■罗子林

（福建省交通科研院有限公司，福州 300005）

旧水泥路面上进行沥青面层的加铺是针对混凝土路面修复的一种有效技术， 由于其工期短、对交通的影响较小，而且修复之后路面的服务性能良好，得以广泛应用。 然而，我国对旧水泥混凝土路面沥青加铺层的研究还处于初级阶段， 没有形成统一的技术体系和相关标准， 因此对旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构进行研究具有重要意义。在公路改扩建工程中，通过在旧水泥路面加铺沥青面层能够充分利用原路面的剩余强度， 有效改善路面使用性能及承载能力[1-3]。 但由于旧水泥路面一般存在纵横向裂缝、龟网裂、面板断裂等病害，加铺沥青面层后，服役期加铺层层底极易产生较大的应力集中而开裂，后期裂缝缓慢向上扩展而导致沥青面层出现裂缝、龟裂等一系列病害。研究表明[4-9]通过设置应力吸收层可有效缓解旧水泥路面裂缝引起的沥青面层病害。 因此，本试验在现有研究结果的基础上，拟定2 种旧水泥路面加铺沥青面层方案，基于弹性层状理论体系分析2 种路面结构的力学响应。

1 模型建立

1.1 基本假设

本试验路面结构受力分析采用3D-Move Analysis 软件。该软件基于三维连续有限层法，视各结构层为连续体，假定表面荷载具有随时间不变的特性，用离散Fourier 级数展开法将表面荷载分解成二维谐波分量，使用解析解来计算各结构层对每个谐波的响应，通过叠加原理用每个谐波分量的响应来评估整体响应。

1.2 拟定路面结构

总结国内公路改扩建工程中旧水泥路面加铺沥青面层改造方案，一般是对旧水泥混凝土路面病害处治后加铺2～3 层沥青面层；对原路面病害较严重、路面板破损率高的路段，采用压力注浆或换板处理，但造价高昂。 针对病害严重的旧水泥路面改扩建工程，本试验拟定先对旧水泥混凝土路面进行断裂稳定，再以加铺级配碎石层及沥青层的方法进行改造。

在沥青面层与断裂旧水泥混凝土之间设置级配碎石层可有效抑制路面反射裂缝。 级配碎石层作为粒料类结构，具有不能传递拉应力，拉应变的能力，可阻断旧水泥路面的裂缝等病害由下向上发展至面层。 此外，级配碎石层可改善旧水泥混凝土路面的温度状况。 由于碎石过渡层的隔离作用，使得水泥混凝土板的温度变化大幅下降，减少水泥混凝土路面内部产生的拉应力。

拟定在加铺沥青层层底铺筑富油改性沥青混凝土FAC-5 应力吸收层， 以有效抑制下承层反射裂缝， 延长路面使用寿命。 富油改性沥青混凝土FAC-5 成型后密实、粘结力强、不渗水，与基层之间的结合性能良好， 能随着下承层的变形而变形，并且具有优良的自愈能力，可以延缓基层裂缝向上反射。 同时富油改性沥青混凝土级配较细，可大量应用3～5 mm 的石料， 实现筑路材料的全粒度应用，有效缓解3～5 mm 石料的浪费。 2 种路面结构分别为：（1）对旧水泥路面病害进行处治（换板、注浆等）后加铺（4+6）cm 沥青面层，并在沥青面层与旧路面之间设置富油改性沥青混凝土应力吸收层。 （2）对旧水泥路面进行断裂稳定处治后加铺20 cm 级配碎石粒料层+（4+6）cm 沥青面层， 并在沥青面层与级配碎石层之间设置富油改性沥青混凝土应力吸收层。 2 种拟定路面结构材料参数参照JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》中推荐值进行选取，见表1、表2。

表1 拟定路面结构及材料参数（结构一）

表2 拟定路面结构及材料参数（结构二）

1.3 模型几何及计算点位确定

路面结构内拉应力最大值处很容易达到材料容许拉应力而产生裂缝。 本试验将应用3D-Move Analysis 路面结构分析软件计算2 种拟定路面结构在荷载作用下的力学响应，设计荷载采用标准轴载BZZ-100， 轮胎接地压强p=700 kPa， 当量圆直径2δ=21.3 cm，计算模型及荷载分布形式见图1、图2，X 为行车方向，Y 为路面横断面方向，Z 为路面深度方向。在力学响应计算时，沿X 方向选取点位的间距为10.65 cm，共5 个点位（分别为X=-21.3、-10.65、0、10.65、21.3 cm），沿Y 方向的间距为5.325 cm，共20 个计算点位（含规范中要求路面结构内拉应力最大值处A、B、C 和D 4 点）。

图1 X-Y 平面应力计算点位分布示意图

图2 Y-Z 平面应力计算点位分布示意图

2 “白改黑”路面应力响应分析

2.1 路面结构不同点位沿深度方向应力分布

计算得到2 种路面结构不同点位（A 点、B 点、C 点、D 点） 沿路面深度的正应力分布规律见图3、图4。 其中，拉应力为负值，压应力为正值。

图3 路面结构应力分布（结构一）

图4 路面结构应力分布（结构二）

在道路的行车方向， 沥青面层主要承受压应力，2 种结构的最大压应力均出现在路表A 点处，结构一最大压应力值为0.64 MPa，结构二最大压应力值为1.36 MPa，相较于结构一，结构二由于设置了粒料类，使得沥青层的抗变形能力减弱，服役后期易产生车辙、拥包、推移等病害。

在道路的行车方向，沥青路面旧水泥路面基层和水泥稳定碎石底基层均承受拉应力，最大横向拉应力发生在旧水泥路面基层底部D 点处，结构一最大拉应力为0.17 MPa，结构二为0.1 MPa。相较于结构一，结构二的基层抗裂性能较强。

2.1.1 沥青层底拉应力分布（Z=0.12 m 处）

在静力荷载作用下，结构一沥青层底为压应力（这是由于旧水泥路面经过注浆等处治， 使得模量较大，加之沥青面层较薄，车辆荷载产生的压应力分散路径有限，沥青层底产生压应力），结构二为拉应力，且应力最大值均在A 点处。其中，结构一压应力为0.18 MPa，结构二拉应力为0.77 MPa。 从层底拉应力分析结果发现，由于结构二对原有水泥混凝土路面进行了断裂稳定处治，且在基层与面层之间加铺了模量值较低的级配碎石粒料层，使路面结构当量模量比较结构一小，且路面结构整体刚度比较小，沥青层层底拉应变最大，易发生疲劳开裂；而结构一刚性基层在减少沥青层疲劳破坏方面有较大的力学优势。

2.1.2 原路面基层层底拉应力分布 （结构一：Z=0.56 m、结构二：Z=0.76 m）

在静力荷载作用下，2 种路面结构基层层底应力均为拉应力，且最大拉应力均位于D 点处。 结构一基层层底拉应力为0.15 MPa，结构二为0.1 MPa。结构一的层底拉应力为结构二的1.5 倍。 分析结果表明， 结构二路面基层的抗疲劳性能较结构一好，具有较好的基层抗疲劳性能。

2.2 路面结构YZ 剖面应力分布

计算得到2 种路面结构在X=0 处横向剖面的应力Sxx分布情况见图5、图6。

图5 路面结构YZ 剖面应力分布（结构一）

图6 路面结构YZ 剖面应力分布（结构二）

从图5、图6 可知，结构一与结构二的应力均以X 轴对称分布，且荷载作用区域两侧约δ 距离范围内为高应力区。 对于结构一，路面面层范围内，由路表面沿路面深度方向，压应力逐渐减小；路面基层范围内，由基层顶面到基层底面，拉应力逐渐增大。对于结构二，沥青层与级配碎石层之间拉应力达到最大值， 由于级配碎石粒料层的应力扩散能力强，使得基层到底基层的拉应力逐渐减小。

3 结论

通过总结国内公路改扩建过程中旧水泥路面加铺沥青面层改造方案，拟定2 种路面结构，借助3D-MoveAnalysis 软件进行路面结构力学响应分析，得到主要结论如下：（1）在道路的行车方向，由于结构二对原有水泥混凝土路面进行了断裂稳定处治并设置了粒料层， 路面结构整体刚度较小，使得沥青层的抗变形能力减弱，服役后期易产生疲劳开裂、拥包、推移等病害。 而结构一在减少沥青层疲劳破坏方面有较大的力学优势。 （2）在道路的行车方向，沥青路面旧水泥路面基层和水泥稳定碎石底基层均承受拉应力，且结构二的基层抗裂性能较结构一强。 （3）对于结构一，沿深度方向，面层压应力逐渐减小，基层拉应力逐渐增大。 对于结构二，沥青层底拉应力达到最大值，由于级配碎石的应力扩散能力强，沿深度方向基层拉应力逐渐减小。