公路路面加铺层力学响应对比研究

孙婧尧

（山西晋宇路桥工程有限责任公司,山西 太原 030000）

0 引言

从目前我国的公路工程组成结构来看，水泥混凝土路面的比例相对较高，具备较高的抗压强度、抗弯拉强度以及抗磨损性的效果，水稳定性比较好，而且随着投入使用时间的延长，强度呈现出递增的趋势。但是在水泥混凝土路面使用的环节，面板之间存在接缝，降雨时会有雨水进入到板底，在运行的环节比较常见的问题是唧浆、脱空、断裂等。就实际应用结果来说，水泥混凝土路面使用寿命较长，但是后续的管理成本比较高，需要投入大量的人力、物力进行建设才能满足要求。对于表面铺设沥青混凝土结构层来说，性能恢复较为明显，降低维护成本，施工速度也比较快，及时恢复道路通行状态，具备较高的综合利用价值。结合不同的厚度，水泥混凝土路面的加铺橡胶沥青层包含两种情况，分别为2～3 cm 薄罩面层、1.5～2 cm 超薄罩面层，不管是选择哪种形式，在加铺沥青罩面层的养护中，都需要面临着比较高昂的费用，管理部门需要承担的投入资金比较多[1]。因此，该文以某公路项目为案例进行分析，探讨加铺橡胶沥青罩面层之后水泥混凝土路面的车辆荷载下力学响应，为同类型工程项目的施工提供基础。

1 工程概况

某公路项目建设投入运营超过15 年的时间，应用水泥混凝土路面结构形式，但是在长期投入运行的环节，经过数据统计分析，单日通行车辆的数量从2 958 辆增加到6 529 辆，通行量增加幅度过大，21 cm 厚度的水泥混凝土路面无法满足通行的标准，多个部位都出现了严重的断裂问题。基层结构施工环节，应用的材料水稳定性比较差，加上施工工艺控制不严格，导致有些部分的强度性能不合格。由于大量的水分进入到结构内部，使得板材结构损坏严重，强度无法达到设计的标准，特别是车辆持续碾压作用，出现唧浆的病害问题，脱空、断板、沉陷等问题也比较严重。通过管理部门技术人员的现场勘察与分析，经过对现场的调查了解，技术人员应用压浆处理措施，修复孔内问题并灌缝处理，达到结构性能恢复的效果。同时，表面铺设沥青混凝土材料，使用罩面层进行施工，确保路面结构性能恢复。

2 模型构建

2.1 三维模型

通过管理部门技术人员的现场勘察与分析，技术人员经过充分的分析和研究，选择现场的水泥混凝土板试验方式对各项参数进行检测。在三维模型建设过程中，主要采用ABAQUS 有限元开展分析，并根据需要建设罩面层的模型，分为两个模型进行模拟计算[2]，从而对该次研究中两个结构形式的受力相应进行分析。

2.2 力学模型

根据当前结构层的研究特性以及具体的标准，该次工程使用的是BISAR 辅助设计软件展开力学模型的建设，假设各个结构层的材料是均匀设置，属于线性弹性材料的类型，各个结构层水平面没有尺寸约束。通过剪切模量的数据分析，了解黏结的具体情况，然后根据要求布置中间层，再进行剪切应力的测试分析，掌握现场的应用条件。摩擦系数按下式计算：

式中，α——层间摩擦系数；K——中间层剪切模量；μ——上层材料泊松比；E——上层材料弹性模量（MPa）；δ——当量荷载圆半径（m）。在计算中α数值在0～1 之间，若数值为0，则代表路面具备连续性；若参数值为1，则表示路面处于光滑状态。

基于路面力学响应计算值如图1 所示。

图1 力学响应计算图示

图中沥青罩面层用h1表示、水泥混凝土层用h2表示、水稳基层用h3表示。沥青罩面层用E1表示、水泥混凝土层E2表示、水稳基层E3表示、土基回弹模量E0表示。在现场进行数据计算的环节，通过图1 进行分析，并结合道路通行的标准使用符合要求的橡胶沥青混合料进行表面铺设施工，形成符合要求的罩面层。在试验操作中，车辆轴载以及轮胎表面的作用力、接触面积都按照要求进行，按照滑动摩擦系数0.4 进行计算分析，该次试验水平力参数值为20 kN。

3 力学响应分析

3.1 路表弯沉

开展路面结构设计的环节，应在标准荷载条件之下进行垂直位移量的设计，分析掌握目前路面结构层所产生的弯沉系数，了解该参数对于公路运行效果的影响。技术人员从当前国家发布的相关标准以及行业规范技术参数展开分析，总结出设计标准要求，进而计算出结构加铺之后所形成的沥青混凝土层弯沉数据，然后确定其是否符合设计方案的规定和标准。与此同时，技术人员根据现场做出参数的调整，达到路面通行的标准[3]。路表弯沉情况如图2 所示。

图2 路表弯沉

由图2（a）可知，该沥青路面加铺工作结束后的弯沉值，将轮间荷载同时施加到表面，并进行综合系数的分析，以确定在车轮作用时所形成的最大弯沉参数值。表面铺设工作结束后，发现弯沉分布相对比较一致，并且加铺后弯沉值要高于加铺之前。

由图2（b）可知，在罩面层加铺工作开始前，通过分析水泥混凝土面板以及沥青路面的弯沉参数，加铺后的弯沉值要小于加铺前，经过分析发现，主要是因为水泥混凝土面板强度较高，这就使得加铺之后的面层结构弯沉值减小。

3.2 土层层间剪切应力分布

对于沥青罩面层结构参数进行分析，应从厚度、模量、荷载等方面出发进行分析，其他数据都是常数，所以在进行最大剪应力的分析中，从层间连续和层间光滑两个条件分析，结果如图3 所示。

图3 层间最大剪应力与相关参数的关系

由图3 可知，再进行表面加铺作业之后，罩面层和水泥混凝土结构表面达到连续性的要求，组合成为整体的结构，同时测定厚度2 cm 的结构最大剪应力相对比较小，当结构层的施工厚度增加到3 cm 之后，最大剪应力并没有跟随厚度的增加而增大，反而表现出减小的发展趋势，并且厚度增大时，该趋势会更加的明显，减小的数值也会更大。层间光滑时，最大剪应力会因为其厚度的变化而不断变化，那么在厚度处于波动状态背景下，当面层厚度处于2 cm 时，那么最大的剪应力属于0.334 MPa，而罩面面层厚度参数变化为3 cm 时，则最大剪力则降低到0.339 MPa，在这种厚度变化背景下，最大剪力的变化情况变化为先增加，后减少的方式。但是都没有达到2 cm的参数值，所以确定厚度为2 cm 符合实际应用的需要。分析可以发现，罩面层与水泥混凝土路面连接的情况下，罩面层模量不断增加，最大剪应力变小，这就说明路面的抗滑移性能得到提升。分析发现在连续、光滑的条件下，最大剪应力都会在荷载不断增加的条件下处于线性增长的趋势，荷载一致时，层间光滑的最大剪应力相对较大[4]。

如果沥青罩面层与水泥混凝土路面处于不连续的连接状态，罩面层厚度增大和模量增加50%，虽然剪应力与最大剪应力会不断减小，尤其是厚度不断增大，减小的幅度也会增加。而在厚度不断变化的趋势之下，当面层模量参数减小到一定规范值，若满足面层结构厚度的9倍值，那么在这种条件下能够有效减小免层结构的厚度方式对剪力进行控制是不能满足标准要求的，反而利用增大罩面层厚度的方式能够实现。

3.3 层底水平应力

按照目前的设计标准要求，层底水平应力分析极为重要，必须按照当前标准和规范进行，并且从拉应力、压应力方面出发展开分析。目前设计标准和规范中将层底拉应力作为技术指标分析，需要在罩面层结构施工结束之后，技术人员进行现场的横向路径层底水平应力展开数据计算分析，经过分析确定，加铺操作前后的参数值为1.4 kPa 和0.37 kPa，这就表示在加铺施工之后，可以有效地减小层底拉应力，使得结构受力条件改善较为明显。

经过对该次项目实施的加铺前后层底拉应力分析，发现两者的发展变化趋势是基本相同的，车轴重点拉应力为1.5 kPa 和0.04 kPa。在车辆碾压的环节，会给结构层造成应力的变化，主要是出现压应力的变化；右侧接缝部位应力比较集中，压应力达到35.9 kPa。

由此可见，经过加铺罩面层的处理方式，车辙中点部位上存在有最大的层底拉应力，并且两侧板接缝部位压应力最大。

3.4 橡胶沥青薄罩面层厚度

结合目前的设计要求做出方案的改进和优化，并落实厚度参数的分析。在罩面层厚度增加50%后，横向径恒定时，计算确定沥青层与水泥混凝土的层底拉应力。经过分析发现，沥青层结构的厚度增加，对于现场结构数据影响比较明显，尤其是在厚度增加的情况下，层底拉应力呈现出减小的趋势，并且变化幅度较大。测量之后确定，罩面层在现场加铺工作实施前，测定的层底拉应力是0.36 kPa，而在增加厚度之后，其会下降到0.59 kPa。之所以会出现这种情况，主要是在厚度的增加后，加铺层与原有的水泥混凝土路面都会存在层底拉应力减小的情况，结构受力也会逐步的改变，裂缝的病害问题会更加的严重[5]。

4 结论

水泥混凝土路面是我国重要的道路路面结构形式，在长期投入使用中，尤其是在车辆荷载不断增大的背景之下，结构损坏的问题较为常见。为了能够满足道路通行的需要，采用加铺橡胶沥青罩面层的方式进行修复处理，提升水泥混凝土路面的通行效果。在具体设计环节，从实际情况出发，分析沥青罩面层的力学特点，展开模型计算分析，并根据实际需要确定最佳的结构层厚度参数，达到经济、可靠、稳定的效果，从而改善橡胶沥青结构层的受力条件，具备较高的应用价值。该文案例中的路面改造之后，通车超过1 年的时间，经过跟踪检测，发现各方面力学性能都符合要求，没有沉降、裂缝等病害问题。