吳文亮，李明匯

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

山區(qū)高速公路一般修建在高山深谷之中，交通運輸不便，沿線橋梁眾多，橋梁預(yù)制場的設(shè)置受到場地的諸多限制[1-2]。李江海等[3]總結(jié)了影響橋梁預(yù)制場選址因素；夏祥斗[4]建立了現(xiàn)場預(yù)制場設(shè)計方案評價體系。考慮到縮短運距、施工便利、易于吊裝、減少征地等因素，山區(qū)道路橋梁預(yù)制場通常設(shè)置在路基之上[5-6]。預(yù)制場硬化層的常規(guī)處理方法為[7]：在墊層施工之前破除掉預(yù)制場的臺座和混凝土硬化層，整平至路基頂層面標高，重新整平路基。但這種方法耗費大量的人力、物力，且施工工期長，同時硬化層棄渣堆放占用土地，對環(huán)境不利。

從保護環(huán)境、節(jié)約成本、減少建筑垃圾、縮短工期等角度出發(fā)，提出硬化層再利用方案，即保留混凝土硬化層，并作為路面結(jié)構(gòu)層中的墊層、底基層使用。由于混凝土修補困難，對硬化層進行再利用，要求硬化層在預(yù)制場使用過程中不能出現(xiàn)較嚴重的病害[8-9]。然而在預(yù)制場使用過程中超載現(xiàn)象較為嚴重，現(xiàn)有公路水泥混凝土路面設(shè)計時采用單軸軸重100 kN作為標準軸重，規(guī)范僅適用于單軸不超過130 kN和雙軸不超過260 kN的軸載[10]。另外，對于復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，需分析水泥混凝土板接縫對路面結(jié)構(gòu)的影響，目前還沒有成熟的研究模型延緩或抑制反射裂縫的出現(xiàn)[11-12]。本文通過ABAQUS軟件分析在超常交通荷載情況下，多軸荷載共同作用對水泥混凝土板的影響，計算混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力，確定硬化層不被破壞的合理厚度；并將混凝土板作為路面結(jié)構(gòu)層，分析硬化層接縫對路面結(jié)構(gòu)層的影響，對比不同路面結(jié)構(gòu)類型接縫的影響，選擇合適的路面結(jié)構(gòu)；最后對預(yù)制場再利用進行經(jīng)濟效益分析，驗證預(yù)制場再利用的可行性與合理性。

1 預(yù)制場硬化層厚度計算

據(jù)調(diào)查某山區(qū)高速公路需在路基上修建橋梁預(yù)制場21個(其中挖方區(qū)5個，填方區(qū)16個)，預(yù)制場總長度達到10 392 m，預(yù)制場總面積約2.7×106m2。預(yù)制場硬化層再利用施工基本思路為：預(yù)制場建設(shè)時需要先在路基上鋪筑0.2 m厚的未篩分碎石(路基標高以下0.05 m，一般路段墊層厚度為0.15 m)；再鋪筑0.2 m厚的C25水泥混凝土作為硬化層；待預(yù)制場完成制梁工作之后，先鑿除臺座，并對損壞部分進行修補，之后將0.2 m未篩分碎石作為路面墊層使用，0.2 m C25水泥混凝土作為路面底基層使用。預(yù)制場主要承擔(dān)運梁和砂石的建筑材料工作，在使用過程中超載情況十分嚴重。經(jīng)調(diào)查砂石運輸車(圖1)整車質(zhì)量達到100 t，而采用兩輛三軸轉(zhuǎn)運車，轉(zhuǎn)運梁總重可達120 t(圖2)。

圖1 砂石運輸車

圖2 運梁車

1.1 運輸通道軸載計算

荷載通過輪胎作用于路面，分析荷載應(yīng)力的關(guān)鍵是要簡化輪胎在路面上的印跡，傳統(tǒng)計算車輪接地面積是將接觸形狀簡化為當量圓；但實際上輪胎與地面的接觸面積并非圓形，荷載越大，接觸面積越趨近于矩形[13-15]。通過查閱文獻可得一定雙輪荷載情況下單輪輪印的長度與寬度[16-18]，如表1所示。

表1 輪印長度與寬度參數(shù)

單輪與路面的接觸壓力

(1)

式中：P代表輪胎與路面的接觸壓力；G代表荷載總重，包括自重和貨重；N代表縱軸數(shù)；M代表橫軸數(shù)；L為單軸配置輪數(shù)；A為單輪接地面積。

三軸運梁車雙輪荷載為100 N。根據(jù)表1查得重載情況輪跡尺寸為：L=32 cm，B=24 cm。由式(1)計算單輪接地壓力

砂石車雙輪荷載為81.6 N。根據(jù)表1查得重載情況輪跡尺寸為：L=31 cm，B=22 cm。由式(1)計算單輪接地壓力

因此，選擇三軸運梁車作為計算荷載分析重載交通水泥混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力 。

1.2 水泥混凝土路面有限元模型

本文采用ABAQUS對預(yù)制場水泥混凝土路面進行應(yīng)力分析。水泥混凝土層采用平面尺寸4 m×5 m的混凝土板，考慮三軸運梁車多軸作用在同一塊板上的情況，臨界荷位在縱縫中部。模型假定水泥混凝土層、未篩分碎石基層、土基層具有各向同性，在模型底面施加3個方向上的固定約束，對于基礎(chǔ)的4個側(cè)面均施加X、Y方向上的約束(X方向代表車輛行進的方向，Y方向代表橫斷面方向，Z方向代表縱向深度方向)。對混凝土板橫斷面方向施加橫斷面水平位移約束，兩側(cè)側(cè)面位移自由。各層參數(shù)如表2所示。

表2 硬化層在預(yù)制場使用過程中的結(jié)構(gòu)驗算參數(shù)

三軸運梁車相應(yīng)的規(guī)格參數(shù)為：輪間距為0.32 m，軸與軸之間間距為2.1 m，雙輪間距為1.72 m。三軸運梁車共載作用如圖3所示。

圖3 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)模型

圖4 ABAQUS應(yīng)力云圖

ABAQUS應(yīng)力云圖見圖4。通過分析不同厚度水泥混凝土路面模型可得：混凝土板的板內(nèi)拉應(yīng)力隨著厚度的增大而減小，當混凝土板厚度為0.2 m時，最大應(yīng)力值為1.509 MPa；當混凝土板厚度為0.25 m時，最大應(yīng)力值為1.324 MPa。一般情況下，混凝土板的板內(nèi)應(yīng)力不應(yīng)超過1.5 MPa，因此當混凝土板的板厚為0.25 m時滿足要求，選擇0.25 m的水泥混凝土板作為橋梁預(yù)制場硬化層。

2 硬化層再利用的可行性分析

待預(yù)制場使用完畢先鑿除臺座，并對損壞部分進行修補，采用復(fù)合路面結(jié)構(gòu)，將0.2 m的未篩分碎石作為路面墊層使用，0.2 m的C25水泥混凝土作為路面底基層使用。路面結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 路面結(jié)構(gòu)

2.1 復(fù)合式路面有限元模型的建立

為深入分析復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)力，本文通過三維有限元法對設(shè)置及未設(shè)置水泥穩(wěn)定級配碎石層的復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)進行分析，假定路面結(jié)構(gòu)滿足彈性層狀體系，各層之間完全連續(xù)接觸。

交通荷載為標準BZZ-100，輪胎內(nèi)壓為標準0.7 MPa，分析是將單輪當量圓接觸面積按相等當量成0.189 m×0.189 m的矩形面積，兩側(cè)輪間距為1.82 m，接縫寬為0.01 m，地基基礎(chǔ)長寬擴大2 m，深6 m。研究表明，當行車荷載一側(cè)緊貼接縫邊緣處，另一側(cè)作用于加鋪層內(nèi)側(cè)時，瀝青層產(chǎn)生的應(yīng)力最大，即最不利荷位。因此，本文選取這種荷載作為最不利荷位進行分析，如圖6所示。驗算時參數(shù)取值見表3。

圖6 車輪加載荷位及作用尺寸

參數(shù)名稱數(shù)值設(shè)計軸載/kN100瀝青層上面層厚度/cm5瀝青層中面層厚度/cm6瀝青層下面層厚度/cm8水泥穩(wěn)定碎石抗壓回彈模量/MPa1 500上基層水泥穩(wěn)定碎石的厚度/cm20下基層水泥穩(wěn)定碎石的厚度/cm20水泥硬化層厚度/cm25未篩分碎石的厚度/cm20未篩分碎石抗壓回彈模量/MPa180

2.2 接縫影響分析

根據(jù)瀝青混凝土加鋪層路面結(jié)構(gòu)形式和計算參數(shù)生成的有限元模型進行劃分，接縫處網(wǎng)格劃分采用加密處理以確保模型的精度。有限元模型如圖7所示。對比設(shè)置及未設(shè)置水泥穩(wěn)定級配碎石基層的復(fù)合式路面各項指標，結(jié)果如表4所示。

圖7 有限元模型

計算指標含水泥穩(wěn)定碎石基層不含水泥穩(wěn)定碎石基層最大彎沉/0.01 mm16.463 431.571 5瀝青層底拉應(yīng)力/MPa0.037 6160.074 850瀝青層底最大剪應(yīng)力/MPa0.021 3260.391 367

由表4可以看出，相對于直接在水泥混凝土上攤鋪瀝青面層而言，增加兩層0.2 m厚水泥穩(wěn)定級配碎石，最大彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力、瀝青層底剪應(yīng)力分別有不同程度的降低。增加水泥穩(wěn)定級配碎石層對剪切型裂縫具有很好的抑制作用。

3 經(jīng)濟效益分析

該工程路基上橋梁預(yù)制場硬化層的再利用可節(jié)約費用1 647萬元，同時每個預(yù)制場可節(jié)省清理工期約20 d，為加快路面施工、縮短施工周期、提前開放交通創(chuàng)造了有利條件；最大限度地利用棄渣，大大減小了對環(huán)境的破壞，符合中國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略。全線可節(jié)約棄渣場地約33 753 m2，減少占用農(nóng)田。經(jīng)濟效益計算結(jié)果見表5。

表5 經(jīng)濟效益分析

4 結(jié) 語

本研究通過對硬化層在預(yù)制場使用過程中的結(jié)構(gòu)驗算，及對硬化層作為路面結(jié)構(gòu)層可能出現(xiàn)的反射裂縫問題進行了分析，通過設(shè)置0.25 m厚的橋梁預(yù)制場硬化層，保證硬化層在預(yù)制場使用過程中不發(fā)生較嚴重病害。相對于直接攤鋪瀝青層而言，將水泥混凝土硬化層作為墊層并設(shè)置0.4 m厚水泥穩(wěn)定級配碎石，能夠延緩并抑制硬化層接縫產(chǎn)生的張拉裂縫和剪切裂縫的出現(xiàn)，驗證了橋梁預(yù)制場硬化層再利用的可行性。研究成果將對未來山區(qū)高速公路建設(shè)帶來直接的技術(shù)經(jīng)濟效益。橋梁預(yù)制場混凝土硬化層再利用技術(shù)，不僅能節(jié)約工期、降低造價，而且能有效保護環(huán)境，減少建筑垃圾。

這一技術(shù)的研究及推廣具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益，能減少土地的征用和對環(huán)境的破壞，合理利用了建筑垃圾，符合中國現(xiàn)行的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。