劳开裂、沥青层永久变形进行验算。鉴于SMA类面层具有较好的高温稳定性，能有效抵抗车辙形成，仅对道路纵向面层层底拉应变进行分析，并结合交工验收最大允许弯沉进行对比。分析各单因素对面层力学响应参数的影响时，基准参数值按表2选取。

2.1 SMA-13厚度的影响

考虑上面层SMA-13的可施工性，根据施工技术规范，其加铺层最小厚度应不小于混合料公称最大粒径的2.5～3倍，即不小于3.25～3.9 cm。考虑施工时压实度质量保证率及经济性，厚度不宜超过8 cm。综合选取4 ～8 cm厚度进行模拟分析，计算结果见表3。

表3 路面结构力学响应随SMA-13厚度的变化

注：变化幅度为力学响应参数相对于基准值的变化程度，下同。

由表3可知：随着上面层厚度的增大，层底拉应变、路表弯沉均减小，厚度由4 cm增加至8 cm时，两参数分别减小13.4%、18.2%。表明增加上面层加铺厚度可改善面层结构力学响应，延长路面使用寿命。

2.2 SMA-13模量的影响

SMA-13混合料动态模量受混合料级配、沥青胶结料质量的影响，随着原材料、级配设计等的改变，动态模量值也可能发生变化。以8 000 MPa为基准，模拟上面层模量在6 000～10 000 MPa变化时面层的力学响应，结果见表4。

表4 路面结构力学响应随SMA-13模量的变化

由表4可知：随着上面层模量的变化，层底拉应变及路表弯沉变化幅度均较小，其中层底拉应变最大变化幅度为1.8%；模量减小至6 000 MPa时，路表弯沉增加幅度最大，为4.8%。整体而言，在上面层结构类型确定后，在其模量可变范围内，模量变化对路面力学响应的影响较小。

2.3 下承层模量的影响

前期检测及相关文献研究结果表明，水泥砼路面碎石化后模量值差异较大，受原水泥路面板状态、碎石化工艺等因素影响。下承层模量作为上述影响因素的综合反映，有必要对其影响进行分析。以300 MPa为基准，在100～600 MPa内取值，有限元模拟分析结果见表5。

表5 路面结构力学响应随下承层模量的变化

由表5可知：整体而言，随着下承层模量的增大，层底拉应变和路表弯沉均呈现显著减小趋势，其变化幅度比上述各因素的变化幅度大；下承层模量减小对路面结构层力学响应的影响大于下承层模量增大的影响，模量减小200 MPa时，层底拉应变和路表弯沉增大幅度分别达40.5%、116.3%；相较于层底拉应变，下承层模量对路表弯沉的影响更大。

2.4 层间接触状态的影响

鉴于面层为柔性同质材料，下承层为散体颗粒柔性材料，有必要设置功能黏结层对其黏结状态进行处理，而施工工艺及处理质量直接影响下承层与沥青面层的层间接触状态。为此，以摩擦系数0.6为基准，对比下承层与沥青面层层间接触状态由完全光滑(摩擦系数为零)至完全连续(摩擦系数为1)对路面结构力学响应的影响，分析结果见表6。

表6 路面结构力学响应随层间接触状态的变化

由表6可知：层间由光滑状态变为非完全连续状态时，层底拉应变、路表弯沉均呈线性变化，但变化幅度较小；层间由部分连续状态转变为完全连续状态时，两参数的变化幅度较大。表明改善层间黏结状态对提高路面疲劳寿命具有积极作用。

2.5 单因素影响灰关联分析

为综合分析并比较各因素对路面结构力学响应的影响大小，采用灰关联分析法对上述因素进行相关系数分析，结果见表7。

表7 单因素影响灰关联分析结果

由表7可知：1) 总体而言，各因素对层底拉应变和路表弯沉的影响程度均为下承层模量>SMA-13 厚度>SMA-13模量>层间接触状态。在“白改黑”改扩建中，应首先关注碎石化层模量，通过合理工艺提高其当量顶面模量，如合理控制施工工艺保证碎石场级配良好、掺补碎石层断档粒径碎石、合理控制碎石化后碾压工艺等。同时注重碎石化层模量数据的快速有效检测，如通过全自动落锤式弯沉仪进行数据采集，实时反馈并指导碎石化施工。2) SMA-13 厚度对力学参数有较大影响，条件允许的情况下可适当提高该结构层厚度。但考虑到SMA-13 层厚度过大不利于改扩建道路全寿命周期成本控制，且厚度过大会导致碾压控制难度增大，存在施工质量隐患，对该因素应慎重考虑。

3 工程实例应用

某省省道公路改扩建工程全长35.2 km，公路等级为一级，设计速度60 km/h，路基宽度22.5 m。原路面结构为18 cm水泥稳定碎石基层、18 cm素水泥砼路面。经过5年运营，水泥砼面层已出现不同程度破损，主要表现为纵横向裂缝、断板及角隅破损等。设计采用多锤头碎石化进行水泥路面板处治，碎石化后将破碎板体作为基层在其上加铺6 cm SUP-20及4 cm SMA-13。

根据交通量调查结果，结合历史交通量数据，该项目交通量为2 132 辆/d，年交通量增长系数为4.5%，取0.7作为车道系数，方向系数取0.50。按设计年限为10年进行计算，累计当量轴载作用次数为1.145×107次。根据项目所在地前期气象资料，该项目季节性地区调整系数为1.00，路面结构温度调整系数为1.4。根据上述分析结论，影响沥青路面面层层底拉应变的最重要因素为下承层模量，根据不同下承层模量值计算对应沥青路面疲劳寿命次数，计算结果见图2。通过线性拟合分析，拟合方程为y=0.007 82x+0.733 44(R2=0.974)，推算出当下承层模量≥239 MPa时，沥青层疲劳寿命大于设计累计当量轴载作用次数1.145×107次，符合疲劳

图2 沥青层疲劳寿命随下承层模量的变化

开裂验算标准。

4 结论

(1) 随着SMA-13厚度和模量、碎石化下承层模量的增加及碎石化层与沥青层层间接触状态的改善，路面结构层底拉应变、路表弯沉减小。

(2) 各参数对层底拉应变与路表弯沉的影响程度均为下承层模量>SMA-13厚度>SMA-13模量>层间接触状态。

(3) “白改黑”改扩建项目建设中，应首先关注碎石化层模量，通过合理工艺提高其当量顶面模量，同时注重碎石化层模量数据的快速有效检测，实时反馈并指导碎石化施工。

(4) 为满足结构验算要求，某省省道公路改扩建工程碎石化下承层模量应≥239 MPa。