熊茜
中交国通公路工程技术有限公司
摘 要：为探究加铺层材料及层间接触条件对旧路改造沥青路面力学响应的影响，选取山西省某省道旧路改造工程，采用Bisar3.0软件分析轴载变化条件下不同路面结构的力学特性，并研究加铺层与旧基层之间层间接触条件变化对路面结构受力特性的影响。计算表明:在所选取的荷载作用下，旧路改造沥青路面结构中上面层采用SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)铺筑，结构内各受力指标大小相对比较均衡，整体性能优于SBS改性沥青混凝土和高模量沥青混凝土;加铺层与旧基层层间接触条件劣化为光滑状态，结构内沥青层层底拉应变和沥青层剪应力指标变化最为明显，并在层间接触位置处拉应变指标产生突变，极易诱发裂缝病害。
关键词：道路工程;旧路改造;沥青路面;结构优化;力学响应;
沥青路面在行车荷载与环境因素的耦合作用下，使用性能不可避免地出现衰减、甚至严重损坏;结合路面病害类型及道路使用年限情况，应择时采取小修保养、中修、大修或改建等措施。随着我国国民经济和客货运量的快速发展，公路运输呈现出了“重载、大流量和渠化交通”的特点[1]，同时货运车辆也在向大吨位、大型化、拖挂化、集装箱化方向发展。在重载交通的反复作用下，沥青路面极易出现病害，尤其是一些位于能源和重化工基地的公路;当路面病害严重、路况水平降低明显、仅采用日常养护措施已难以维持时，急需对公路路面进行升级改造处理。而路面结构的验算及材料优化，通常采用的荷载为标准荷载[2]，这显然不符合路面的实际交通状况，设计成果的脱节是造成路面病害产生的重要原因之一;同时新加铺路面层与旧路之间的结合是路面结构受力薄弱部位，一旦层间结合处理不好将出现层间滑移情况，影响路面结构的受力特性。
因此，本研究以山西省某省道旧路改造工程为分析对象，采用壳牌沥青路面设计软件Bisar3.0探究不同荷载作用下旧路改造结构的受力特性，阐明重载交通对路面结构受力指标的影响规律，推荐加铺层合理的材料类型;并分析层间接触条件变化前后路面的力学响应特征，从而为沥青路面旧路改造工程设计与施工提供参考依据。
1 计算模型与参数拟定1.1 路面结构选取与参数确定省道某段原路面结构为:5cm中粒式沥青混凝土面层、18cm水泥稳定碎石基层、18cm水泥稳定砂砾底基层;由于路面病害严重，使用性能下降明显，现考虑进行加铺改造，具体方案为:铣刨原路面面层后重铺面层，拟建路面基层利用原有基层，但应对局部病害进行处治。拟建路面结构如下:上面层为细粒式AC-13改性沥青混凝土，可分别采用SBS改性沥青混凝土、SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)和高模量改性沥青混凝土三种材料;下面层为特种改性乳化沥青厂拌冷再生AC-20混凝土;上面层厚度为4cm，下面层厚度为8cm。调整铺装材料类型，探讨路面结构在荷载作用下的力学响应规律。通过现场钻芯及室内试验，确定不同结构层材料的模量及泊松比，具体如表1所示。方案Ⅰ上面层采用SBS改性沥青混凝土、方案Ⅱ上面层采用SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)、方案Ⅲ上面层采用高模量沥青混凝土，其他结构层的材料、模量和厚度保持一致。
1.2 荷载条件确定轮胎接触面积和轮压随车辆轴重的增加而相应增大，参考比利时提供的轮胎接触面积与轴重的经验关系式(A=0.008P 152±70)[3]，可求得各种轴载作用下轮胎压力及作用圆半径，计算时保持圆心距不变。不同荷载作用下轮压及作用圆半径值如表2所示。
表1 拟建路面结构及材料参数
表2 轮压及作用圆半径值计算结果
路面结构力学响应分析时，荷载采用双圆垂直均布荷载。在道路计算软件Bisar中，假定X方向为行车方向，Y方向为道路横断面方向，Z方向为道路深度方向，其中行车方向垂直于道路横断面方向;计算点位为双圆轮隙中心和单圆荷载中心处，对应的横向位置分别为0、1.5r，具体如图1所示。
图1 力学响应计算点位置图示
1.4 分析指标与层间接触条件根据沥青路面的主要病害类型，选取路表弯沉值、沥青混合料层层底拉应变、无机结合料稳定层层底拉应力、沥青混合料层剪应力作为计算指标，分析荷载作用下路面结构内受力的最不利位置，并防止出现破坏的极限状态。
沥青路面结构层间接触条件劣化将加剧路面病害的产生，对于半刚性基层沥青路面而言，基层与面层层间接触状态的改变对路面结构力学特性的影响最大[4]。而旧路改造工程中，由于旧路面在铣刨施工中会产生大量的灰尘，一旦处理不干净会影响其与新结构层的相互黏结，导致层间结合处成为受力的薄弱环节，容易导致相关病害的产生。基于以上因素的考虑，仅分析原基层与加铺面层层间接触条件变化对路面结构受力特性的影响规律。
在Bisar3.0中，通过给出的简化弹性柔量系数ALK来表征沥青路面不同层间接触状态对应的计算值，以分析层间接触条件变化对路面结构受力特性产生的影响[5]。ALK作为层间接触状态的表征参数，通过定义层间滑动系数α来模拟不同的层间结合状态，两者之间的关系如式(1)所示:
式中:ALK为简化弹性柔量系数(m);r为荷载圆半径(m);α为滑动系数，0≤α≤1;α=0时，表示层间接触为完全连续;α=1时，表示层间接触为完全滑动，实际计算时，α=0.99即视为层间完全滑动。
2 旧路改造沥青路面力学响应分析2.1 不同轴载作用下路面受力特性分析以表1提供的路面结构，采用Bisar3.0软件计算不同荷载作用下路面结构的受力特性，其中面层与面层、面层与旧基层、基层与底基层之间层间接触条件均为连续接触;计算结果如表3～表5所示。
表3 方案Ⅰ路面结构受力特性计算
表4 方案Ⅱ路面结构受力特性计算
表5 方案Ⅲ路面结构受力特性计算
由表3～表5可知:
(1)车辆荷载的增加，明显增大了路面结构内不同受力指标的计算值，且指标计算值与荷载增加呈正向关系，这意味路面结构在重载交通作用下发生车辙、裂缝、推移等病害的概率显著变大。
(2)在所选择的荷载作用下，路面结构内不同受力指标产生最不利的位置保持一致，路表弯沉值、沥青混合料层层底拉应变、无机结合料层层底拉应力、沥青层剪应力均在荷载作用圆中心位置处出现最大值，其中沥青混合料层层底拉应变在下面层层底产生最大值，而无机结合料层层底拉应力在底基层层底处出现最大值，说明下面层与底基层层底容易出现裂缝病害。
(3)路面结构表面层采用SBS改性沥青混凝土、SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)、高模量改性沥青混凝土铺筑，结构内受力指标值变化存在明显差异，其中弯沉值、上面层层底拉应变、底基层层底拉应力、沥青层剪应力指标减小，而下面层层底拉应变指标增大，基层层底拉应力基本保持不变，说明表面层采用高模量沥青混凝土后，虽然能提高整个结构层的抗变形能力，但会增加下面层发生疲劳开裂的概率，同时基层发生疲劳开裂病害的几率降低。
(4)相比较而言，上面层采用SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)的方案，各受力指标大小相对比较均衡，同时玄武岩纤维具有较好的加筋、稳定、增粘等作用，添加到混合料中能够明显改善结构层的抗裂性能、抗疲劳和抗车辙性能;高模量沥青混凝土虽然提高结构层的抗车辙性能，但反而在一定程度上会损害低温抗裂性能。
2.2 层间接触条件变化对路面受力特性的影响选取路面方案Ⅱ，分析面层与基层层间接触条件变化对路面结构受力特性的影响，其他层之间保持连续接触;荷载条件为100kN、140kN和180kN，面层与基层层间接触条件分别为完全接触和完全滑动，完全接触时，滑动系数和ALK均为0;而完全滑动时，滑动系数取0.99、ALK则分别为10.5435m3/N、11.6127 m3/N、12.6423m3/N。不同层间接触条件下路面结构受力特性对比计算结果如表6～表8所示。
表6 100k N条件下层间接触变化对路面受力特性的影响
表7 140k N条件下层间接触变化对路面受力特性的影响
表8 180k N条件下层间接触变化对路面受力特性的影响
从表6～表8中可以看出:
(1)路面结构内面层与基层层间接触条件由完全接触劣化为完全光滑后，路表弯沉值、沥青层层底拉应变、无机结合料层层底拉应力及沥青层剪应力指标均显著增大，意味着路面发生裂缝、车辙、推移等病害的概率显著增大，尤其是沥青层发生裂缝与车辙病害的概率。
(2)面层与基层接触条件为完全光滑状态，随着车辆轴重的增加，路面结构内各受力指标计算值均随之增大，说明二者状态耦合作用下路面结构内发生病害的几率较高，路面服役期间一旦出现上述状况，路面的服务寿命将显著降低。
(3)面层加铺层与旧基层之间接触位置处，由于层间接触条件的变化，拉应变指标产生突变，这不同于完全接触状态，基层与面层层间完全接触时，下面层层底拉应变相差较小，荷载作用圆中心位置处拉应变计算值几乎保持不变;接触条件的劣化导致该处成为受力的薄弱位置，极易在该处出现裂缝病害，因此有必要严格按照规范规定施工并加强现场管理及养护，防止层间接触出现极端情况。
3 结论(1)车辆轴载的增加，导致旧路改造路面结构内路表弯沉值、沥青混合料层层底拉应变、无机结合料稳定层层底拉应力、沥青混合料层剪应力指标显著增加，路面发生病害的概率明显增大，路面服务寿命严重缩短。
(2)加铺结构中，表面层采用SBS改性沥青混凝土(加3‰玄武岩纤维)铺筑，在不同荷载作用下路面结构内各受力指标大小相对比较均衡，整体性能优于SBS改性沥青混凝土和高模量沥青混凝土，具有较好的抗裂性能、抗疲劳和抗车辙性能。
(3)层间接触条件劣化显著影响路面结构内的受力状况，加铺层与旧基层层间接触条件变为完全光滑后，路面结构内沥青层层底拉应变和沥青层剪应力指标变化最为明显，发生裂缝及车辙病害的概率显著增大。
参考文献[1] 王志红，杨旭红．基于重载及水平荷载的不同类型沥青路面力学响应分析[J]．公路，2019(12):21-26.
[2] 李波，彭志斌．沥青路面结构设计及力学计算[J]．公路与汽运，2010(6):75-77.
[3] 侯伟．轮载与层间接触状态对沥青路面力学响应的影响[J]．重庆交通大学学报(自然科学版)，2010(5):718-721 731.
[4] 张久鹏，武书华，裴建中，等．基于剪切弹性柔量的基-面层间接触状态及路面力学响应分析[J]．公路交通科技，2013(1):6-11 16.
[5] 罗要飞，张争奇，杨博，等．层间接触条件对沥青路面结构性能的影响[J]．中外公路，2015(5):109-114.
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