旧水泥混凝土路面加铺沥青层的研究

任育林 谷李忠

摘要：本文以天津某道路拓宽改造工程为实例，在理论上采用以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计极限状态的设计计算方法，对已竣工的既有道路旧水泥混凝土路面进行应力分析，确定它们的最佳沥青加铺层厚度，并与国外有关方法所确定的厚度进行对比，以便能更好的指导实践。关键词：路面；沥青加铺层；加铺层厚度地应力中图分类号：U416.2文献标识码：A 文章编号：引言近年来，我国现有的水泥混凝土路面，有相当一部分已接近或超过设计年限，尤其对于港口水泥混凝土路面，有的虽然未达到设计年限，但由于交通量剧增，汽车轴载日益重型化或设计、施工等方面的原因，出现了路面损坏、使用品质下降等情况。针对这些问题，经实践，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是行之有效的改造方法之一。本文结合天津港某X道路拓宽改造工程，针对天津港区通行车辆多为重载、地基为软土地基的特殊情况，理论联系实际，采用以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计极限状态的设计方法来分析既有道路在加铺沥青后旧水泥混凝土路面的应力，并求取最佳（即最小）沥青加铺层厚度。1应力分析1.1设计参数1.1.1设计使用年限内标准轴载累计作用次数式中： -交通量年均增长率（%）； -设计使用年限； -车轮轮迹横向分布系数。由于天津港某X路修建至今已过了很长时间，致使所能收集的资料不太全面，无法应用上式。本文根据相关理论和所累积的经验，加上现有的实际交通量调查，相应的设计使用年限内标准轴载累计作用次数以下式来确定： -设计使用年限。旧水泥混凝土路面设计使用年限为30年，截止到2002年，路面已经使用了若干年，根据混凝土板劈裂强度试验，旧混凝土板均满足原设计强度。现今，在其上加铺沥青面层，沥青路面设计使用年限为15年。但为充分分析此复合式路面结构的各项强度，本文设计使用年限分别采用15年和30年。1.1.2基层顶面当量回弹模量和计算回弹模量当量回弹模量式中： -以后轴重100KN的车辆测得的计算回弹弯沉值（1/100mm）。 天津港既有路混凝土板平均计算模量为302.9MPa，平均当量回弹模量为348.1MPa，大于特重交通等级的基层顶面当量回弹模量120MPa的要求。考虑到全路段状况和旧水泥混凝土路面修筑的设计安全等因素，当量回弹模量仍取120Mpa[1]。计算回弹模量式中： -模量修正系数。计算温度应力时，n=0.35；计算荷载应力时，n=1.82； -基层顶面的当量回弹模量（MPa），120MPa。则计算荷载应力时， Mpa；计算温度应力时， Mpa。1.1.3旧混凝土板设计强度和弯拉弹性模量混凝土设计强度以龄期28d的弯拉强度为准，弯拉弹性模量以试验为宜。根据现场混凝土板劈裂强度试验结果所换算的弯拉强度为4.81-6.83MPa，均满足原设计强度4.5MPa的要求。这里均采用原混凝土设计强度4.5MPa，弯拉弹性模量2.9x104MPa。1.1.4旧混凝土板内的最大温度梯度旧混凝土板内的最大温度梯度计算值 按天津市所在的公路自然区划 区选用，数值按文献[2]中表3-23和3-24计算确定，计算结果见表1。表1 最大温度梯度推荐值AC厚度（㎝） 0 4 9 12公路自然区划 0.79-0.85 0.56-0.60 0.39-0.41 0.27-0.291.2应力计算1.2.1计算荷载疲劳应力（层间连续）荷载疲劳应力式中： -考虑接缝传荷能力的应力折减系数； -考虑设计使用年限内荷载应力累计疲劳作用的疲劳应力系数； -考虑超载和动载等因素对路面疲劳损坏的综合影响系数，特重交通等级取1.35； -标准轴载 在临界荷位处产生的未考虑接缝传荷能力的荷载应力，按下式计算： -板底最大荷载应力（MPa），按下式计算： -水泥混泥土面板的相对刚度半径（cm）， -系数，可查文献[2]图4-4。1.2.2计算温度疲劳应力温度疲劳应力 式中： -考虑温度应力累计疲劳应力系数，由文献[2]表4-9确定； -最大温度梯度时混凝土板的温度应力（MPa），按下式计算： -混凝土的线膨胀系数（ ）； -考虑温度沿板厚非线性分布的温度应力系数，按式计算，其中 -x方向的温度翘曲应力系数； -混凝土面板内最大温度梯度（℃／㎝）。2 沥青加铺层厚度的确定根据《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40—2002）式3.03，当旧混凝土面层荷载疲劳应力和温度疲劳应力之和乘以可靠度系数不大于旧水泥混凝板实际弯拉强度，初估加铺层厚度可作为设计厚度。否则要改变初估厚度，重新计算，直到满足以上要求为止。同时沥青加铺层设计厚度不宜小于9cm。天津港某X道路是北疆港区集疏运的一条主要干道，由于以行使大型货车与集装箱车为主，因此其可靠度设计标准按一级公路考虑。查规范确定可靠度系 。当加铺层厚度 cm时，由于 =5.454 Mpa＞4.5 Mpa，不满足规范要求，应该从新设计加铺层厚度。在相同条件下，设计使用年限为30年时， =5.658Mpa＞4.5 Mpa，也不满足规范要求。经多次验算，当设计使用年限为15年时，沥青加铺层最小厚度取17cm时， =4.47Mpa≤4.5 Mpa，满足规范要求。当设计使用年限为30年时，沥青加铺层最小厚度取19cm时， =4.32Mpa≤4.5 Mpa，满足规范要求。3 国外理论中沥青加铺层厚度的确定对于旧水泥混凝土路面加铺沥青层问题，国外的研究工作起步较早，目前已形成了几种相对较为成熟的设计和计算方法，它们分别是ARE(Anstin Resarch Engineers)设计方法、美国沥青协会(AI)法、美国陆军工程部队(COE)和联邦航空局（FAA）法、AASHTO罩面等设计方法。本文选用“AASHTO经验法”，美国陆军工程兵部队(COE)法求取前文所述条件下沥青加铺层厚度。3.1美国AASHTO经验法美国AASHTO经验法是补足厚度缺额法中的一种，它不考虑加铺后旧水泥混凝土路面的进一步开裂，计算比较简便，具体公式不再赘述，当设计使用年限为15年时，求得加铺层厚度为17.6mm；当设计使用年限为30年时，则加铺层厚度为19.3mm。3.2美国陆军工程部队(COE)补足厚度缺额法该方法采用补足厚度(及结构承载力)缺额的概念，按现有地基承载力(基层顶面综合反应模量)，确定满足未来交通要求所需的面层厚度，而旧面层厚度与此厚度的差值便为所需补充的加铺层厚度。旧面层的厚度按面层的结构损坏程度给予不同的折减。当设计使用年限为15年时，求得加铺层厚度为17.5mm；当设计使用年限为30年时，求得加铺层厚度为18.9mm。4 结语本文理论分析所对应的工程实践，希望能对天津市大规模水泥路面维修（改建）起到一定的借鉴和参考作用。参考文献(References)：[1] 曹淑学,覃远琳.PCC-AC复合式路面AC层厚度的计算[B].广东公路交通,2003 (81): 51-55[2] 胡长顺,王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社,1999.[3] 公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40－2002).北京:人民交通出版社,2003.[4] 姚祖康.铺面工程[M].上海:同济大学出版社,2001. 注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。