灌注式复合混凝土在重交通路面中的层位设置研究

2024-02-01王毅

北方交通 2024年1期

王毅

(辽宁新发展公路科技养护有限公司沈阳市 110103)

0 引言

经济建设快速发展使公路建设迎来重大发展机遇的同时,也面临着严峻挑战。一方面,公路里程需求与质量要求快速增长,另一方面,资金相对不足无法大规模建设高质量公路[1]。因此,在有限资金条件下,通过不断改进技术,提高公路建设质量,成为广大公路建设者的共同追求[2]。

长期以来,全国已建大规模公路网沥青路面损坏给路面维修造成较大压力,特别是随着经济发展,交通荷载出现了不同以往的新特点[3]。交通量不断激增,且重载、超载车辆比例也在不断攀升,加之部分道路由于设计不合理、建养技术老旧、使用寿命短、耐久性差以及后期养护不到位等诸多因素,使得路面结构损伤逐渐加剧,极大加速路面使用状况的衰变,实际使用寿命大大缩短,多数沥青路面不得不提前进行中修、大修[4]。为满足路面使用性能和耐久性要求,增加路面厚度后,路面损坏情况仍未得到有效控制,该现象在寒冷地区表现得尤为突出。

大量工程应用表明,灌注式复合混凝土路面是一种全新的,集材料、结构与功能性于一体的高强耐久路面[5],可应用于各等级公路的铺筑和升级改造,尤其适用于重交通干道、长大纵坡、高车阻路段、道路交叉口、公交和汽车等停靠站、港口码头、机场等路面的铺筑。该技术最早于1954年在法国提出,并在科涅雅克航空港喷气式飞机跑道上作为耐热路面进行了试验铺筑[6]。至20世纪70年代,英、美、前苏联等国相继在路面工程、港口码头、机场路面中应用。近年来,复合混凝土路面技术在我国功能性路面中的应用逐渐增多。该技术不仅可提升路面使用品质,延长使用寿命,降低道路养护维修频次,也可较大程度提高行车的安全性和舒适度,使行驶环境得到明显改善,增加畅通,降低社会车辆运营成本,创造巨大的经济和社会效益。

文章采用数值模拟对重交通干线路面进行受力分析,提出灌注式复合混凝土在重交通干线路面的适宜层位,并结合实体工程进行验证,使之能够更好发挥功能层的使用特点,改善重交通路面整体性能及使用效果,为各级管理者科学决策提供技术支持。

1 工程概况

选取辽宁省代表性国道G304(丹霍线)威宁至候屯段。该路段属普通公路极重交通干线,为一级公路。原路面结构为4cm SBS改性沥青混凝土AC-13(上面层)+6cm SBS改性沥青混凝土AC-20(下面层)+40cm水泥稳定碎石基层+15cm就地冷再生基层。

该路段重载车辆偏多,多为水泥、石料、钢材等重载运输车辆,且超载现象十分严重。同时,该路段交通量增长速度已超出可研阶段预测的交通量增速。至2016年底,全线多数路段沥青路面出现了较严重的车辙、拥包、推移、龟裂等病害,车辙深度在5～12.5cm,其中5cm以上车辙路段约占路线总长度的41.7%,尤其是弯道爬坡及道路交叉口路段,已严重影响行车安全及道路正常运营。

2017年,根据该路段建设性质及重载交通现状,对全线沥青路面进行维修处治,并对路面病害严重区域采用灌注式复合混凝土及其结构形式进行试验性铺筑。

2 灌注式复合混凝土层位设置分析

2.1 灌注式复合混凝土路面技术介绍

灌注式复合混凝土路面是以开级配大空隙(18%～28%)特种沥青混合料为基体,灌入特制高性能水泥基灌浆材料填充其内部空隙形成的一种“刚柔并济”的新型路面材料与结构,具有高强、早强、抗裂、防滑、耐油蚀等特性。

2.2 层位设置分析

重交通沥青路面车辙和推移等病害,其力学机制实质是剪应力作用下的形状改变问题,特别是重压轮胎的水平作用力对剪应力场的影响更为显著。

在纵坡路段,重载车辆慢速行驶过程中,其重力会施加给垂直于路面的垂直作用力,同时还施加给平行于路表面的水平作用力。而在道路交叉口处,车辆频繁制动、启动,也会施加给路面较大的水平力。就力学机制而言,路表面承受单向水平作用力属于典型的非轴对称问题,自然会加剧路面各层,特别是面层沥青混合料的剪应力、偏应力,从而导致沥青层更易发生塑性屈服等形状改变,这也是车辙、推移病害产生的最主要原因。因此,以现行《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)提出的水平力系数为指标(水平力系数f=水平力/垂直力,用以表征施加在路表面的水平力大小),基于路面剪应力场分析,论证不同路段灌注式复合混凝土适宜的结构层位。

2.2.1结构层计算力学参数

为对比分析灌注式复合混凝土最佳抗剪层位,以一般路段(包括纵坡路段)、道路交叉口等路段典型结构为基础,计算灌注式复合混凝土分别用于不同路段的面层剪应力分布,计算结果见表1。

表1 计算结构参数

考虑到该路段超载车较多,直接采用BZZ-100标准荷载与实际交通荷载情况差异较大,因此需适度考虑超载情况。最终考虑50%超载,轴重为150kN,轮胎接地压强为0.9MPa。

在车轮与路面接触面上,除了垂直于路面的法向力外,还有平行于路表面的水平剪应力。当汽车进行制动、启动、加减速行驶时,在匀速情况下,水平剪应力的大小一般为垂直作用力的0.1倍左右;在正常启动情况下,为垂直力的0.1～0.2倍;启动较迅速时,可达0.3～0.4倍;在一般制动时,为垂直力的0.5～0.7倍;紧急刹车时,为垂直力的0.7～1.0倍。考虑交叉口车辆启刹较为频繁,取水平制动系数f为0.5。

2.2.2有限元建模

利用对称性建立模型,如图1所示。各结构层均采用SOLID 45单元。荷载作用区域加密网格,其他区域网格的最大边长为10cm。深度方上面层单元厚度为1cm,下面层单元厚度为2cm,基层、垫层和路基单元厚度均为10cm。在底面施加完全约束,在侧面施加法向约束,在对称面施加对称条件。

图1 有限元模型

2.2.3原路面结构力学计算结果

最大剪应变在原路面结构分布见图2、图3。

图2 最大剪应变在面层分布(f=0.5)

图3 最大剪应变在面层分布(f=0)

根据力学计算结果可知:

对于原路面结构,在一般路段,即不考虑水平荷载条件下,最大剪应变主要分布在下面层和上面层底部,分布范围较大,容易产生严重车辙问题。

在交叉口路段,考虑刹车启动的影响及水平荷载,最大剪应变位置显著上移,最大位置发生在路表,在轮胎与路面接触边缘集中分布。

综上,在道路交叉口路面和一般路面(包括纵坡路段)的最大剪应变分布存在显著差异,其车辙发生发展的力学机制不同,有必要分别进行设计。对于交叉口复合路面结构,灌注式复合混凝土代替6cm SBS改性沥青混凝土AC-20下面层,对于一般路段(包括纵坡路段)复合混凝土路面结构,灌注式复合混凝土代替4cm SBS改性沥青混凝土AC-13上面层。

(1)道路交叉口复合混凝土路面结构力学计算结果:对于交叉口复合路面结构,考虑水平荷载下最大剪应变分布。交叉口复合路面结构最大剪应变主要分布在上面层,集中于路表轮胎与路面接触的边缘,如图4所示。

图4 灌注式复合路面结构最大剪应变在面层分布图(道路交叉口)

(2)一般路段复合混凝土路面结构力学计算结果:对于一般路段(包括纵坡路段)复合混凝土路面结构,最大剪应变在面层分布如图5所示。

图5 灌注式复合路面结构最大剪应变在面层分布图(一般路段)

(a)在一般路段(包括纵坡路段),复合混凝土路面结构最大剪应变主要分布在下面层,且与原始结构相比,上面层的剪应变明显减小。因此,在下面层采用抗车辙性能优异的灌注式复合混凝土路面材料,在上面层采用综合性能突出的SBS改性沥青混合料,符合路面结构受力特点,能够起到良好的抗车辙作用。

(b)在道路交叉口路段,复合混凝土路面结构最大剪应变主要分布在上面层,上面层剪应变较大。因此,在道路交叉口路段的上面层采用抗车辙性能优异的灌注式复合混凝土路面材料,符合路面结构受力特点,能够起到良好的抗车辙作用。

3 工程应用

3.1 灌注式复合混凝土路面铺筑

选取典型路段K229+800～K231+000(1.2km)长大重载爬坡路段右幅,维修方案为:铣刨原沥青路面面层,加铺5cm灌注式复合混凝土中面层+4cm改性沥青混凝土上面层。选取李时珍大街、药都博物馆、南上街道路交叉口,维修方案为:铣刨原路面5cm,加铺5cm灌注式复合混凝土上面层。

2017年8月上旬,完成了国道G304(丹霍线)灌注式复合混凝土路面试验段铺筑。

3.2 试验路运营状况跟踪观测

截至2022年4月,经过56个月的运营,国道G304丹霍线长大纵坡及道路交叉口处的灌注式复合混凝土路面总体运营状况良好。如图6所示,长大纵坡段(K229+800～K231+000)仅面层SBS改性沥青混凝土局部路面出现了轻度车辙(平均车辙深度0.8cm,最大车辙深度1.2cm),无沉陷、推移、龟裂等其他不良状况发生。