刘 申

(河北省衡水公路工程总公司)

在水泥混凝土路面上进行沥青面层罩面,是改善其使用性能和提高其承载能力的一项常用措施,然而由于旧路面层有接缝和裂缝,沥青路面容易产生反射裂缝问题。反射裂缝是由于旧水泥混凝土面层在接缝、裂缝附近的位移引起接缝、裂缝上方的沥青混凝土罩面层内出现应力集中所造成的。我国目前制定旧水泥混凝土路面上沥青路面罩面设计规范还不是很完善,而国外罩面层厚度设计主要应用经验法来确定,如美国沥青协会(AI)的弯沉法认为旧水泥混凝土面层接缝(或裂缝)处的弯沉量和弯沉差是引起沥青罩面层开裂的主要原因,因为轮载的施加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位移的速度。因而此方法以控制接缝或裂缝处的板边平均弯沉值和弯沉差为设计要求。沥青协会根据旧混凝土面板的长度和当地的年平均温度差(为最热和最冷月的日最高温度与日最低温度差的 30年平均值)提出了沥青罩面层厚度建议表;美国陆军工程师部队(COE)的补足厚度缺额法是为机场罩面层制订的设计方法,该方法按现有地基的承载能力,计算确定满足未来交通要求所需要的面层厚度,而旧面层厚度与此厚度的差值便为所需补充的罩面层厚度,旧面层的厚度按面层的结构损坏情况给予不同程度的拆减。美国AASHTO的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定沥青罩面层的厚度,但不考虑罩面后的旧水泥混凝土面板的进一步开裂。上述三种设计方法均属经验设计法,是针对某国家或地区的特殊情况提出来的,没有推广意义,理论分析不充分。

目前罩面层出现的裂缝认为其主要破坏形式为面层的反射开裂、层间界面的剪切破坏、过重车车辙变形三种。

这里就面层的反射开裂进行分析。

反射裂纹的扩展模式根据断裂力学原理可分为张开型(I型)、剪切型(Ⅱ型)和撕开型模式。对于旧水泥混凝土路面上沥青路面罩面这种结构,温度型应力对应 I型,行车型荷载对应Ⅱ型,撕开型不常见,通过分析认为,温度应力引起反射裂纹产生并参与了裂纹发展,而荷载应力加速了裂缝进一步扩展。

在旧水泥混凝土路面上进行沥青路面加铺,在荷载作用下产生的反射裂缝主要是剪切型开裂。为防止这种类型的反射裂缝,可采用降低接缝处板边弯沉差以及增加罩面层的剪切强度的措施。在温差作用下,由于旧水泥混凝土板的收缩,导致罩面层在接(裂)缝处产生应力突变,当其疲劳应力超过其抗拉强度时,便在接缝对应处产生温度型反射开裂。对于采用灌浆等处理好的旧水泥混凝土路面,在荷载作用下,与旧水泥混凝土路面结构相当半刚性基层沥青路面采用现行沥青路面设计程序 APDS计算的沥青面层底部一般不会产生拉应力。由于旧水泥混凝土路面存在接、裂缝,会导致沥青罩面层层底产生应力集中现象,罩面结构设置夹层可以减少沥青面层产生的应力集中效应,且设计方法中考虑应力集中问题难度较大,所以在沥青面层层底弯拉应力计算时未进行特别考虑,参照现行规范进行近似计算。沥青罩面层反射裂缝的问题主要通过温度型收缩应力和竖向剪应力考虑。但温度收缩模型不好建立,这里只对竖向剪应力进行分析。

考虑到不可能为减少车辙变形量而减少罩面层厚度,针对路面结构特点,通常从选择罩面层材料和进行材料组成设计,提高其抗温缩开裂和车辙的能力、设计过程需考虑的破坏为因荷载和温度作用而产生反射开裂和层间界面的剪切破坏。

1 设计原则

在对旧路面板处理后,进行罩面层厚度设计的目标就是控制和减少沥青面层反射裂缝的产生。而从其产生的原因来分析,对于张开型反射裂缝主要是由于温度收缩引起;对于剪切型反射裂缝主要从罩面层厚度设计中来考虑。同时,应保证在沥青罩面层与旧水泥混凝土界面不发生剪切破坏。从罩面层类型和材料组成设计上,确保其车辙变形控制在要求的范围内。罩面设计方法力求简单、实用,罩面层设计参数与现行沥青路面设计规范一致。

2 设计竖向剪应力的近似计算

在荷载作用下,旧水泥混凝土路面上沥青罩面层产生的剪切型反射裂缝,可用竖向剪切的受力状态来加以分析,车轮作用在裂(接)缝的一侧,因而在接缝的两侧便会产生不同的弯沉值,从而使沥青面层产生竖向剪应力。在这种剪应力的重复作用下,如果沥青面层的抗剪切强度不够,会造成沥青面层的反射开裂,借助接缝两侧的弯沉差、轮胎的接地半径、接缝的宽度,提出如下竖向剪应力的计算公式。计算简图如图 1所示。

图 1 剪应变计算示意图

竖向剪应力近似计算

式中:δ为标准轮载接地半径,cm;ΔL为旧水泥混凝土路面板的接缝宽度,cm;G为沥青混合料的抗剪摸量,MPa;(WL–Wu)为接缝两侧加荷板与相邻板的弯沉差,cm。

3 设计竖向疲劳剪应力的计算

式中:τ、Tp分别为荷载作用下产生的剪应力和疲劳剪应力;k为抗剪强度系数;N为根据弯沉等效计算的累计标准轴载;Ac为公路等级系数,高速和一级公路为 1.0。二级公路为 1.1。

根据设计要求,在荷载作用下产生的竖向疲劳剪应力不大于室内确定的沥青混合料抗剪强度(15℃),即

该计算结果与AI设计法的规定:接缝两侧的板边弯沉差(WL– Wu)≤0.05mm(80 kN)的要求基本一致。

通过比较说明利用弯沉差进行竖向剪应力的近似计算的假设是可行的,同时说明不考虑具体公路的特点提出统一的接缝弯沉差指标是不合理的。

因此在设计中,接缝(或裂缝)两侧的板边弯沉差控制为(WL–Wu)≤容许值,容许值根据交通量、沥青混合料类型和公路等级确定。

某路段旧水泥混凝土板长 5m,接缝宽度 10mm。路面顶面综合模量为 450MPa,沥青混凝土罩面层的回弹模量为1 200MPa,抗剪强度 τ静=1.0MPa(15℃),δsp=1.5MPa,温度收缩系数为 0.000 01,旧水泥混凝土板厚 24 cm,模量为25 000 MPa,按标准轴载1 000万次确定沥青混凝土罩面层厚度。

接缝两侧弯沉差容许值由公式(2)得

因此要求对旧水泥混凝土路面经过处治后使接缝两侧竖向剪应力产生的最大弯沉差为0.06mm,否则不能直接采用沥青混凝土罩面。

4 结 语

从罩面层剪切受力分析出发,根据旧水泥混凝土的平面尺寸、接缝宽度、沥青混凝土罩面层抗剪强度和交通量,提出了控制沥青罩面层开裂以控制接缝两侧的最大弯沉差计算方法。在一定条件下,采用该方法计算的弯沉差与 AI设计法规定的(WL–Wu)≤0.05mm是基本吻合的,并指出了 AI设计法不考虑公路具体情况,提出统一的指标的不合理性。

[1] 李闯民等 .旧水泥混凝土路面上沥青路面罩面实用设计方法的研究,2005.

[2] 黄仰贤.路面分折与设计[M].北京:人民变通出版社,1998.

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