旧水泥混凝土路面加铺沥青层的改造设计
旧水泥混凝土路面加铺沥青层的改造设计
摘要: 改革开放以来，随着城市交通工程的蓬勃发展，水泥混凝土在我国公路建设过程中得到了广泛的应用。但由于交通量剧增、超载或者是设计及施工方面的原因，导致许多路面的损坏和使用性能的下降。因此，本文通过对路面加铺沥青层的荷载应力分析和温度应力进行深入的分析，提出了旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计方法。为相关设计人员提供参考和借鉴。
关键词:旧水泥混凝土路面；荷载应力；温度应力；设计方法
Abstract: since the reform and opening up, along with the vigorous development of urban traffic engineering, cement concrete road construction in our country in the process of a wide range of applications. But because the traffic increase, overload or design and construction reasons, causing many road the damage and the use of performance decline. Therefore, this paper, with the paving asphalt pavement layer load stress analysis and temperature stress in-depth analysis, and put forward the old cement concrete pavement and the design method of paving asphalt layer. For related designers reference and using for reference.
Keywords: old cement concrete pavement; Load stress; Temperature stress; Design method
随着社会经济的快速发展，水泥混凝土作为公路建设中重要的组成材料，在交通荷载、自然环境和人为因素的综合作用下，会出现许多损害的现象导致其使用性大大降低，影响了道路的使用功能。而对水泥路面加铺沥青层，不仅能够有效改善旧水泥路面的使用性能，同时也可以充分利用旧水泥路面造价低、施工简单和环境影响小的优点。然而沥青加铺层迅速迅速发展的反射裂缝很可能会缩短其使用寿命，因此，旧水泥混凝土路面加铺沥青层的设计便成为了重点关注的问题。
1 加铺沥青层荷载应力分析
板接裂缝是旧水泥路面进行加铺沥青层机构中较为困难的阶段，在荷载作用下，接缝上面的AC层会产生应力集中，反射裂缝容易由此产生。故有必要对接缝处AC层在荷载作用下的应力、位移进行计算与分析，为设计方法提供理论依据。
1.1 计算模型
(1)水泥混凝土板与地基间光滑接触。
(2)水泥混凝土板与沥青层间完全连续。
(3)接缝考虑一定宽度、无传荷。
(4)地基为弹性半空间地基(E地基)。
(5)各层材料具有线弹性，以E，μ表征。
1.2 临界荷位分析
临界荷位的确定与对象有关。普通混凝土板的临界荷位是轴载作用于纵缝边缘中部，这时板底产生最大应力。对于旧混凝土板加铺沥青面层，为控制沥青层出现反射裂缝，就以沥青层内应力、位移的不利状态作为选择临界荷位的依据。
本次试验采用静态弯沉仪(贝克曼梁弯沉仪)和后轴为100kN的标准轴载车(一侧双轮荷载:50±1kN；轮胎充气压力:0.7±0.05MPa；单轮传压面当量圆直径:21.30±0.5cm)进行弯沉测量。
计算参数为板长5m，宽4.5m，沥青混凝土模量Ea=1500MPa，泊松比μa=0.25，沥青层厚度ha=6cm，水泥混凝土板模量EC=30000MPa，泊松比μc=0.15，水泥混凝土板厚度hc=20cm，基础模量Es=100MPa，泊松比μS=0.35，接缝宽度0.8cm，所加荷载为标准荷载(BZZ－100kN)，加载应力为0.7MPa。
1.3 应力与位移分析
(1)混凝土板模量Ec对计算结果的影响
取ha=6cm，hc=22cm，Ea=1500MPa，Es=100MPa，Ec=25000MPa和Ec=35000MPa，采用程序进行计算，可以得到:剪应力、弯沉等各个指标随Ec的增加而减小，这说明板的刚度越大对沥青层受力越有利。但影响也很小，可以不计。
(2)沥青混凝土模量Ea对计算结果的影响
研究Ea从1000MPa增至1500MPa时，弯沉差、表面弯沉、剪应力的变化规律和计算结果分析可知，当沥青混凝土模量Ea增加时，剪应力随之增加，而弯沉差随之减小，路面整体抗变形能力增强。尽管沥青混凝土模量受温度影响有一定的变化，但在以后的计算中Ea取定值1500MPa。
(3)板厚hc对计算结果的影响
通过计算分析不同AC层厚、不同板厚时剪应力和弯沉差的响应，发现剪应力随hc的增加而线性减小，弯沉差也随hc增加线性减小。
(4)沥青层厚度ha对计算结果的影响
对于旧混凝土板加铺沥青面层设计，主要是计算加铺层的厚度，使各种力学
指标控制在允许范围内，因此，沥青层厚度ha是主要影响参数之一。计算中ha从4cm到16cm按2cm递增，并考虑混凝土板厚和板下基础模量Es的影响。
2 沥青加铺层温度应力分析
计算结构内的温度应力，首先要进行温度场的研究。为分析在温度应力作用下，沥青层模量Ea、厚度ha、板厚hc、土基模量Es这4个参数对计算结果的影响，取沥青层表面降温18℃，温度梯度为－0.8℃/cm时，考察沥青层最大拉应力σy和沥青层与混凝土板间的最大剪应力τyz，研究结果表明:
(1)沥青层底面弯拉应力与层间剪应力随沥青层厚度的增加而减小。
(2)沥青层底面拉应力σy随Ea的增加而增加，
这说明反射裂缝易在冬季产生；而剪应力τyz则随Ea的增加而减小，这说明层间剪应力与两层的模量比有关，两者模量相差越大，则变形越不协调，相互约束越紧，从而引起剪应力增加。
(3)沥青层拉应力随板厚的增加而减小，剪应力则随板厚的增加而增加。
3 沥青加铺层设计
3.1 板下基础强度评价公式
板下基础模量是旧路强度评价中的重要参数之一，现行规范在基础模量方面有2个参数:Et是基础顶面当量回弹模量，它是由承载板试验直接测定结果；Etc是基础顶面计算弹性模量，是在应力计算中使用的表征基础刚度的弹性参数。
对旧混凝土路面板下基础强度进行评价时，由于不便把混凝土板刨开在基础顶面直接进行承载板试验，一般按(1)式进行反算，然而，在实际应用中发现该公式有时计算结果往往超出常规，给设计带来困难，需进行修正。
(1)
基层顶面计算模量Etc值应不小于Et值，但实际中发现当Etc超过某一量值后(以下简称分界值)就会出现Et值大于Etc值的反常现象。同时还发现Et值计算结果对Etc值的变化很敏感，Etc值发生较小变化，Et值就有较大改变。
从中可看出，Etc只有在小范围内变化时，得到的Et值才可以令人接受。从误差考虑，当hc=20cm，Ec=27500MPa，Etc=175MPa，若Etc测量误差为14%时，则相应的Et值从119MPa变为233MPa，其相对误差达96%，绝对误差达114MPa。Etc的精度可能无法满足公式的要求，得出的Et值也将难以令人接受，必须进行改进。利用已有的试验数据，建立以Et为函数值的回归公式，可表示为:
(2)
3.2 设计指标
旧混凝土路面沥青加铺层结构的破坏，可以考虑下面3种现象:板底疲劳开裂；AC层与旧板层间发生分离；AC层产生反射裂缝。而反射裂缝是旧水泥混凝土路面沥青加铺层的主要破坏形式，控制这种路面破坏形式的指标与反射裂缝的成因有关。具体的成因通常认为有以下3种:
(1)如图1，气温的升降变化，引起路面内的温度也随之升降，AC层自身会热胀冷缩，混凝土板膨胀与收缩在接缝处引起张开与闭合，使AC层内应力进一步增大，而且这种温度荷载是日复一日，年复一年的疲劳作用。
图1 温度升降形成的反射裂缝
(2)如图2，当板内有温度梯度存在时，板会发生翘曲变形，板接缝上AC层会受到很大的拉应力作用，这时裂缝有可能产生在AC层顶部并向下发展，这种裂缝易在昼夜温差较大的地区发生。
图2 翘曲变形引起的裂缝
(3)车辆荷载在接缝处会产生剪切破坏，当荷载作用于接缝处板的一侧时，受荷板与未受荷板会产生垂直相互变形，出现错台，导致AC层发生较大的剪切变形，受到较大的剪切应力，引发裂缝。
根据上述反射裂缝的成因，可以使用3个指标控制反射裂缝破坏:不利荷载作用下接缝处AC层的剪应力，板接缝处的弯沉差，混凝土板底弯拉应力。前两个指标主要是防止车辆荷载作用下的剪切破坏，后一个指标是控制降温时AC层内的拉应力破坏。旧混凝土路面沥青加铺层厚度的计算应用上述指标进行控制。
3.3 加铺层厚度计算
3.3.1 以板底弯拉应力为控制指标
(1)设计参数:板厚hc；混凝土实际弯拉强度和弯拉弹性模量；基层顶面模量；综合修正系数kc；其他参数。
(2)荷载应力计算。
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