尚志刚，王玉平

（1.天津城建设计院有限公司，天津市 300073；2.长安大学，陕西 西安 710064）

0 前言

板底脱空、接缝错台等是水泥路面常见的病害，且病害发生后路面难以修复，国外在处理旧水泥路面的过程中形成了原位再生利用的MHB碎石化技术，该技术具有工程造价低、保护环境、节约资源、消除加铺层的反射裂缝等优点。

2002年，我国首次从国外引进MHB碎石化技术，并在国内一些道路中进行了应用，取得了一些成果，但对碎石化层的力学性能研究还较少，且目前的研究大都没有考虑碎石化松散层的作用，与实际情况不符，为进一步认识碎石化层对加铺层的应力影响作用，本文建立了考虑松散层的碎石化结构有限元模型。

1 松散层的作用分析

旧水泥路面碎石化后，根据形成颗粒的物理特性沿竖向把旧水泥路面碎石化后分为表面松散层、碎石化层上部及碎石化层下部三层，其中松散层厚约2～5 cm、碎石化层上部厚约10 cm、碎石化层下部厚约10 cm，见图1。

图1 旧水泥路面碎石化后结构分层

各层由于吸收能量多少的不同，粒径相差较大。旧水泥路面表层与MHB设备的锤头直接接触，吸收的能量最充分，碎石化后成鳞片状，同时由于受到破碎设备的振动较大，破碎后的片状颗粒在表面形成松散状的一层。该层经Z型压路机和光轮压路机进一步的破碎压实后，颗粒间的联结有所加强，该层强度的形成原理与碎石材料相似，可把该层看做松散粒料类材料，但破碎后松散层呈现开放状态，容易受到大气降水的影响（见图2）。

图2 碎石化松散层

基于以上原因，推荐对松散层进行一定的技术处理。目前，国内常采用在碎石化后洒布乳化沥青透层油并抛洒石屑的方法（碎石化层撒布透层油后见图3）。乳化沥青可以增强松散层和碎石化上部顶层的联系，透层油洒完后应撒布适量石屑，但由于石屑不能填满颗粒间的缝隙，该层次形成骨架-空隙结构。透层沥青的规格和质量均按《公路沥青路面施工规范》有关规定选用，用于透层油的液体沥青用量为2.5～3 kg/m2，其中沥青含量50%～55%，然后，洒布用量为2～3 m3/1 000 m2的碎石一层，但碎石用量不宜过多。碎石洒布完立即用20 t的光轮压路机稳压两遍，压实效果以不粘轮为准。

图3 撒布透层油后的碎石化层

松散层处理后具有一定正面作用，如松散层颗粒粒径较小，因此容易吸收下部层次的不均匀沉降等，其作用类似于应力吸收层，对消除沥青加铺层的反射裂缝有很大的作用。因此，在建立有限元模型时不能将该层次省略，本文首次在有限元模型中奖松散层看做一层，其厚度为为4 cm的均有一层。

2 有限元模型的建立

2.1 边界条件及模型的假设

（1）沥青加铺层、碎石化层、旧基层、地基等都为均匀、连续、各向同性的线弹性体；

（2）新建沥青混凝土面层两端横截面上的水平位移为零；

（3）原基层及土基底面各向位移为零，侧面水平方向位移为零；

（4）碎石化层为板单元，路基采用弹性地基；

（6）各层层间竖向、水平向位移均连续；

（7）层间完全连续，不计路面结构自重，

（8）各层在水平方向均为无限长，但厚度均有限；

（9）沥青面层表面自由，在其上作用均布垂直荷载和水平荷载。

2.2 路面结构尺寸及材料参数

由上述分析可知，混凝土颗粒粒径沿竖向逐渐增大，可分为三个层次。其中，松散层强度较低，属松散粒料，其性能类似于级配碎石，可将其简化为4 cm的级配碎石；碎石化层上部类似于沥青稳定粒料，将其简化为连续均匀的一层；石化层下部颗粒粒径较大，块体粒径约为30 cm，块体相对于水泥板来说较小，因此无法和水泥板一样靠板体的挠曲扩散荷载，本文将其简化为存在大量较宽裂缝的水泥混凝土块层，在有限元建模时仍将其看作线弹性体。

（1）沥青加铺层采用三层，其模量依次取1 400MPa、1 200 MPa、1 000 MPa，各层泊松比均采用μ=0.25；

（2）松散层模量取50 MPa，其泊松比为0.3，厚度为4 cm；

（3）碎石化层上部类似于沥青稳定粒料，其厚度和模量根据国外相关研究资料分别取10 cm、207 MPa；

（4）碎石化层下部厚度和模量根据国内外现有成果分别取10 cm、3 450 MPa；

（5）旧路基层与土基看做一层，其厚度和模量根据现有资料分别取300 cm、157 MPa；

（6）荷载采用规范规定的标准荷载BZZ-100，轮胎接地压强为0.7 MPa。

3 碎石化层与级配碎石层上沥青加铺层对比

3.1 碎石化层上加铺沥青混凝土面层的有限元计算

模型各层结构的尺寸及材料参数见表1，考虑松散层时的计算模型示意和有限元模型见图4、图 5。

表1 考虑松散层路面结构及材料参数

图4 考虑松散层时的计算模型示意图

图5 考虑松散层时有限元模型

3.2 级配碎石上加铺沥青混凝土面层的有限元计算

传统的处理方法如在旧水泥混凝土板或半刚性基层上加铺沥青混凝土面层后，反射裂缝成为加铺层的主要病害，而在级配碎石上加铺沥层则可以减少反射裂缝的发生，因此，在旧路基层和新的沥青加铺层之间加铺一定厚度的级配碎石是一种可行的施工方案。

为对比分析碎石化层和级配碎石对沥青加铺层层底应力和应变的影响，本文建立以级配碎石为基层，其上加铺沥青混凝土路面的的有限元模型。级配碎石层的模量根据相关研究资料取235 MPa，其泊松比为0.35，为使计算结果具有可对比性，级配碎石层厚度与旧水泥路面厚度相同，本文按旧水泥路面为一级公路，其厚度取24 cm。计算模型各层结构的尺寸及材料参数见表2，等厚度级配碎石时的计算模型示意和有限元模型见图6、图7。

表2 级配碎石时路面结构及材料参数

图6 级配碎石基层的计算模型示意图

图7 级配碎石基层的有限元模型

本文计算时主要考虑了荷载作用时荷载中心下沥青混凝土加铺层层底的拉应力、拉应变和弯沉随距荷载中心水平距离的变化情况，对比分析结果分别见图8～图10，拉应力最大值为0.566 MPa。

图8 沥青层底拉应力分布

图9 沥青层底拉应变分布

图10 沥青层底弯沉分布

4 计算结果分析

通过对计算结果的对比，可以得出如下结论：

（1）距离荷载中心相同距离时，碎石化层上加铺的沥青层底拉应力下，且进入受压区比级配碎石要早。

（2）碎石化层上沥青加铺层的层底拉应力峰值为0.485，同厚度级配碎石上沥青加铺层的层底拉应力峰值为0.566，碎石化层上沥青加铺层的层底拉应力峰值小了0.081MPa，其峰值小了14.3%，距荷载中心水平距离相同位置的拉应力则小的更多。

（3）两种基层上沥青加铺层的主应力与其拉应力的变化规律类似，碎石化层上沥青加铺层的层底主应力峰值小了71×10-6，其峰值小了11.1%。

（3）两种基层上沥青加铺层的弯沉与其拉应力的变化规律类似，但两者弯沉相差不大。

综上所述，碎石化层上沥青加铺层的层底拉应力和应变峰值均比级配碎石的要低，其上沥青层进入受压也较早，这表明碎石化层的强度比级配碎石要高，改善加铺层受力状况的性能更好。分析其原因：碎石化层下部由粒径较大的混凝土块体组成，由于其粒径比该层次的厚度要大，在结构上与块料路面类似，由粒径较大的相互间并未完全断开的混凝土块组成，该结构具有“裂而不碎、联锁咬合和契合良好”的特点，且具有良好的“拱效应”。该层具备传递剪力的能力，能将竖向压力变为水平推力，借以扩散荷载，具有比级配碎石更大强度，所以其相应沥青加铺层的层底拉应力和应变峰值要小。

5 结语

MHB碎石化技术是一种重要的旧水泥路面处治技术，具有明显的优点。本文通过有限元方法，考虑松散层的作用，对碎石化后沥青加铺层和同厚度级配碎石层上沥青加铺层的层底应力和应变进行了对比分析，结构表明：碎石化层的性能由于同厚度的级配碎石。

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