典型”白改黑”路面结构荷载应力分析

 　【摘 要】道路白改黑，以其经济有效性，被广泛运用于道路升级改造工程中。本文选取了典型的”白改黑”道路改建工程， 采用东南大学公路沥青混凝土路面设计系统HPDS，分析计算了沥青加铺层厚度，旧混凝土弹性模量，原道路基层顶面当量回弹模量以及旧混凝土面层接缝应力折减系数分别对荷载应力的影响。最后总结变化规律为“白改黑”路面设计与施工提供理论依据。 

　　【关键词】水泥混凝土路面、加铺沥青面层、最大综合荷载应力、弹性模量 

　　引言 

　　白色水泥混凝土路面以其承受荷载能力强，耐久性好，技术要求低，而在早期道路建设中占据主导地位。但随着时间推移，其行车舒适度差、噪音大，养护维修时间长的固有缺点已不能满足时代要求[1]。而最经济有效的办法就是在旧水泥混凝土路面处理基础上，加铺黑色沥青面层，俗称为“白改黑”。 

　　本文根据白改黑工程的特点，采用东南大学公路沥青混凝土路面设计系统HPDS，分析计算了沥青加铺层厚度，旧混凝土弹性模量以及旧混凝土面层接缝应力折减系数分别对荷载应力的影响。 最后总结规律为“白改黑”路面设计与施工提供理论依据。 

　　一 旧混凝土加铺层计算条件及相关数据 

　　本文选取了典型的改建道路模型：某地二级公路，位于Ⅳ级公路自然区划，面层最大温度梯度选定为89℃/m。原设计混凝土路面的设计基准期20年，已使用10年，剩余设计基准期内设计车道上设计轴载累计作用次数为100 000次，属中等交通荷载等级。设计轴载选用我国规范规定的100kN，超载情况下，最重轴载为200kN。需验算在设计轴载以及最重轴载下的最大综合荷载应力σ综合是否小于或等于旧混凝土弯拉强度φ[3]，公式表示为： 

　　二 各变量对旧混凝土层综合应力的影响 

　　1 沥青加铺层厚度对旧混凝土层综合应力的影响 

　　《水泥混凝土路面设计规范》中限定了各等级公路沥青加铺层的最小厚度.计算具有沥青混凝土加铺层时旧混凝土面层应力，根据旧混凝土面层的应力满足规范要求，最终确定沥青混凝土加铺层的设计厚度。 

　　由图1可得：伴随加铺层厚度增加，旧水泥混凝土板的最大应力显著减小. 

　　2 原道路各层回弹模量对旧混凝土层综合应力的影响 

　　原道路回弹模量值可综合反映地基所处状态.根据其回弹模量值可判断其损坏程度，确定原路面处治方案 .旧混凝土板的弹性模量受多因素影响，包括原混凝土本身弹性模量的大小，混凝土碳化程度，经冻融，温度应力及荷载作用后内部结构的破坏程度等，可用于表征混凝土在使用一段时间后的残余性能. 

　　旧混凝土板弹性模量等差增长，而沥青的弹性模量未发生变化，E（混凝土）/E（沥青）的值增大， 其对应的混凝土板最大综合应力也相应增大.由对应的水泥混凝土模量与标号对应表可得：采用C50（对应弹性模量为）的水泥混凝土路面最大应力只比C15（对应弹性模量为）的水泥混凝土路面的增长了不到0.25mpa，因此，提升混凝土强度来减小混凝土板的损耗是不可取的。 

　　3 原有混凝土路面接缝状态对旧混凝土层综合应力的影响 

　　计算设计轴载在面层板临界荷位处产生荷载疲劳应力时，考虑接缝的传荷能力的应力折减系数，当采用纵缝为设拉杆的平缝或混凝土路肩时，取0.87-0.92，当纵缝为不设拉杆的平缝或柔性路肩时取1.为求出接缝应力折减系数与混凝土层综合应力之间的关系趋势，假设可在0.87-1之间取值求解. 

　　旧混凝土层最大综合应力与面层接缝应力折减系数成正比. 如工程介绍时，此路面已使用10年，实际情况下，混凝土已出现断板，裂缝时，其所处状态已不满足规范所给的条件，受力部位更加难以向四周传递荷载，应力集中现象更加严重，混凝土板所受到的综合应力也比图3中所列的最大综合应力更大. 

　　三 结语 

　　1 “白改黑”工程设计中，应谨慎选择加铺的沥青面层厚度，随加铺厚度增加，旧混凝土板最大综合应力显著减小，可大大延长混凝土板的使用寿命，减少后续维护费用。 

　　2 同等其他条件下，旧混凝土板最大综合应力与旧混凝土弹性模量成正比，与原道路基层顶面当量回弹模量成反比，但其影响不具有显著性， 

　　3 综合上述3幅图中两条曲线，可明显看出超载情况下，旧混凝土板最大综合应力远大于正常轴载下的综合应力，极易一次性对道路产生破坏。 

　　参考文献： 

　　[1] 徐尚谦.水泥混凝土路面”白改黑”中的综合处治 [J].公路，2009，8（8）：116-120. 

　　[2]JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面设计规范[S]. 北京：人民交通出版社，2011. 

　　[3] 邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法[M].北京：人民交通出版社，2001.