摘要：本文結(jié)合工程實(shí)際，對交叉口路面損壞類型、原因及結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行了分析，并提出交叉口路面設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：城市道路；路面；交叉口；設(shè)計(jì)
　　1、路面損壞類型及原因分析
　　城市道路交叉口主要的病害是車轍，此外還有裂縫、松散、坑槽等，這大大降低了交叉口的通行能力，嚴(yán)重影響行車質(zhì)量和行車安全．對城市已有道路交叉口調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生這些損壞是由于在車輛頻繁剎車、起動(dòng)、轉(zhuǎn)向的過程中，在車輪水平荷載和垂直荷載綜合作用下導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的剪應(yīng)力超過材料的抗剪強(qiáng)度，或在車輛循環(huán)荷載作用下產(chǎn)生剪切疲勞導(dǎo)致其剪切塑性變形不斷累積．從某市交叉口改造實(shí)際情況分析，交叉口病害的主要原因還有交通量大、重型車輛多和氣溫過高且持續(xù)時(shí)間長．
　　2、路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析
　　由于交叉口交通管制、交通信號燈的設(shè)置以及交通組織的影響，相交道路的各種車輛和行人都要在交叉口處匯集、通過，同時(shí)交叉口也成為各種車輛頻繁剎車、起動(dòng)和轉(zhuǎn)向的地方，而且隨著交通量增加，渠化交通嚴(yán)重．在車輛荷載作用下，路面反復(fù)承受車輛荷載垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力的綜合作用，這不僅要求道路交叉口路面有良好的抗剪切、抗沖擊及抗彎拉能力，而且要求有足夠的摩阻力．因此，只有充分了解交叉口路面結(jié)構(gòu)的受力情況，才能有針對性進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料設(shè)計(jì)．
　　某市交叉口路面改造工程是在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土路面．由于舊水泥混凝土路面上瀝青加鋪層厚度設(shè)計(jì)主要依據(jù)舊路面結(jié)構(gòu)的承載力及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)狀況，選用合理的加鋪層方案．交叉口路面主要的病害是車轍和裂縫，瀝青加鋪層太薄，容易產(chǎn)生反射裂縫;加鋪層太厚，造價(jià)又會(huì)過高，經(jīng)濟(jì)上難以承受，故加鋪層應(yīng)有一個(gè)較合理的厚度．根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)和路面調(diào)查的狀況，采用AASHTO法和有效厚度法計(jì)算確定水泥混凝土加鋪層的加鋪平均厚度為18cm．為使路面結(jié)構(gòu)方案更優(yōu)化，材料組成設(shè)計(jì)更合理，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，延長道路交叉口的使用壽命，需要通過力學(xué)分析確定加鋪層主要的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)．
　　2．1力學(xué)模型
　　根據(jù)AASHTO法和有效厚度法，結(jié)合實(shí)際情況，舊水泥混凝土路面采用沖擊破碎擊實(shí)法，擬定加鋪層采用三層(4cm+6cm+8cm)進(jìn)行設(shè)計(jì)．借鑒以往的研究成果，發(fā)現(xiàn)瀝青加鋪層各層所處位置特點(diǎn)不一樣，其功能也不一樣．為此，建立力學(xué)模型．汽車荷載采用后軸為100kN的標(biāo)準(zhǔn)軸載，其作用半徑r=10.65cm，垂直標(biāo)準(zhǔn)荷載p=0.707MPa;對于水平荷載，根據(jù)車輪與路面之間的摩擦系數(shù)確定，即:q=f×p，式中q為水平荷載，MPa;p為垂直荷載，MPa;f為摩擦系數(shù)，對交叉路口、停車站等緩慢制動(dòng)地點(diǎn)摩擦系數(shù)為0.2，對偶然的緊急制動(dòng)摩擦系數(shù)為0.5，為了研究交叉口不同的水平荷載對路面結(jié)構(gòu)受力的影響，摩擦系數(shù)分別取0.0、0.1、0.3和0.5;交叉口重載計(jì)算中取垂直荷載p為1MPa和1.2MPa．
　　路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)選取的各層材料計(jì)算參數(shù)見表1，其中材料模量的選取考慮到改性與非改性等因素，借鑒規(guī)范的推薦值，模量的取值為一個(gè)范圍．
　　表1各層材料計(jì)算參數(shù)
　　材料 厚度均值/cm 模量/MPa 泊松比
　　上面層 4 1000～1600 0.35
　　中面層 6 800～1600 0.35
　　調(diào)平層或下面層 8 800～1600 0.35
　　舊路面(基層) 24 20000～30000 0.25
　　土基 ∞ 200 0.4
　　2．2結(jié)果分析
　　瀝青混合料抗剪性能與瀝青路面車轍病害有較強(qiáng)的相關(guān)性．因此，用最大剪應(yīng)力來確定抗車轍區(qū)域．應(yīng)用彈性層狀體系理論，利用BISAR3和20節(jié)點(diǎn)有限元程序，計(jì)算分析結(jié)果如下:
　　1)層間接觸狀態(tài)影響分析
　　當(dāng)假設(shè)各層間接觸分別為完全連續(xù)或半連續(xù)半滑動(dòng)時(shí)，計(jì)算結(jié)果見表2．
　　表2不同層間接觸狀態(tài)力學(xué)計(jì)算結(jié)果
　　層間接融狀態(tài) 作用荷載/MPa
　　 路表彎沉/
　　(×0.01mm) 6cm中面層
　　層底彎拉應(yīng)力/MPa 8cm下面層或調(diào)平層底彎拉應(yīng)力/MPa
　　完全連續(xù) 0.7 9.5～12.5 －0.17～－0.20 －0.12～－0.13
　　 1.0 13.4～17.6 －0.24～－0.27 －0.17～－0.18
　　 1.2 16.0～21.1 －0.29～－0.34 －0.20～－0.22
　　半連續(xù)半滑動(dòng) 0.7 12.6～15.5 0.28～0.36 0.17～0.30
　　 1.0 17.8～21.9 0.40～0.52 0.24～0.42
　　 1.2 21.4～26.3 0.48～0.62 0.29～0.50
　　1)表中“－”表示壓應(yīng)力．
　　由表知，無論層間連接為完全連續(xù)還是半連續(xù)半滑動(dòng)，加鋪層的路表彎沉和層底彎拉應(yīng)力均隨著作用荷載增大而增大．當(dāng)層間接觸為完全連續(xù)時(shí)，3種作用荷載下加鋪面層的各個(gè)分層受力情況均為壓應(yīng)力，說明這種情況下加鋪層處于受壓狀態(tài)，因此加鋪層因受拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫的可能性較小．但是在層間接觸半連續(xù)半滑動(dòng)狀態(tài)下，加鋪層的各分層均產(chǎn)生拉應(yīng)力，其中中面層層底的拉應(yīng)力最大，下面層次之．
　　2)不同垂直荷載作用對路面結(jié)構(gòu)影響．圖1描述了不同荷載作用下剪應(yīng)力隨路面深度的變化情況．由圖2可知，剪應(yīng)力隨著垂直荷載的增大而增大，加鋪層剪應(yīng)力最大值的位置在4～7cm處，位于中面層，由此知，中面層為最容易產(chǎn)生車轍的一層．
　　
　　圖1不同垂直荷載作用下路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力
　　3)中面層模量變化對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)影響．除中面層外，各路面結(jié)構(gòu)層取中值，中面層以400MPa變化，在標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下，計(jì)算剪應(yīng)力的變化情況，結(jié)果見圖2．
　　
　　圖2路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力對中面層模量依賴性
　　由圖2知，在10cm內(nèi)的剪應(yīng)力處隨著模量的增大．而明顯減小;但是在18cm處，模量越大，剪應(yīng)力有增大趨勢．為此，建議中面層可適當(dāng)提高模量，而且在瀝青面層與舊水泥混凝土路面接觸的位置采取處理措施．
　　4)不同水平荷載對路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響分析．交叉路口頻繁剎車與制動(dòng)，為了研究不同的水平荷載對路面結(jié)構(gòu)受力的影響，取摩擦系數(shù)分別取0.0、0.1、0.3和0.5;對于上述力學(xué)模型中，模量分別取中值，垂直荷載選用標(biāo)準(zhǔn)荷載，不同水平荷載下的計(jì)算結(jié)果見表3和圖3．
　　表3水平荷載對舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層應(yīng)力的影響
　　水平摩擦
　　系數(shù) 面層(加鋪層)底面彎拉應(yīng)力/MPa 基層底面彎
　　拉應(yīng)力/MPa 最大剪應(yīng)力
　　峰值/MPa
　　0.0 －0.196 0.582 0.248
　　0.1 －0.186 0.576 0.260
　　0.3 －0.167 0.562 0.285
　　0.5 －0.148 0.549 0.311
　　
　　
　　（a）拉應(yīng)力沿深度分布(b)剪應(yīng)力沿深度分布
　　圖3水平荷載對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響
　　由表3和圖3知，水平荷載作用的影響范圍基本上在面層8cm以內(nèi)，在此深度范圍以外的應(yīng)力變化幅度很小，路表面受水平荷載的影響最大．最大剪應(yīng)力峰值出現(xiàn)在上面層3～7cm處，所以上面層與中面層之間的聯(lián)結(jié)一定要好，否則，將因受剪切應(yīng)力過大而產(chǎn)生過早脫離和車轍等病害．力學(xué)分析表明，中面層是最不利一層，其受力最為復(fù)雜，剪應(yīng)力最大;上面層受汽車剎車制動(dòng)的影響較大，在舊路面中應(yīng)力變化較明顯，舊路面處治好壞直接影響到裂縫的擴(kuò)展．從耐久性路面設(shè)計(jì)理念出發(fā)，面層采用高質(zhì)量的瀝青混合料，中間層采用高模量的瀝青混合料，新舊路面交接處采用吸收應(yīng)力粘結(jié)力好的路面材料．因此，應(yīng)該對中、上面層的材料組成設(shè)計(jì)進(jìn)行重點(diǎn)研究，采取多種材料組成方案進(jìn)行路用性能試驗(yàn)比較，以優(yōu)選出最佳的材料組成方案．
　　3、交叉口設(shè)計(jì)建議
　　根據(jù)以上力學(xué)分析，借鑒國內(nèi)外已有的研究成果，結(jié)合地區(qū)氣候環(huán)境特點(diǎn)、交通荷載以及交叉口位置的特殊性等因素的影響，對交叉口設(shè)計(jì)提出以下幾點(diǎn)建議:
　　(1)中面層是瀝青加鋪層中最不利的一層，車輛剎車和制動(dòng)影響較大的是上面層和中面層，且中面層模量增大可有效降低剪應(yīng)力，即減輕車轍病害．因此，中面層和上面層是交叉口研究的重點(diǎn)層．
　　(2)從道路交叉口車轍發(fā)生區(qū)域以及抗剪角度出發(fā)，在路面結(jié)構(gòu)組合及材料設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)從多方面考慮來提高中、下面層的抗變形和抗剪切性能．瀝青路面因便于養(yǎng)護(hù)和行車舒適等特點(diǎn)，在市政道路養(yǎng)護(hù)和建設(shè)中廣泛應(yīng)用．對于瀝青路面，可從材料設(shè)計(jì)角度來提高路面抗車轍和抗剪切能力．比如可以通過采用調(diào)整級配、使用低標(biāo)號基質(zhì)瀝青、改性瀝青或摻加抗車轍劑等方式提高瀝青混合料的抗車轍性能．此外，施工中要提高面層的壓實(shí)度，避免二次壓密性車轍．
　　(3)舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層底部出現(xiàn)拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，良好的黏結(jié)效果可以減小結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力和最大拉應(yīng)力．因此，在設(shè)計(jì)和施工中一定要重視層與層之間的黏結(jié)．考慮到舊水泥混凝土路面接縫和裂縫會(huì)產(chǎn)生尖端應(yīng)力，建議在接縫和裂縫處特別處理或處理后設(shè)置緩沖層，這樣將有效減小裂縫病害．
　　(4)SMA是一種由瀝青、穩(wěn)定劑、礦粉及少量細(xì)集料組成的粗集料嵌擠型斷級配瀝青混合料．目前在歐美廣泛應(yīng)用于重交通道路、機(jī)場和港區(qū)道路，具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、耐久性與抗滑性能，能夠全面地提高瀝青路面的使用性能．ATB瀝青穩(wěn)定碎石也是一種粗骨架結(jié)構(gòu)，具有足夠的抗車轍、抗剪切能力．建議交叉口采用改性瀝青SMA+ATB結(jié)構(gòu)，ATB也可用其他抗車轍和抗剪切材料替代;SMA+ATB這種骨架嵌擠結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的抵抗荷載變形能力及高溫抗車轍能力．考慮到破碎舊混凝土面板容易損害加鋪層，為了保證加鋪效果，在實(shí)際工程中，建議優(yōu)先選擇傳荷能力改善后鋪設(shè)應(yīng)力吸收層+抗車轍和抗剪切中間層+SMA或AC改性瀝青面層的方案．
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