基于应力吸收层的旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构与材料分析

2021-05-19穆川川

黑龙江交通科技 2021年4期

穆川川

(山西路桥集团太佳高速公路东段运营分公司，山西太原 030000)

1 构建基于应力吸收层的沥青加铺层力学计算模型

水泥混凝土路面在我国的应用发展历史已经长达数十年之久，随着时间的不断推移，早期修建的水泥混凝土路面大部分临近或超过设计年限，各类病害状况层出不穷，路面使用性能也受到了不利影响。在这种情况下，需要采取有效的养护措施，延长其使用寿命，而沥青混凝土的加铺，则有助于这一目标的实现。但实验结果表明，沥青混凝土的加铺，会导致反射裂缝问题出现，应通过计算的方式，明确沥青铺装层荷载应力，并针对不同应力吸收层，提出针对性的养护条件，以提升沥青加铺层结构设计的合理性。本文接下来会通过建立计算模型的方式，对应力点进行明确。复合式路面材料基本参数如表1所示。

表1 复合式路面材料基本参数

以某地区水泥混凝土路面为例，获得了相应的计算参数，如下所述。

(1)旧路面尺寸。板长500 cm、板宽450 cm、厚度23 cm、接缝宽度1 cm。

(2)沥青加铺层尺寸：板长500 cm、板宽450 cm、厚度25 cm、接缝宽度1 cm、加铺总厚度为16.5 cm，其中应力吸收层的厚度为2.5 cm，而沥青混凝土的厚度为14 cm。

(3)将标准轴载BZZ-100作为行车荷载，其中，轮胎内压取值0.65 MPa，其作用范围取18.5×18.5 cm，在计算后得知，其接触面积为342.25 m2，而双轮之间的距离为30 cm，两侧轮缝隙之间的距离为180 cm。

在经过计算分析和查阅现有资料后得知，单轴双轮的作用位置是沥青加铺层内产生最大应力的荷载位置，这个位置通常为横缝、纵缝之间夹角，荷载作用较为显著。图1展示了布载方式。在图1中，沥青加铺层底应力吸收层应力对比点，由A点表示，而弯沉和弯沉差计算点，则由1、2点表示。在应力层设置完成后，与A点相对应的应力点，由图中的B点表示。

图1 直接加铺接缝处计算

2 基于沥青加铺层厚度变化的层底荷载应力影响力分析

在应力吸收层厚度接近标准值后，覆盖其上方的沥青混凝土加铺层，同时满足不产生车辙最小厚度要求，则加铺层厚度与荷载应力之间的关系为反比关系，简言之，加铺层厚度越小，加铺层底所承受的荷载压力越大，反之则亦然。此外，加铺层厚度还会对反射裂缝扩展到路面时间产生相同的影响，但这并不意味着在设计过程中，可以无限增加应力吸收层的厚度，究其原因，主要是应力吸收层厚度的增加，会导致经济成本大幅度上升，并且，应力层之所以起到良好的效果，主要是因为应力层设置，有利于发挥旧水泥混凝土板的剩余强度优势。在应力层设置未超过临界值时，使其厚度增加，可以取得良好效果，但在超过临界值后，就会使其效果下降。加铺层底荷载应力计算结果如表2所示和表3所示。上述计算结果所采用的计算参数如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度为24 cm；(2)直接加铺层厚度为8～20 cm，每次递增的厚度为2 cm。其中前者的弹性模量为30 000 MPa，而后者为1 200 MPa。此外，应力吸收层厚度2.5 cm，不能被算到加铺层总厚度之中。

表2 应力吸收层设置后的加铺层底荷载应力变化

表3 应力吸收层未设置的加铺层底荷载应力变化

将表3和表4中的计算结果作为依据，在应力吸收层设置后发现，如果应力吸收层的设置厚度为14 cm，则拉应力和剪应力的值最小，此时，等效应力和加铺层厚度之间的关系为反比，简言之，就是加铺层厚度越大，等效应力越小。如果应力吸收层尚未设置，则层底拉应力、等效应力和剪应力与加铺层厚度之间同样呈反比关系，随着加铺层厚度的增加，这些数值会不断减少。但相比较而言，在相同铺装厚度条件下，设置应力吸收层相较于未设置应力吸收层的沥青加铺结构，其应力减小幅度会显著降低。假设铺装层厚度为10 cm，前者相较于后者，其层底等效力和剪应力，减少幅度分别为50.8%和53%。但减少幅度会随着铺装层厚度增加而减少。其中在加铺层厚度为10 cm时，应力吸收层的设置效果会完全体现，其增幅为30%以上。如果加铺层厚度超过20 cm，增幅会变为负值。简言之，就是应力吸收层的层底拉应力，会超过未设置应力层的层底拉应力。由此可见，设置应力吸收层，会影响沥青加铺层厚度设计和层底荷载应力的改善效果。

3 应力吸收层厚度与荷载应力间的关系

应力吸收层属于一种软夹层材料，具有弹性低的特点。其厚度会影响消减接缝处的应力集中和延缓反射裂缝开裂时间，并且，裂缝速度也会同时受到影响。但应力吸收层厚度与反射裂缝效果之间的关系，却成为了需要重点研究的话题，就事实而言，在加铺总厚度不变的基础上，应力吸收层厚度的增加，会导致沥青加铺层的厚度减少，容易导致诸多问题的产生，主要包括车辙和压实问题，同时，还会对维修养护的经济性造成不利影响。计算参数如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度为24 cm；(2)沥青加铺层厚度为14 cm；(3)应力吸收层的厚度为1～6 cm。轮载作用下加铺层底面应力随吸收层厚度变化计算结果如表4所示。

表4 计算结果

在计算结果中用正负值代表受力方向，可以为应力吸收层厚度不同时荷载应力大小变化趋势比较，创造有利的条件。将表4中的计算结果作为依据，可知在应力吸收层厚度为3.0 cm时，层底等效应力σMises最大，由此可见，随着应力吸收层厚度的持续增加，等效应力的改善效果会逐渐下降。因此，站在经济角度和技术角度而言，需要将应力吸收层的厚度控制在2.5 cm内。