灌注式復合混凝土在重交通路面中的層位設置研究

王 毅

(遼寧新發展公路科技養護有限公司 沈陽市 110103)

0 引言

經濟建設快速發展使公路建設迎來重大發展機遇的同時,也面臨著嚴峻挑戰。一方面,公路里程需求與質量要求快速增長,另一方面,資金相對不足無法大規模建設高質量公路[1]。因此,在有限資金條件下,通過不斷改進技術,提高公路建設質量,成為廣大公路建設者的共同追求[2]。

長期以來,全國已建大規模公路網瀝青路面損壞給路面維修造成較大壓力,特別是隨著經濟發展,交通荷載出現了不同以往的新特點[3]。交通量不斷激增,且重載、超載車輛比例也在不斷攀升,加之部分道路由于設計不合理、建養技術老舊、使用壽命短、耐久性差以及后期養護不到位等諸多因素,使得路面結構損傷逐漸加劇,極大加速路面使用狀況的衰變,實際使用壽命大大縮短,多數瀝青路面不得不提前進行中修、大修[4]。為滿足路面使用性能和耐久性要求,增加路面厚度后,路面損壞情況仍未得到有效控制,該現象在寒冷地區表現得尤為突出。

大量工程應用表明,灌注式復合混凝土路面是一種全新的,集材料、結構與功能性于一體的高強耐久路面[5],可應用于各等級公路的鋪筑和升級改造,尤其適用于重交通干道、長大縱坡、高車阻路段、道路交叉口、公交和汽車等?？空?、港口碼頭、機場等路面的鋪筑。該技術最早于1954年在法國提出,并在科涅雅克航空港噴氣式飛機跑道上作為耐熱路面進行了試驗鋪筑[6]。至20世紀70年代,英、美、前蘇聯等國相繼在路面工程、港口碼頭、機場路面中應用。近年來,復合混凝土路面技術在我國功能性路面中的應用逐漸增多。該技術不僅可提升路面使用品質,延長使用壽命,降低道路養護維修頻次,也可較大程度提高行車的安全性和舒適度,使行駛環境得到明顯改善,增加暢通,降低社會車輛運營成本,創造巨大的經濟和社會效益。

文章采用數值模擬對重交通干線路面進行受力分析,提出灌注式復合混凝土在重交通干線路面的適宜層位,并結合實體工程進行驗證,使之能夠更好發揮功能層的使用特點,改善重交通路面整體性能及使用效果,為各級管理者科學決策提供技術支持。

1 工程概況

選取遼寧省代表性國道G304(丹霍線)威寧至候屯段。該路段屬普通公路極重交通干線,為一級公路。原路面結構為4cm SBS改性瀝青混凝土AC-13(上面層)+6cm SBS改性瀝青混凝土AC-20(下面層)+40cm水泥穩定碎石基層+15cm就地冷再生基層。

該路段重載車輛偏多,多為水泥、石料、鋼材等重載運輸車輛,且超載現象十分嚴重。同時,該路段交通量增長速度已超出可研階段預測的交通量增速。至2016年底,全線多數路段瀝青路面出現了較嚴重的車轍、擁包、推移、龜裂等病害,車轍深度在5～12.5cm,其中5cm以上車轍路段約占路線總長度的41.7%,尤其是彎道爬坡及道路交叉口路段,已嚴重影響行車安全及道路正常運營。

2017年,根據該路段建設性質及重載交通現狀,對全線瀝青路面進行維修處治,并對路面病害嚴重區域采用灌注式復合混凝土及其結構形式進行試驗性鋪筑。

2 灌注式復合混凝土層位設置分析

2.1 灌注式復合混凝土路面技術介紹

灌注式復合混凝土路面是以開級配大空隙(18%～28%)特種瀝青混合料為基體,灌入特制高性能水泥基灌漿材料填充其內部空隙形成的一種“剛柔并濟”的新型路面材料與結構,具有高強、早強、抗裂、防滑、耐油蝕等特性。

2.2 層位設置分析

重交通瀝青路面車轍和推移等病害,其力學機制實質是剪應力作用下的形狀改變問題,特別是重壓輪胎的水平作用力對剪應力場的影響更為顯著。

在縱坡路段,重載車輛慢速行駛過程中,其重力會施加給垂直于路面的垂直作用力,同時還施加給平行于路表面的水平作用力。而在道路交叉口處,車輛頻繁制動、啟動,也會施加給路面較大的水平力。就力學機制而言,路表面承受單向水平作用力屬于典型的非軸對稱問題,自然會加劇路面各層,特別是面層瀝青混合料的剪應力、偏應力,從而導致瀝青層更易發生塑性屈服等形狀改變,這也是車轍、推移病害產生的最主要原因。因此,以現行《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2017)提出的水平力系數為指標(水平力系數f=水平力/垂直力,用以表征施加在路表面的水平力大小),基于路面剪應力場分析,論證不同路段灌注式復合混凝土適宜的結構層位。

2.2.1結構層計算力學參數

為對比分析灌注式復合混凝土最佳抗剪層位,以一般路段(包括縱坡路段)、道路交叉口等路段典型結構為基礎,計算灌注式復合混凝土分別用于不同路段的面層剪應力分布,計算結果見表1。

表1 計算結構參數

考慮到該路段超載車較多,直接采用BZZ-100標準荷載與實際交通荷載情況差異較大,因此需適度考慮超載情況。最終考慮50%超載,軸重為150kN,輪胎接地壓強為0.9MPa。

在車輪與路面接觸面上,除了垂直于路面的法向力外,還有平行于路表面的水平剪應力。當汽車進行制動、啟動、加減速行駛時,在勻速情況下,水平剪應力的大小一般為垂直作用力的0.1倍左右;在正常啟動情況下,為垂直力的0.1～0.2倍;啟動較迅速時,可達0.3～0.4倍;在一般制動時,為垂直力的0.5～0.7倍;緊急剎車時,為垂直力的0.7～1.0倍?？紤]交叉口車輛啟剎較為頻繁,取水平制動系數f為0.5。

2.2.2有限元建模

利用對稱性建立模型,如圖1所示。各結構層均采用SOLID 45單元。荷載作用區域加密網格,其他區域網格的最大邊長為10cm。深度方上面層單元厚度為1cm,下面層單元厚度為2cm,基層、墊層和路基單元厚度均為10cm。在底面施加完全約束,在側面施加法向約束,在對稱面施加對稱條件。

圖1 有限元模型

2.2.3原路面結構力學計算結果

最大剪應變在原路面結構分布見圖2、圖3。

圖2 最大剪應變在面層分布(f=0.5)

圖3 最大剪應變在面層分布(f=0)

根據力學計算結果可知:

對于原路面結構,在一般路段,即不考慮水平荷載條件下,最大剪應變主要分布在下面層和上面層底部,分布范圍較大,容易產生嚴重車轍問題。

在交叉口路段,考慮剎車啟動的影響及水平荷載,最大剪應變位置顯著上移,最大位置發生在路表,在輪胎與路面接觸邊緣集中分布。

綜上,在道路交叉口路面和一般路面(包括縱坡路段)的最大剪應變分布存在顯著差異,其車轍發生發展的力學機制不同,有必要分別進行設計。對于交叉口復合路面結構,灌注式復合混凝土代替6cm SBS改性瀝青混凝土AC-20下面層,對于一般路段(包括縱坡路段)復合混凝土路面結構,灌注式復合混凝土代替4cm SBS改性瀝青混凝土AC-13上面層。

(1)道路交叉口復合混凝土路面結構力學計算結果:對于交叉口復合路面結構,考慮水平荷載下最大剪應變分布。交叉口復合路面結構最大剪應變主要分布在上面層,集中于路表輪胎與路面接觸的邊緣,如圖4所示。

圖4 灌注式復合路面結構最大剪應變在面層分布圖(道路交叉口)

(2)一般路段復合混凝土路面結構力學計算結果:對于一般路段(包括縱坡路段)復合混凝土路面結構,最大剪應變在面層分布如圖5所示。

圖5 灌注式復合路面結構最大剪應變在面層分布圖(一般路段)

(a)在一般路段(包括縱坡路段),復合混凝土路面結構最大剪應變主要分布在下面層,且與原始結構相比,上面層的剪應變明顯減小。因此,在下面層采用抗車轍性能優異的灌注式復合混凝土路面材料,在上面層采用綜合性能突出的SBS改性瀝青混合料,符合路面結構受力特點,能夠起到良好的抗車轍作用。

(b)在道路交叉口路段,復合混凝土路面結構最大剪應變主要分布在上面層,上面層剪應變較大。因此,在道路交叉口路段的上面層采用抗車轍性能優異的灌注式復合混凝土路面材料,符合路面結構受力特點,能夠起到良好的抗車轍作用。

3 工程應用

3.1 灌注式復合混凝土路面鋪筑

選取典型路段K229+800～K231+000(1.2km)長大重載爬坡路段右幅,維修方案為:銑刨原瀝青路面面層,加鋪5cm灌注式復合混凝土中面層+4cm改性瀝青混凝土上面層。選取李時珍大街、藥都博物館、南上街道路交叉口,維修方案為:銑刨原路面5cm,加鋪5cm灌注式復合混凝土上面層。

2017年8月上旬,完成了國道G304(丹霍線)灌注式復合混凝土路面試驗段鋪筑。

3.2 試驗路運營狀況跟蹤觀測

截至2022年4月,經過56個月的運營,國道G304丹霍線長大縱坡及道路交叉口處的灌注式復合混凝土路面總體運營狀況良好。如圖6所示,長大縱坡段(K229+800～K231+000)僅面層SBS改性瀝青混凝土局部路面出現了輕度車轍(平均車轍深度0.8cm,最大車轍深度1.2cm),無沉陷、推移、龜裂等其他不良狀況發生。

圖6 長大縱坡段中面層復合混凝土路面運營狀況

經過對灌注式復合混凝土路面試驗路的跟蹤觀測與檢測可知,復合混凝土路面既提高了重壓輪載作用下路面的高溫穩定性(抗剪切能力),也有效改善了下面層疲勞開裂(抗彎拉強度高),避免行車輪載的沖擊破壞,使路面使用性能得到大幅度提升,取得了預期效果。

3.3 縱坡路段表面層車轍產生原因分析

經調查,長大縱坡段路面車轍均發生在SBS改性瀝青混凝土表面層,屬表層路面壓密型車轍,而5cm灌注式復合混凝土中面層未發生豎向變形,其路面結構完整;道路交叉口路段上面層5cm復合混凝土路面運營狀況良好。

(1)在長大重載爬坡路面結構中,重壓輪載會施加給垂直于路面的壓應力及平行于路表的剪切應力,從而導致SBS改性瀝青層在夏季高溫時段受重壓輪載作用發生剪切變形。

(2)長大爬坡段路面結構的最大剪應力主要集中分布在中、下面層,而5cm復合混凝土路面作為中面層正是起到連接和擴散荷載的作用,可以抵抗較大的塑性和剪切變形。因此,復合混凝土路面長大縱坡試驗段面層較其他爬坡路段車轍更輕。

4 結論

基于灌注式復合混凝土設計參數的測試結果,分析得出:

(1)依據非軸對稱層狀彈性體系力學理論,基于不同水平力系數、垂直荷載下的瀝青路面結構剪應力分析,論證了不同路段下灌注式復合混凝土的適宜層位。

(2)在一般路段(包括縱坡路段),水平力系數較小,將灌注式復合混凝土用于中面層(面層為3層)或下面層(面層為2層),以有效抵抗剪切破壞和面層永久變形。

(3)在道路交叉口路段,其水平力系數較大,表面層的最大剪應力也較大,而下面層受拉。因此,將灌注式復合混凝土用于表面層以抵抗較大的剪切應力,同時考慮復合混凝土優良的抗疲勞特性及較大的劈裂抗拉強度,可將其用于上面層以抵抗下面層的疲勞開裂。

(4)研究結果驗證了復合混凝土路面層位設置的適用性及可行性,為該技術在重交通道路中的應用積累基礎性數據,為各級管理者進行科學決策提供技術支持。