1、收 稿日期 ： 2008-11-04作者简介 ：朱建民，男， 1964，正高级工程师 。长期从事公路建设与养护管理技术工作 。旧 沥青路面上直接加铺水泥混凝土面层的应用研究朱建民1董 鹏2（1.河北省交通勘察设计研究院 石家庄 050081；2.京化高速公路管理处 张家口 075400）摘 要 对旧沥青路面的病害进行挖补维修处理后，在其上直接加铺常用板块尺寸的普通水泥混凝土面层 。通过对影响混凝土加铺层的各种因素的力学分析，明确了旧沥青路面加铺水泥混凝土路面前的病害处理措施，确定了加铺层厚度 。试验路运营情况表明，路面使用状况良好 。关键词 路面改造 沥青路面 水泥混凝土面层 直接加铺中图分类
2、号 U418.6 文献标识码 AApplication Research on Direct Spreading Cement Concrete Surface Pavement on OldAsphalt PavementZhu Jianmin1Dong Peng2（ 1.Hebei Jiaotong Survey and Design Institute, Shijiazhuang 050081;2. Jinghua Expressway Administration Division, Zhangjiakou 075400）Abstract: After maintenance of e
3、xcavation and filling for old asphalt pavement, common size cement concrete pavement is directly paved on old asphalt road surface. Based on the analysis of influencing factors of spreading layer, the old asphalt pavement treatment measures and new spreading pavement thickness are defined. Practice
4、shows that road is in good condition after treatment.Key words: road pavement remaking; asphalt pavement; cement concrete surface pavement; directspreading1 概述在旧沥青路面上加铺水泥混凝土面层可分为超薄水泥混凝土层和普通水泥混凝土 。目前国外普遍采用超薄水泥混凝土面层罩面（ Uitra Thin Whitetopping，简称 UTW），它采用的混凝土板厚度为 510cm，板块尺寸为 0.61.8 m。而对加铺普通水泥混凝土罩面的研究国内
5、外尚未见有报道 。旧沥青路面上直接加铺水泥混凝土面层技术，是指在对旧沥青路面的病害进行挖补维修处理后，在其上直接加铺常用板块尺寸的普通水泥混凝土面层形成的路面结构 。采用的板块尺寸为 45 m 左右，板厚一般在 24 cm 以上 。该项技术充分利用了水泥混凝土路面具有的使用寿命长 、维修保养费用少 、抗磨耗能力强等优点，取得了良好的效果 。该项技术比沥青混凝土罩面更经久耐用 、更安全 、使用寿命更长，消灭了反射裂缝 、车辙和拥包，能更好地适应较弱的旧路面支撑条件 。2 路面力学计算模型以旧沥青路面上直接加铺水泥混凝土面层为研究对象，采用有限元的基本理论建立有限元模型，文章编号 ： JL0102
6、35（ 2009） 02000104河 北 交 通 科 技Hebei Jiaotong Science And Technology第 6 卷 第 2 期2009 年 6 月Vol6 No2Jun 2009河 北 交 通 科 技 2009 年采用三维实体模型，利用 ANSYS 软件进行计算 。计算中取单块路面板，路基 （包括基层 、垫层和土基）的长 、宽 、高分别为 10 m、9 m、4.78 m，荷载取为矩形形式 。把双圆均布垂直荷载换算为等面积的正方形均布垂直荷载，边长为 18.888 cm，两轮间距为 32 cm，轴长为 182 cm。采用有限元方法分析时，由于路面结构和荷载的对称性，所
7、以取路面结构的 1/2 进行分析 。单元划分的疏密程度也会影响求解的精度，单元划分得越密精度越高，但是这样单元尺寸过小，容易引起应力集中，此外，单元划分越密，单元个数也就越多，越浪费资源，计算时间也越长，所以应选择合适的单元尺寸 。单元总体尺寸为 0.2 m，局部区域稍密一些，单元个数总计 38 510 个 。在单元划分时，尽力保持单元的边长比为 1，特别是在应力求解区附近的范围内 。根据计算分析，为保持一定的计算精度，单元的长短边之比不宜超过 2。路基的前后左右各节点只有竖向位移没有横向位移；模型最底部各节点采用固定约束，既无竖向位移，又无横向位移，路面板四周无约束 。通过试验路验证，路面力
8、学计算模型利用ANSYS 软件进行计算的结果与实测值基本吻合 。3 旧路面因素对加铺面层影响的力学分析根据试验路的具体情况，采用三维实体模型，利用 ANSYS 软件计算分析旧路面因素对加铺面层的力学影响 。3.1 路面坑槽修补位置对加铺层荷载应力的分析取相对加铺层板板角 、板中 、纵缝边缘有坑槽修补时，对路面进行力学分析 。车辆荷载作用于纵缝边缘中部，路表温度变化前路面各结构层的平均温度为 0 ，降温后旧沥青层底面温度为 -10 ，有限元计算结构见表 1。由以上数据可以看出，水泥混凝土板板中修补时，板底最大车辆荷载应力最大；修补位置从板中向板边靠近时，路面车辆荷载应力随之减小 。板角修补时，板
9、底最大耦合应力最大 。应力最大位置位于板底纵缝边缘中部，对于旧沥青坑槽部分修补后加铺与不修补直接加铺相比，板底最大弯拉应力要小于无修补直接加铺时的应力 。因此对于旧路坑槽病害，建议加铺前进行修补，以利于加铺后水泥混凝土面层的受力 。对于路面弯沉突变，取旧沥青路面相对水泥混凝土板中有 1 m2凹陷，取其模量为 30 MPa，计算其车辆荷载应力为 1.70 MPa，小于在原路面无破坏直接加铺水泥混凝土层情况下的计算结果1.72 MPa；另外对旧路沥青路面相对水泥混凝土板角有 1 m2凹陷，取其模量为 30 MPa，计算其耦合荷载应力为 2.56 MPa，小于在原路面无破损直接加铺水泥混凝土层情况下
10、的计算结果 2.62 MPa，说明其不会对路面受力产生大的影响 。3.2 修补材料参数变化对加铺层荷载应力的影响考虑车辆荷载与温度荷载作用情况，由于温度变化作用的次数远低于汽车荷载作用的次数，即温度荷载对疲劳寿命的权重比车辆荷载低，所以板中修补坑槽时用二灰碎石代替水泥混凝土 。旧沥青路面模量参数变化对路面受力影响的计算结果见表 2。由以上数据可以看出，旧沥青路面坑槽位于加铺层板中，填补二灰碎石坑槽进行修补时路面应力稍小于同时浇注水泥混凝土时路面应力；层间光滑时板底最大拉应力较层间连续时要大；车辆荷载及温度荷载引起的路面应力随旧沥青路面模量减小；层间光滑时板底最大车辆荷载应力 、温度应力 、耦合
11、应力基本不受旧沥青层模量影响 。因此，在旧路加铺前，应先用二灰碎石来修补坑槽等病害部位，然后再加铺水泥混凝土面层 。3.3 旧路面裂缝对路面应力的影响旧沥青路面裂缝位置不同会反映在加铺水泥混表 1 应力计算结果修补位置纵缝边缘板角板中修补面积（ m2）（车辆荷载）修补面积（ m2）（温度荷载）修补面积（ m2）（耦合荷载）11.491.641.7021.401.561.6941.381.551.6811.141.241.0521.121.170.9741.091.130.9012.192.572.3922.092.502.3741.992.462.30500100015001.711.631.
12、561.060.990.922.422.232.061.841.841.841.141.151.172.692.682.68表 2 修补材料参数对路面应力影响分析计算结果旧沥青路面模量（ MPa）荷载应力温度应力耦合应力层间连续荷载应力温度应力耦合应力层间光滑2第 2 期凝土板上，而相对于板不同的裂缝位置路面受力会受到一定影响，车辆荷载作用计算模型分别取裂缝位于加铺水泥混凝土板板中 、1/4 板处 、板边分析裂缝位置对路面受力影响，有限元计算结果见表3。当横缝位于板中时水泥混凝土加铺层模量对路面在车辆荷载 、温度荷载及其两者共同作用下的受力影响，加铺层厚度为 26 cm 时有限元模型计算结果见
13、表 4。加铺层厚度为 24 cm 时有限元模型计算结果见表 5。由以上数据可以看出，板底车辆应力 、温度应力及二者耦合应力随加铺水泥混凝土板模量增加而增大，耦合应力增大幅度较荷载应力 、温度应力大；旧路面存在横向裂缝时板底弯拉应力均比直接加铺 、旧路面坑槽修补时的板底弯拉应力大；水泥混凝土加铺层厚度为 26 cm 和 28 cm 时，板底车辆荷载应力 、温度应力及二者耦合应力均小于水泥混凝土路面设计规范中容许弯拉应力 5 MPa，受力满足要求 。当水泥混凝土加铺层厚度为 24 cm 时，板底车辆荷载应力 、温度应力及二者耦合应力已经超过了设计规范中容许弯拉应力 。因此，单从受力角度考虑水泥混凝
14、土加铺层最小厚度应为 26 cm，在旧沥青路面表面平整度较差，直接加铺时为克服水泥混凝土面层薄厚不均现象，为使最薄处也要达到26 cm，应整体适当增加面层厚度 。3.4 车载对水泥混凝土路面的影响当考虑车载单轮与路面接触单位压力为 0.9MPa，加铺层厚度 26 cm 已经不能满足水泥混凝土路面设计规范中水泥混凝土强度要求；单轮与路面接触单位压力为 0.9 MPa、1.1 MPa 情况下，加铺层厚度为 28cm 时路面耦合应力分别为 4.33MPa、4.80MPa，满足水泥混凝土路面设计规范中水泥混凝土强度要求 。而单轮与路面接触单位压力为 1.3 MPa，加铺层厚度为 28 cm 时，路面耦
15、合应力接近允许弯拉应力，此时对于厚度 28 cm 的面层而言，基本能够克服直接加铺所带来的厚度不均匀问题，原则上能保证最小厚度为 26 cm，又能满足交通荷载的要求 。4 旧沥青路面加铺水泥混凝土路面前的病害处理对于旧路坑槽病害，建议加铺前进行修补，以利于加铺后水泥混凝土面层的受力 。从经济性方面考虑可用二灰碎石等模量较低 、价格便宜的材料进行填补，然后再加铺水泥混凝土面层 。对于路面的大面积沉陷，在确定路基具有规定承载力时，可以用二灰碎石找平后加铺，当高差相差不大时也可直接加铺水泥混凝土面层 。当旧路有裂缝时，应整体适当增加加铺面层的厚度，最薄处也要达到 26 cm。旧沥青路面的车辙 、拥包
16、破坏，加铺前应铣刨整平 。对于路面承载力弯沉突变的情况，可以直接加铺，不必进行处理 。对于旧路基的承载力不足时，应先进行加固处理后再加铺 。对旧路面的平整度影响不大的各种开裂 、松散 、泛油等轻微病害可以不予处理，直接加铺 。5 试验路铺筑2003 年在邢清公路修筑了 5 km 试验段 。旧沥青路面结构层为 6 cm 沥青层 +45 cm 石灰土 。旧沥青路面的主要病害为龟裂 、坑槽 、松散 、泛油以及车辙 、拥包 。按照上述研究成果对旧沥青路面病害进行处理后直接加铺了最小厚度为 26 cm 的水泥混凝土面层 。经过 5 年运营，试验路承受的日交通荷载平均达 1 万辆左右，但全段仅出现了 （下
17、转第 13 页）表 3 应力计算结果 （ MPa）裂缝位置车辆应力温度应力耦合应力板中1.952.153.771/4 板处1.641.782.65板边1.631.102.63表 4 应力计算结果 （ MPa）混凝土模量28000310003400037000车辆应力2.132.172.222.25温度应力2.642.712.782.85耦合应力4.424.534.644.74表 5 应力计算结果 （ MPa）混凝土模量28000310003400037000车辆应力2.342.402.452.51温度应力2.712.943.163.40耦合应力4.704.995.275.54朱 建 民 ： 旧
18、 沥 青 路 面 上 直 接 加 铺 水 泥 混 凝 土 面 层 的 应 用 研 究3第 2 期!（上接第 3 页） 7 条裂缝，路面使用状况良好，节省了大量的养护费用 。6 结语在旧沥青路面上加铺水泥混凝土路面具有使用寿命长 、受水损害程度相对较低 、抗剪切能力强 、对旧路承载能力要求低 、旧路原有病害反射率低等优点，比沥青加铺层更坚固耐久，消除了沥青加铺层的车辙 、拥包和反射裂缝等病害，改善了路表面的排水特性和使用安全性，具有明显的技术优势 。与新建水泥混凝土路面相比，加铺水泥混凝土路面的优势在于至少能够节省一层基层，经济上可行；而且施工过程中对于一般旧路面病害可以不必处理，省掉了一些工序
19、，直接加铺，大大节省了时间，有利于在不中断交通的道路改扩建中推广应用 。参考文献 1 JTG D502006，公路沥青路面设计规范 S 2 JTG D402002，公路水泥混凝土路面设计规范 S此类结构一方面利用较厚沥青层抗疲劳性能好的特点，另一方面可充分发挥半刚性基层板体性强 、分散荷载能力强 、减小土基应力的特点 。根据国外的经验和研究表明，较厚的沥青结构层有利于降低沥青结构层底的拉应变，从而降低其疲劳开裂的可能性，其疲劳寿命大大高于半刚性基层沥青路面 。同时，车辙大部分发生在沥青层表面，而且一般不会发生结构性变形，便于养护维修；路面的损坏过程不同于半刚性基层沥青路面，即其破坏模式是自上而
20、下的，路面损坏始于沥青面层 。3 适用性参考国内外长寿命沥青路面经验，当面层厚度较厚时，柔性基层沥青路面同样适用于高等级公路，且使用寿命较长，有着良好的发展前景；当面层厚度较薄时，柔性基层沥青路面适用于交通等级较低的公路 。当面层厚度适中时，组合式基层沥青路面的整体刚度不亚于半刚性基层沥青路面，完全可适用于高等级公路；若受条件限制，可适当减薄结构层厚度，用于二级公路 。4 结语由级配碎石或沥青稳定碎石和其下卧半刚性基层组成的 “组合基层 ”由于下卧层刚度大，碎石上基层易于获得高压实度和较高的刚度，组合作用使路面刚柔兼具，受力上较为合理 。鉴于我国对半刚性基层有丰富的应用经验，当前应该首先发展组
21、合式基层沥青路面，即以沥青混凝土作面层，沥青稳定碎石或级配碎石作上基层，半刚性材料作底基层这种结构形式 。柔性基层沥青路面在国外已应用得较为成熟，但国内目前缺乏该类结构层材料的系统研究，还没有合理的设计和施工方法，从而使其应用受到很大的限制 。此外，在同样的交通荷载条件下，柔性基层沥青路面应采用较厚的结构层，造价相对较高，使其推广受到一定阻碍 。参考文献 1赵亮 .级配碎石在吉林省高速公路中的应用研究 D .长春：吉林大学， 2007 2王书延 .混合式基层沥青路面材料与力学性能研究 D . 重庆：重庆交通大学， 2008 3郝东强 .沥青路面半刚性基层结构研究 D .武汉：武汉理工大学，2004 4钟梦武等 . 高速公路倒装结构沥青面层厚度研究 J . 公路工程，2007， 32（ 4） 5金江 . 半刚性基层沥青路面的倒装结构综述 J . 北京工业大学学报， 2003， 29（ 4） 6周冬明，黄宾彬，黎金生 . 沥青路面倒装式半刚性基层结构的研究 J . 大众科技， 2005， 85（ 11） 7沈金安，李福普，陈景 . 高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策 M . 北京：人民交通出版社， 2004张 艳 红 等 ： 柔 性 基 层 沥 青 路 面 与 组 合 式 基 层 沥 青 路 面 综 合 对 比13
