舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的改造設(shè)計(jì)

摘要: 改革開放以來(lái)，隨著城市交通工程的蓬勃發(fā)展，水泥混凝土在我國(guó)公路建設(shè)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。但由于交通量劇增、超載或者是設(shè)計(jì)及施工方面的原因，導(dǎo)致許多路面的損壞和使用性能的下降。因此，本文通過(guò)對(duì)路面加鋪瀝青層的荷載應(yīng)力分析和溫度應(yīng)力進(jìn)行深入的分析，提出了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的設(shè)計(jì)方法。為相關(guān)設(shè)計(jì)人員提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞:舊水泥混凝土路面；荷載應(yīng)力；溫度應(yīng)力；設(shè)計(jì)方法

Abstract: since the reform and opening up, along with the vigorous development of urban traffic engineering, cement concrete road construction in our country in the process of a wide range of applications. But because the traffic increase, overload or design and construction reasons, causing many road the damage and the use of performance decline. Therefore, this paper, with the paving asphalt pavement layer load stress analysis and temperature stress in-depth analysis, and put forward the old cement concrete pavement and the design method of paving asphalt layer. For related designers reference and using for reference.

Keywords: old cement concrete pavement; Load stress; Temperature stress; Design method

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水泥混凝土作為公路建設(shè)中重要的組成材料，在交通荷載、自然環(huán)境和人為因素的綜合作用下，會(huì)出現(xiàn)許多損害的現(xiàn)象導(dǎo)致其使用性大大降低，影響了道路的使用功能。而對(duì)水泥路面加鋪瀝青層，不僅能夠有效改善舊水泥路面的使用性能，同時(shí)也可以充分利用舊水泥路面造價(jià)低、施工簡(jiǎn)單和環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。然而瀝青加鋪層迅速迅速發(fā)展的反射裂縫很可能會(huì)縮短其使用壽命，因此，舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的設(shè)計(jì)便成為了重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

1 加鋪瀝青層荷載應(yīng)力分析

板接裂縫是舊水泥路面進(jìn)行加鋪瀝青層機(jī)構(gòu)中較為困難的階段，在荷載作用下，接縫上面的AC層會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，反射裂縫容易由此產(chǎn)生。故有必要對(duì)接縫處AC層在荷載作用下的應(yīng)力、位移進(jìn)行計(jì)算與分析，為設(shè)計(jì)方法提供理論依據(jù)。

1.1 計(jì)算模型

(1)水泥混凝土板與地基間光滑接觸。

(2)水泥混凝土板與瀝青層間完全連續(xù)。

(3)接縫考慮一定寬度、無(wú)傳荷。

(4)地基為彈性半空間地基(E地基)。

(5)各層材料具有線彈性，以E，μ表征。

1.2 臨界荷位分析

臨界荷位的確定與對(duì)象有關(guān)。普通混凝土板的臨界荷位是軸載作用于縱縫邊緣中部，這時(shí)板底產(chǎn)生最大應(yīng)力。對(duì)于舊混凝土板加鋪瀝青面層，為控制瀝青層出現(xiàn)反射裂縫，就以瀝青層內(nèi)應(yīng)力、位移的不利狀態(tài)作為選擇臨界荷位的依據(jù)。

本次試驗(yàn)采用靜態(tài)彎沉儀(貝克曼梁彎沉儀)和后軸為100kN的標(biāo)準(zhǔn)軸載車(一側(cè)雙輪荷載:50±1kN；輪胎充氣壓力:0.7±0.05MPa；單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑:21.30±0.5cm)進(jìn)行彎沉測(cè)量。

計(jì)算參數(shù)為板長(zhǎng)5m，寬4.5m，瀝青混凝土模量Ea=1500MPa，泊松比μa=0.25，瀝青層厚度ha=6cm，水泥混凝土板模量EC=30000MPa，泊松比μc=0.15，水泥混凝土板厚度hc=20cm，基礎(chǔ)模量Es=100MPa，泊松比μS=0.35，接縫寬度0.8cm，所加荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載(BZZ－100kN)，加載應(yīng)力為0.7MPa。

1.3 應(yīng)力與位移分析

(1)混凝土板模量Ec對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

取ha=6cm，hc=22cm，Ea=1500MPa，Es=100MPa，Ec=25000MPa和Ec=35000MPa，采用程序進(jìn)行計(jì)算，可以得到:剪應(yīng)力、彎沉等各個(gè)指標(biāo)隨Ec的增加而減小，這說(shuō)明板的剛度越大對(duì)瀝青層受力越有利。但影響也很小，可以不計(jì)。

(2)瀝青混凝土模量Ea對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

研究Ea從1000MPa增至1500MPa時(shí)，彎沉差、表面彎沉、剪應(yīng)力的變化規(guī)律和計(jì)算結(jié)果分析可知，當(dāng)瀝青混凝土模量Ea增加時(shí)，剪應(yīng)力隨之增加，而彎沉差隨之減小，路面整體抗變形能力增強(qiáng)。盡管瀝青混凝土模量受溫度影響有一定的變化，但在以后的計(jì)算中Ea取定值1500MPa。

(3)板厚hc對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

通過(guò)計(jì)算分析不同AC層厚、不同板厚時(shí)剪應(yīng)力和彎沉差的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)力隨hc的增加而線性減小，彎沉差也隨hc增加線性減小。

(4)瀝青層厚度ha對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響

對(duì)于舊混凝土板加鋪瀝青面層設(shè)計(jì)，主要是計(jì)算加鋪層的厚度，使各種力學(xué)

指標(biāo)控制在允許范圍內(nèi)，因此，瀝青層厚度ha是主要影響參數(shù)之一。計(jì)算中ha從4cm到16cm按2cm遞增，并考慮混凝土板厚和板下基礎(chǔ)模量Es的影響。

2 瀝青加鋪層溫度應(yīng)力分析

計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度應(yīng)力，首先要進(jìn)行溫度場(chǎng)的研究。為分析在溫度應(yīng)力作用下，瀝青層模量Ea、厚度ha、板厚hc、土基模量Es這4個(gè)參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，取瀝青層表面降溫18℃，溫度梯度為－0.8℃/cm時(shí)，考察瀝青層最大拉應(yīng)力σy和瀝青層與混凝土板間的最大剪應(yīng)力τyz，研究結(jié)果表明:

(1)瀝青層底面彎拉應(yīng)力與層間剪應(yīng)力隨瀝青層厚度的增加而減小。

(2)瀝青層底面拉應(yīng)力σy隨Ea的增加而增加，

這說(shuō)明反射裂縫易在冬季產(chǎn)生；而剪應(yīng)力τyz則隨Ea的增加而減小，這說(shuō)明層間剪應(yīng)力與兩層的模量比有關(guān)，兩者模量相差越大，則變形越不協(xié)調(diào)，相互約束越緊，從而引起剪應(yīng)力增加。

(3)瀝青層拉應(yīng)力隨板厚的增加而減小，剪應(yīng)力則隨板厚的增加而增加。

3 瀝青加鋪層設(shè)計(jì)

3.1 板下基礎(chǔ)強(qiáng)度評(píng)價(jià)公式

板下基礎(chǔ)模量是舊路強(qiáng)度評(píng)價(jià)中的重要參數(shù)之一，現(xiàn)行規(guī)范在基礎(chǔ)模量方面有2個(gè)參數(shù):Et是基礎(chǔ)頂面當(dāng)量回彈模量，它是由承載板試驗(yàn)直接測(cè)定結(jié)果；Etc是基礎(chǔ)頂面計(jì)算彈性模量，是在應(yīng)力計(jì)算中使用的表征基礎(chǔ)剛度的彈性參數(shù)。

對(duì)舊混凝土路面板下基礎(chǔ)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，由于不便把混凝土板刨開在基礎(chǔ)頂面直接進(jìn)行承載板試驗(yàn)，一般按(1)式進(jìn)行反算，然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該公式有時(shí)計(jì)算結(jié)果往往超出常規(guī)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)困難，需進(jìn)行修正。

(1)

基層頂面計(jì)算模量Etc值應(yīng)不小于Et值，但實(shí)際中發(fā)現(xiàn)當(dāng)Etc超過(guò)某一量值后(以下簡(jiǎn)稱分界值)就會(huì)出現(xiàn)Et值大于Etc值的反�，F(xiàn)象。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)Et值計(jì)算結(jié)果對(duì)Etc值的變化很敏感，Etc值發(fā)生較小變化，Et值就有較大改變。

從中可看出，Etc只有在小范圍內(nèi)變化時(shí)，得到的Et值才可以令人接受。從誤差考慮，當(dāng)hc=20cm，Ec=27500MPa，Etc=175MPa，若Etc測(cè)量誤差為14%時(shí)，則相應(yīng)的Et值從119MPa變?yōu)?33MPa，其相對(duì)誤差達(dá)96%，絕對(duì)誤差達(dá)114MPa。Etc的精度可能無(wú)法滿足公式的要求，得出的Et值也將難以令人接受，必須進(jìn)行改進(jìn)。利用已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立以Et為函數(shù)值的回歸公式，可表示為:

(2)

3.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

舊混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)的破壞，可以考慮下面3種現(xiàn)象:板底疲勞開裂；AC層與舊板層間發(fā)生分離；AC層產(chǎn)生反射裂縫。而反射裂縫是舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層的主要破壞形式，控制這種路面破壞形式的指標(biāo)與反射裂縫的成因有關(guān)。具體的成因通常認(rèn)為有以下3種:

(1)如圖1，氣溫的升降變化，引起路面內(nèi)的溫度也隨之升降，AC層自身會(huì)熱脹冷縮，混凝土板膨脹與收縮在接縫處引起張開與閉合，使AC層內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步增大，而且這種溫度荷載是日復(fù)一日，年復(fù)一年的疲勞作用。

圖1 溫度升降形成的反射裂縫

(2)如圖2，當(dāng)板內(nèi)有溫度梯度存在時(shí)，板會(huì)發(fā)生翹曲變形，板接縫上AC層會(huì)受到很大的拉應(yīng)力作用，這時(shí)裂縫有可能產(chǎn)生在AC層頂部并向下發(fā)展，這種裂縫易在晝夜溫差較大的地區(qū)發(fā)生。

圖2 翹曲變形引起的裂縫

(3)車輛荷載在接縫處會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，當(dāng)荷載作用于接縫處板的一側(cè)時(shí)，受荷板與未受荷板會(huì)產(chǎn)生垂直相互變形，出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，導(dǎo)致AC層發(fā)生較大的剪切變形，受到較大的剪切應(yīng)力，引發(fā)裂縫。

根據(jù)上述反射裂縫的成因，可以使用3個(gè)指標(biāo)控制反射裂縫破壞:不利荷載作用下接縫處AC層的剪應(yīng)力，板接縫處的彎沉差，混凝土板底彎拉應(yīng)力。前兩個(gè)指標(biāo)主要是防止車輛荷載作用下的剪切破壞，后一個(gè)指標(biāo)是控制降溫時(shí)AC層內(nèi)的拉應(yīng)力破壞。舊混凝土路面瀝青加鋪層厚度的計(jì)算應(yīng)用上述指標(biāo)進(jìn)行控制。

3.3 加鋪層厚度計(jì)算

3.3.1 以板底彎拉應(yīng)力為控制指標(biāo)

(1)設(shè)計(jì)參數(shù):板厚hc；混凝土實(shí)際彎拉強(qiáng)度和彎拉彈性模量；基層頂面模量；綜合修正系數(shù)kc；其他參數(shù)。

(2)荷載應(yīng)力計(jì)算。