长大纵坡下共振碎石化路面行为研究

吴育麒

中国市政工程中南设计研究总院有限公司 湖北省武汉市 430010

摘要：在“白改黑”背景下，对共振碎石化路面施工技术进行研究；确定共振碎石化基层模量并构建计算模型，在不同层间接触状态和水平力系数作用下，以层间最大剪应力为评价指标，对长大纵坡下共振碎石化路面的力学行为进行分析，ATB-25层与近碎石化层的层间接触状态对层间最大剪应力影响最大；碎石化后对路面进行碾压可增强碎石化层的密实度和弹性模量，在第一遍和第三遍碾压之前洒水可加强碾压效果，同时帮助表面层细料与水产生的胶结体，实际工程中，应增强近碎石化层胶结体与新建ATB-25层的层间连续性，从而减少长大纵坡下共振碎石化路面出现层间滑移的现象。

关键词：共振碎石化；长大纵坡；层间接触状态；层间最大剪应力；层间滑移

01 引言

20世纪90年代以来，水泥混凝土路面因其高强度、耐久性而被大量运用于高等级道路路面中。但是随着交通需求的日益增长、轴载的增加以及早期水泥路面使用年限的接近，旧水泥混凝土面板严重出现断板、错台等病害，导致路面平整度差、抗滑性能低、道路使用者舒适度差，造成通行能力低。大量的水泥混凝土路面亟需通过改造提高道路通行能力及服务水平，“白改黑”是未来道路设计的一大方向。

传统的水泥路面“白改黑”工程采取的是在处置后的旧水泥混凝土路面上直接加铺沥青层，或者挖除水泥板块铺设稳定层和面层，21世纪初，共振碎石化作为高效环保的旧水泥混凝土路面改造技术被引入国内，在上海、浙江、福建等地实地运用，取得了较好的工程应用和经济效益。该技术主要是通过共振破碎机的共振梁输出激励与旧水泥混凝土板形成共振效应^[1]，共振碎石化后的旧水泥混凝土面层如图1-1所示，迫使旧水泥混凝土板碎裂形成斜向45°裂纹的破碎体，破碎体碎而不裂，互相嵌挤^[2]，构成介于散体和稳定体之间的上柔下刚的半稳定体结构，可视为高密实度的稳定层，能更大程度上分散竖向载荷和防止应力突变，同时由于振动能量随着路面深度的增加逐渐下降，原基层的频率不会产生共振，下部基层和路基基本完好无损，共振碎石化后旧路面的基面层状态如图1-2所示；可以说，共振碎石技术能彻底排除旧水泥路面的反射裂缝，并最大程度利用原有道路的剩余强度^[3]。

图1-1共振碎石化后的旧水泥混凝土面层 图1-2共振碎石化后基面层状态

02 长大纵坡下共振碎石化施工技术缺陷及处置方式

实践表明，共振碎石化后的破碎体上面层松散，松散厚度约为旧混凝土板厚度的1/3～1/2，粒径≤7.5cm，需经压路机碾压后形成嵌挤紧密且平整的表面层后，再加铺封层和沥青面层^[4][5]。

长大纵坡上由于车辆制动频繁，切向制动力远大于缓坡路段，且长大纵坡上一般车辆行驶速度较慢，对沥青路面作用时间变长，容易出现车辙、层间滑移等路面病害^[6][7]。共振碎石化后的松散上表层难以与封层形成有效的层间粘结，车辆在长大纵坡上制动时易出现层间滑移，尤其是破碎表层碾压密实度不足或碾压密实深度不足，沥青面层在制动力作用下易成一层滑动的“薄皮”，降低了沥青路面的使用寿命，也为车辆行驶造成安全隐患。

破碎层表面粒径小于5%的细料含量较多，这些细料多棱角、表面粗糙、多裂纹，具有高吸水率、高微粉含量（附带粒径小于0.075mm的粉料）等特点，在第一遍和第三遍碾压之前洒水可加强碾压效果^[4]，事实上洒水后表面层细料与水产生的胶结体能较好的将松散的表面细料胶结成整体，保障表面层的稳固；同时重型机械的碾压会将胶结体的薄弱处压出细纹，细料挤出后遇水继续胶结，胶结作用将持续在混凝土的整个寿命中。

图2-1碎石化层表面细料胶结现象

事实上洒水后表面层细料与水产生的胶结体能较好的将松散的表面细料胶结成整体，保障表面层的稳固。重型机械的碾压会将胶结体的薄弱处压出细纹，细料挤出后遇水继续胶结，胶结作用将持续在混凝土的整个寿命中。总体而言，洒水量、静置时间会影响胶结的深度，撒布在碎石化层的透层将沥青面层与胶结体粘结在一起，使其共同承受车辆荷载作用，避免在长大纵坡下松散的破碎体由于缺乏化学胶结作用，在重车作用下上部沥青层出现滑移的现象。胶结体的深度将较大程度的影响道路的荷载分布，适宜的胶结体的深度对于处理共振碎石在长大纵坡下出现的层间滑移等路面病害具有重要意义。

03 共振碎石化基层模量的确定及计算模型构建

共振碎石化后破碎基层的回弹模量与破碎后的碎石尺寸有关，破碎的碎石尺寸则与共振碎石机施加的振动频率、振幅、锤间距、破碎速度等施工参数有关，合理的选择适宜的施工参数，对保障整个碎石化基层结构承载力要求下消除反射裂缝具有重要意义^[8-10]。

研究表明，破碎层回弹模量介于粒料类层与半刚性基层回弹模量之间，且破碎上部模量接近粒料类层回弹模量，下部接近于半刚性基层回弹模量

^[11][12]。胶结体强度受破碎体粒径影响，计算时仅考虑其对层间粘结的增强，不考虑该层强度增长。

基于共振碎石化后破碎基层特性，将基层分为3层，近碎石层、过渡层、近水稳层，如图3-1所示，回弹模量参数分别参考粒料类、中间值、水稳层回弹模量参数进行取值。考虑到胶结体的化学胶结作用，胶结体上部视为完全连续，胶结体分界处层间摩擦系数按0.5考虑，其余界面层间均按连续考虑，计算模型如图3-2所示。

图3-1 共振碎石化后基层划分示意图 图3-2 共振碎石化后路面计算模型图

04长大纵坡下共振碎石化路面力学行为分析

（1）计算模型及参数

基于弹性层状体系理论建立计算体系，计算简图如图4-1所示。

图4-1 弹性层状体系Bisar3.0计算示意图

参考某旧路改造工程的路面结构，各层厚度、回弹模量和泊松比参数取值如表4-1所示。

表4-1 各层厚度、回弹模量和泊松比参数

（2）破碎层与上下层接触连续性分析

实际上，破碎层与下面旧路水稳层和新建面层之间的层间不完全连续，与计算时假定的层间完全连续不一致；由于层间摩擦系数较难测定，本次分析采用层间完全光滑、层间完全连续进行分析，层间摩擦状态介于完全光滑和完全连续之间。

在上述改建路面结构中，分别计算近碎石层与近水稳层层间完全连续、近碎石层完全连续且近水稳层层间完全光滑、近碎石层完全光滑且近水稳层层间完全连续、两层层间均光滑四种层间状态在BZZ-100作用下，各层层间最大剪应力τ_max沿深度分布情况计算如下图4-2所示。

由计算可知，随着深度的增加，层间最大剪应力τ_max先增大后逐渐减小，且四种层间状态下，层间最大剪应力τ_max均出现在ATB-25与近破碎层之间；层间连续性越好，层间最大剪应力峰值越小，近碎石层完全光滑时最大剪应力τ_max值为0.471MPa，比完全连续时的最大剪应力τ_max值增大了43.4%；当两层层间均光滑时，层间最大剪应力出现在破碎层与旧路面水稳层之间，其值远远小于ATB-25与近破碎层之间的层间最大剪应力。因此，在共振碎石化加铺路面时，尤其需注意加强破碎层与加铺路面之间粘结性能的处理。

图4-2 四种层间状态各层层间最大剪应力τmax沿深度分布图

（3）长大纵坡下共振碎石化路面力学计算

车辆在长大纵坡行驶过程中的制动会产生较大的水平力，导致层间剪应力的增大，容易出现车辙、层间滑移等路面病害，计算时以层间最大剪应力为评价标准。为建立统一标准，竖向力仍取BZZ-100，一般行驶过程中水平力系数f取0.2-0.35，紧急刹车时水平力系数f取0.5，并与水平力系数f=0的情况进行对比。四种工况见表4-2，P表示BZZ-100单侧单圆的竖向荷载值，为25kN。

表4-2不同工况下的路面组合受力情况

在ATB层与近碎石层之间完全光滑、摩擦系数为0.5、完全连续三种层间接触状态下，对不同工况下长大纵坡下共振碎石化路面的层间最大剪应力进行计算，计算结果如图4-3所示。

由计算可知，层间最大剪应力τ_max值随水平力系数f的增大而增大，随层间接触状态减弱而增大；良好的层间接触状态能较大程度的减小层间最大剪应力τ_max值，然而实际上，随着荷载的反复作用和材料的老化，大部分路面层间很难做到理想的层间连续状态，因此容易路面面层间出现层间滑移，尤其是在大长纵坡路段，紧急制动情况较多时，层间滑移现象更加明显。

图4-3 四种工况下不同层间接触状态的层间最大剪应力τmax计算图

05 结论

在“白改黑”背景下，对共振碎石化路面施工技术进行研究，碎石化后对路面进行碾压可增强碎石化层的密实度和弹性模量，在第一遍和第三遍碾压之前洒水可加强碾压效果，同时帮助表面层细料与水产生的胶结体。

基于共振碎石化后破碎基层特性，将基层分为3层，近碎石层、过渡层、近水稳层，依据经验选取不同于的回弹模量数值。

对破碎层与上下层接触连续性分析可知，ATB-25层与近碎石化层的层间接触状态对层间最大剪应力影响最大。

将ATB-25层与近碎石化层的层间最大剪应力做为长大纵坡下共振碎石化路面力学计算的评价标准，考虑不同ATB-25层与近碎石化层的层间接触状态和水平力系数，层间最大剪应力τ_max值随水平力系数f的增大而增大，随层间接触状态减弱而增大。因此，在实际工程中应加强处理新建ATB-25层与近碎石层胶结体的层间连续性，减小层间最大剪应力，从而减少长大纵坡下共振碎石化路面出现层间滑移的出现。

参考文献：

[1]李吉祥, 范晨光, 李彦达. 共振碎石机振动机理及参数研究[J]. 公路交通科技, 2020, v.37;No.311(11):18-24.

[2]徐柱杰, 凌建明, 黄琴龙. 旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究[J]. 中国公路学报, 2008(05):26-32.

[3]王春涛. 旧水泥混凝土路面"白改黑"的共振碎石化技术[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2015, 011(005):81-82.

[4]王海俐, 李进成, 路学敏,等. 旧水泥混凝土路面共振碎石结构稳定处治措施研究[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2017, 02(v.13;No.146):102-104.

[5]商茂华. 碎石化技术在水泥混凝土路面"白改黑"工程中的应用研究[D]. 长安大学.

[6]陈渊召. 长大纵坡沥青路面病害防治技术研究[D]. 长安大学, 2011.

[7]董忠红, 吕彭民, 刘学. 长大纵坡路段沥青路面动力响应试验[J]. 长安大学学报(自然科学版), 2013, 33(004):7-11.

[8]张叔林, 支喜兰, 史仍超,等. 旧水泥混凝土路面共振碎石化施工质量评价方法研究[J]. 公路交通科技(应用技术版), 2017, 000(010):P.55-57.

[9]石敏, 万永红, 冉平. 公路路面"白改黑"共振破碎碎石化基层的质量控制[J]. 科技资讯, 2016, 014(018):38-40.

[10]李吉祥、范晨光、李彦达. 共振碎石机振动机理及参数研究[J]. 公路交通科技, 2020, v.37;No.311(11):18-24.

[11]徐柱杰, 凌建明, 黄琴龙,等. 旧水泥混凝土共振碎石化路面模量分析[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2008, 36(009):1195-1198.

[12]李盛, 马永波, 刘朝晖,等. 共振碎石化控制参数和结构模量研究[J]. 内蒙古公路与运输, 2019, 169(01):1-4.