（市政工程专业论文）“白加黑”旧路改建的关键技术研究.pdf

“白加黑 旧路改建的关键技术研究 捅要 近年来，随着国民经济的迅速发展，公路上交通量和汽车载重量剧增，对 路面结构的损坏日渐加重。越来越多的旧水泥混凝土路面面临着修复工作。“白 加黑能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性能，延长其使用寿命，是一种 非常有前景的水泥混凝土路面大修方法。 本文在调查了解国内许多1 日路改造实践工程的前提下，根据铜陵市白西路 对旧水泥混凝土路面沥青罩面改造进行了系统的分析研究。主要的研究内容包 括： ( 1 ) 原有路面结构性能的评估 在沥青混凝土加铺罩面之前对旧水泥混凝土路面的损坏情况和结构状况进 行正确的评价是解决反射裂缝和保证加罩成功至关重要的一环，包括路面结构 性能评定和路面使用性能评定。其中，路面结构性能评定是以相对弯沉差作为 评价指标：路面使用性能评定是以路面破损率p c i 、行驶质量指数r o i 、路面抗滑 b p n 和s f c 作为评价指标。 ( 2 ) 旧水泥混凝土路面沥青罩面改造中沥青罩面层的设计 旧路改造的罩面设计方法不仅涉及旧路面的损坏、结构状况、交通状况、 环境因素，而且还需要合适的力学分析模型、正确的材料参数、有效的防反射 裂缝措施等，内容广泛、复杂多变，至今尚未有成熟的设计方法。本文介绍了 目前相对成熟的几种罩面设计体系，并加以评析，提出今后尚需研究的问题 ( 3 ) 反射裂缝的防治与控制 影响反射裂缝的因素除荷载因素和温度因素之外，路面结构特性对反射裂 缝也有一定的影响。目前反射裂缝的防治措施大致可分为：改善沥青混凝土罩面 层性能、处治旧路面板和设置应变消减中间层。具体包括增加罩面层厚度、应 用改性沥青以及加筋材料：封填稳定裂缝，破碎、稳定1 日路面板：s a m i 、土工织 物类、土工网格、粘结间断层等。 ( 4 ) 本文应用三维有限元对旧水泥板上加罩沥青混凝土面层复合结构进行了 应力分析。 关键词：白加黑改建反射裂缝路况调查沥青罩面设计方法三维有限元 4 t h er e s e a r c ho nt h e w h i t ea n db l a c k 力t e c h n o l o g yf o r r e n o v a t i o no fo l ds t r e e t a bs t r a c t r e c e n t l y ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h e i n c r e a s i n go fc a p a c i t yo fh i g h w a ya n dl o a d - c a r r y i n gc a p a c i t y ，p a v e m e n t ss t r u c t u r e d e t e r i o r a t e s s e v e r e ra n ds e v e r e r ，m o r ea n dm o r ec e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t s n e e dr e h a b i l i t a t e d “w h i t ea n db l a c k ”r e b u i l d i n gc a ni m p r o v et h eu t i l i t y p e r f o r m a n c eo fc o n c r e t ep a v e m e n t sa n dp r o l o n gi t ss e r v i c el i f e w h i c hh a sb e c o m e o n eo ft h em o s ti m p o r t a n tm e t h o do fo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sw i t h b r i l l i a n tp r o s p e c t s i n v e s t g a t i o no nu n d e r s t a n d i n go fm a n yp r a c t i c e so fa s p h a l to v e rl a yo no l d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti no u rc o u n t r ya n dr e h a b i l i t a t i o no fb a i x ir o a di n t o n g l i n gc i t y ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e st h er e h a b i l i t a t i o nt e c h n o l o g yo fo l d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts y s t e m a t i c a l l y ，i n c l u d e s ： ( 1 ) t h ea s s e s s m e n tf o rs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fo l dc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t ac o r r e c ta s s e s s m e n tf o rp a v e m e n t d i s t r e s sa n ds t r u c t u e rc h a r a c t e r i s t i co fo l d c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tb e f o r eo v e rl a yi st h es t i c kp o i n to fp r e v e n t i n gr e f l e c t i o n c r a c k i n ga n dg u a r a n t e e i n gt h es u c c e s so fr e h a b i l i t a t ，i n c l u d i n gt h ee v a l u a t i o no f p a v e m e n ts t r u c t u r ep e r f o r m a n c ea n di t ss e r v i c e a b i l i t y t h ef o r m e re v a l u a t i o n r e l a t i v e l y c u r v e ds u b s i d e n c ed i f f e r e n c ea si t si n d e x t h el a t t e re v a l u a t i o nu s e s p a v e m e n td a m a g er a t i op c i ，r o a dq u a l i t yi n d e xr q i ，s l i p p e r y r e s i s t a n c eb p n a n d s f ca st h ei n d e x e so fe v a l u a t i o n ( 2 ) t h ea s p h a l to v e r l a yd e s i g ni n r e h a b i l i t a t i o no fo l dc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n a s p h a l to v e r l a yd e s i g nn o to n l yi n v o l v e st h ed i s t r e s s 、s t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c 、 t r a f f i ca n de n v i r o n m e n to ft h eo l dp a v e m e n t ，b u ta l s or e q u i t e sr e a s o n a b l e m e c h a n i c sm o d e l ，c o r r e c tm a t e r i a lp a r a m e t e r ，e f f e c t i v em e a s u e ro fp r e v e n t i n g r e f l e c t i o nc r a c k i n g ，a n ds oo n s ot h e r ei ss t i l ln o tam a t u r e dd e s i g nm e t h o du pt o n o w t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss e v e r a lr e l a t i v e l ym a t u r e dd e s i g nm e t h o d sa n dp u t s f o r w a r ds o m ep r o b l e m sw h i c hr e q u i r em o r es t u d y ( 3 ) t h ep r e v e n t i o na n dc o n t o r lo f r e f l e c t i o nc r a k i n g i na d d i t i o nt ol o a da n dt e m p e r a t u r e ，t h es t r u c t u r eo fr o a ds u r f a c ea l s oh a sa l l i m p a c to nr e f l e c t i v ec r a c k s t h e r ea r ep r i m a r yk i n d so f m e a s u r e so fr e f l e c t i v e c r a c k i n gr e s i s t a n c ea tp r e s e n t ：i m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tc o n c r e t e 5 o v e r l a y 、d e a l i n g w i t ht h eo l dc o n c r e t er o a df r o n t p a n e la n ds e tm i d d l el a y e ro f s t r e s s e l i m i n a t i n g ，w h i c hi n c l u d ei nd e t a i lt h ei n c r e m e n to ft h ea s p h a l to v e r l a y 。s t h i c k n e s s 、a p p l i c a t i o no fm o d i f i e da s p h a l ta n dr e i n f o r c e dm a t e r i a l s 、s e a l i n ga n d f i l l i n gt h es t a b l ec r a c k s 、b r e a k i n ga n ds t a b i l i z i n gt h eo l dc o n c r e t ep a v e m e n t ， a p p l i c a t i o no fs a m ia n dg e o t e c h n i cf a b r i c 、a p p l i c a t i o no fg e o t e c h n i cm e s ha n d d i s c o n t i n u o u sb o n d i n gl a y e re t c ( 4 ) s t r e s s a n a l y s i so fa s p h a l to v e r l a yo nt h eo l dc e m e n t co n c r e t ep a v e m e n tw i t h t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sd e s c r i b e di nt h i sp a p e r k e y w or d ：“w h i t ea n d b l a c k ”r e b u i l d i n g ，r e f l e c t i v ec r a c k s ，r o a dc o n d i t i o n s i n v e s t i g a t i o n ，a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n td e s i g nm e t h o d ，t h r e ed i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 6 表格清单 接缝传荷能力分级标准8 路面破坏状况等级评定标准1o 路面行驶质量等级评价标准l l 路面杭滑性能评价标准1 1 水泥混凝土路面上沥青罩面层设计1 8 路面结构几何尺寸和材料特性参数2 5 水泥混凝土模量对罩面层荷载应力的影响2 5 水泥混凝土板厚对罩面层荷载应力的影响表2 6 水泥混凝土板长度对罩面层荷载应力的影响2 6 水泥板接缝宽度对罩面层荷载应力的影响表2 7 基础模量对罩面层荷载应力的影响2 7 基础脱空范围对罩面层应力的影响2 9 反射裂缝影响因素分析表3 3 集料的级配范围5 5 1 乏3 4 l l 2 3 4 5 6 7 l 1 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 2 2 2 2 3 4 4 4 4 4 4 4 5 6 表表表表表表表表表表表表表表 插图清单 图2 1 贝克里梁与落锤式弯沉仪检侧结果对比曲线8 图3 1 接缝的旧水泥混凝土路面的弯沉标准”1 8 图4 1 三维的路面有限圆模型2 4 图4 2 荷载作用位置示意图2 4 图5 1 裂缝产生机理o o ou o o 3 3 图5 2 裂纹三种基本类型3 4 图6 1 乳化沥青水泥稳定碎石无侧限抗压强度5 0 图6 2 乳化沥青水泥稳定碎石劈裂强度5 1 图6 36 0 天抗压回弹模量5 2 图6 4 抗压回弹模量水泥计量4 o 5 2 图6 5 干缩裂缝5 3 图6 6 平均干缩系数比较5 3 1 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知。除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字等够 签字日期冬f 月冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解合肥工业大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权合肥工业 大学可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者魏等拓 签字日期y 哂年了月日 导师签名： 稗醐游朋7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：境 毖遗辽l 昭多脯l 气话：汐铲，一f ? 歹97 通讯地址大c 钥专弋毛7 9 可 邮编：、 p 口州 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师王国体教授表示最诚挚的感 谢。本人在硕士研究生学习期间，导师王国体教授给予了我无微不 至的关怀和毫无保留悉心指导。导师渊博的学识、严谨的治学态度、 精益求精的敬业精神和诲人不倦的育人情怀，使我受益匪浅。本文 是在王教授的悉心指导下完成的，他在繁忙的工作之余，抽出宝贵 的时间对论文的撰写提出指导意见。从论文的选题、撰写直到定稿， 王教授给予了我极大的关心和帮助。在此，由衷感谢王教授在论文 撰写上的大力支持和指导。 同时还要感谢我的家人和朋友在我学习期间给予我的关心，谢谢 他们在我最关键的时候给予我极大的鼓励和支持。 作者：朱劫 2 0 0 8 年3 月 第一章绪论 1 1 课题研究的工程背景及意义 近年来，随着国民经济的迅速发展，水泥混凝土路面由于其强度高、刚度 大、扩散荷载能力强、稳定性好、抗磨耗能力强等优点，在我国道路网构成中 占有较大比重。然而，其缺点也是明显的：路面有较多的纵、横缝，行车舒适性 差；因为纵横缝较多，灌缝难度大，效果差，水分易于渗入，从而损坏基层，及 至损坏面层；路面损坏后修复难度大。一些早期修建的水泥混凝土路面大都到了 或接近其使用年限，以至于出现结构性破坏或功能性缺陷，严重影响了公路使 用质量，使得养护工作越来越重，养护费用逐年增加。另外，现阶段随着公路 交通量日益增加，轴载日益重载化，使得近期修建的水泥混凝土路面在通车后 不到几年或更短时间出现了不同程度的磨光老化、板块破损断裂、局部沉降、 接缝破坏或因局部开挖后回填修补强度不足造成破损等各种病害，导致旧混凝 土路面行车舒适性差，车速难以提高。因此，大量早期和近期修建的水泥混凝 土路面都将面临艰巨的翻修改建的任务。 1 2 国内外旧路改造研究概况以及存在问题 与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难，通常可采用的大修措 施有三种g 清除重铺法：清除原有水泥混凝土面板，重新铺筑上基层和路面，又称翻 修； 加铺新水泥混凝土面层( 白加白工艺) ； 加铺沥青混凝土面层。( 白加黑工艺) 。 破除原有水泥混凝土面板，重新铺筑新面层，是最有效、最彻底的解决方 法，问题是约6 0 0 0 立方米公里水泥混凝土废料的处理难度较大，且施工时间 长，施工过程中产生大量的尘土和噪音，施工和养护过程中必须长时间封闭交 通，对交通和环境的影响非常大，在城市道路中几乎无法实现，而且总成本很 高。一般只用于旧水泥混凝土路面面板严重破碎、脱空、错台以及判定基层存 在大量病害，无法加罩沥青混凝土面层或新水泥混凝土面层的情况下。 加铺新水泥混凝土面层的养生期长达2 8 天，极大地妨碍了正常的交通通 行能力，难以应用于交通繁忙的路段。新水泥混凝土面层的厚度一般不能低于 2 0 c m ，其造价远远高于沥青罩面层。一旦产生病害，养护维修较沥青路面难。 在水泥混凝土路面上采用白加黑工艺已经很普遍，而且是路面改建的首选 方案，这种措施与加铺新面层相比，工期短，施工简单方便，能有效地改善旧 水泥混凝土路面的使用性能，而且造价低廉，对交通和环境的影响较小。按照 现行水泥混凝土路面评价方法，路况等级为差级时，用沥青罩面是较好的方法 之一1 1 1 。 因此，采用白加黑工艺进行老路面改造具有以下几方面突出的特性： 由于下层是强度高的水泥混凝土板，提高了沥青路面结构的刚度，可以 承受重交通的作用而减少车辙。 显著改善水泥混凝土特别是碾压混凝土路面的平整度，尤其是接缝处的 平整度，有利于提高行车速度、行车的舒适性和安全性。 在表面破损较严重但仍具有足够强度的旧水泥混凝土路面上铺筑一层高 质量面层的复合式路面不仅可恢复其使用功能并可显著地延长路面使用寿命： 可以大大降低水泥混凝土路面的噪声和扬尘，改善道路的环境状况。 所以采用白加黑工艺进行老路面改造能有效地改善1 日水泥路面的使用性 能，同时充分利用旧水泥路面，造价低，施工方便，且对交通、环境影响小， 因此在国内外旧水泥路面改造工程中应用最多心1 。但它比水泥混凝土罩面维修 要早，关键是处理反射裂缝的影响。 1 2 1 国内刚柔复合式路面的设计理论和方法 目前，我国的沥青路面设计规范对上述加铺层还没有明确的设计体系 和设计指标。近些年来，国内一些设计单位，根据工程需要并借鉴国外经验， 从不同角度开展了不同深度的研究工作。在上世纪8 0 年代末，同济大学最先开 始考虑加铺层的应力计算问题，此后，东南大学、西安公路学院、空军工程学 院也对此进行了一系列的研究，所用的方法有弹性层状体系理论、弹性地基板 理论、有限元和断裂力学等，取得一定成果。下面介绍几种典型的计算模型： 1 半解析分析 采用了平面( 二维) 的计算模型，认为加铺层的反射裂缝是由于车辆荷载主 拉应力或温度主拉应力超过材料的强度所致。偏荷载主拉应力是加铺层开裂的 主要原因。 2 三维等参元 采用了八节点三维等参元单元分析了含有接缝的旧水泥路面对沥青加铺层 应力状况的影响。通过界面上设置等参元和虚拟的轴力杆单元考虑接触条件变 化的影响。同时认为，按二维结构模型计算行车荷载作用下沥青层的应力状态 将产生严重失真：使用软夹层可有效地抑制反射裂缝。 3 三维有限元 考虑汽车荷载在路面上各种可能的作用位置，应用三维有限元对加铺层进 行了力学计算。分析了临界荷位与计算参数的影响规律，给出了相应的回归公 式。力学计算表明，行车荷载引起的剪切破坏是1 日砼路面上沥青加铺层产生反 射裂缝的主要原因，可以使用a c 层剪应力与板缝弯沉差控制。 2 1 2 2 国外刚柔复合式路面的设计理论及方法 对旧水泥混凝土路面的改造修复技术是从国外引进过来的，国外关于刚柔 复合式路面的设计理论及方法有如下几种： 1 、a r e ( a u s t i nr e s e a r e he n g i n e e r s ，美国汽车研究工程师协会) 1 9 7 7 年，美国汽车研究工程师协会提出一种静力平衡分析方法。该法认为， 在车辆荷载与温度荷载作用下，板接缝处会产生垂直相对位移与水平相对位移， 从而导致a c 层内产生较大的拉应力与剪应力，引发反射裂缝。设计控制指标为 板接缝上方a c 层底拉应变与剪应变，设计参数有蠕变模量、动态模量、热胀系 数、温度资料、板的几何参数等，通过实验得到沥青混合料的允许拉应变和允 许剪应变的疲劳方程聆，。 2 、a i ( a m e r i c a n i n s t i t u t e o f a s p h a l t ，美国地沥青学会) 法 a i 法是一种经验法，认为a c 层破坏的原因，是行车荷载引起两板间的竖向 弯沉差，在设计中温度影响予以忽略。它是通过相邻两块板的位移大小控制沥 青混合料加铺层的厚度，认为相邻板的位移( 沉降差) 大于3 m m ，就需要将板打碎 处理( 长安大学对此进行了研究，通过力学分析和试验认为，位移( 沉降差) 标 准可改为5 m m 。目前国内学术界对这个标准还存在一些不同的看法) 。 3 、a a s h t o ( 美国各州公路工作者协会) 法 a a s h t o 法设计方法通过“等效结构数 来确定加铺层厚度，具体内容 包括可行性研究、原混凝土板处理、防止反射裂缝措施和厚度计算等。尽管也 是一种经验法，但其适用性已被世界所公认，许多理论法的计算结果都与其进 行参照对比，简化公式也采用a a s h t o 法经验公式的形式。 4 、日本的t a ( j a p a nt r a n s p o r t a t i o na s s o e i a t i o n ) 法 日本的t a 法与a a s h t 0 法大同小异，仅仅是计算过程中换算媒介不同，以沥 青砼厚度作为换算中介，设计参数为远景交通量和原砼板结构状况。 5 、加利福尼亚大学分校的设计方法 该法由加利福尼亚大学的m o n i s m i t h 和c o t e z e e 提出，是在二维有限应力分 析的基础上控制反射裂缝的设计方法。先建立路面结构的有限元离散模型，然 后进行有限元计算，把加铺层的应力、应变与允许值进行对比，从而确定加铺 层厚度。主要设计参数为材料弹性参数、几何尺寸、荷载类型和设计荷载作用 次数等。它可作为一个具体的子系统加入到一个通用的加铺设计系统中，这个 方法有利于形成一个计算机程序。h 1 6 、c a p a 程序 设计过程由三阶段组成：a 评估旧结构：b 决定寿命选择：c 选择最合适的 加铺层。其基于野外测量、室内测试、理论性发展和数字化模拟，设计思想是 应用有限元方法，在固体力学基础上，采用断裂力学理论处理加筋沥青加铺层 问题。设计模型考虑如裂缝、接缝类的间断存在，还能预测：a 交通荷载、温度 下降和均匀的土壤运动的影响：b 裂缝在加铺层中的展开：c 道路结构的层问滑 动：d 加铺层底的加筋作用。 1 2 3 目前存在的主要问题 虽然国内外的研究人员对采用白加黑工艺进行老路面改造的研究主要集中 于反射裂缝问题的研究探索，但至今仍存在如下问题： 1 、有关旧水泥混凝土路面状况评定的研究工作，国外开展的较早，如美国、 加拿大、日本等国，对水泥混凝土路面状况评定的标准和方法进行了大量的研 究工作，并己建立了一些实用方法和标准。但所有这些方法都是基于他们本国 的路面状况和有关工程师及使用者的意见，因而都有相当大的局限性。 2 、对于旧板存在一定的脱空，以及板之间有微小台阶情况下的沥青面层损 坏问题，在现有的设计理论模型上无法反映出来。反射裂缝是由于旧混凝土面 层在接缝或裂缝附近过大的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集 中所造成的，接缝或裂缝处的位移与旧水泥混凝土路面的使用状况有关。对于 临近接缝一定范围内的沥青砼破坏问题，仅以其拉应力或剪应力是否超标来分 析也难以说明问题。 3 、国内道路工程界对于沥青路面的开裂机理、破坏模式、沥青混合料的抗 裂性能与参数、沥青路面的温度收缩效应以及抗裂措施等方面进行了大量的研 究，对于改善沥青路面的开裂问题起到了积极作用，但对温度型和荷载型反射 裂缝的力学分析还缺乏系统性，对各种防反措施的对比也缺乏试验路研究，这 些问题都有待于进一步探讨。 4 、评价防治措施的试验方法问题。虽然国内外的研究人员都进行了大量的 试验研究，但几乎所有的试验都模拟正荷载、温度以及两者的综合效应对反射 裂缝的影响。没有涉及到偏荷载对产生反射裂缝的影响，更没有试验模拟温度 应力和偏荷载对产生反射裂缝的综合效应。同时，多数室内试验的规模较小， 未能很好的模拟板体的横向传递荷载的效应，进行模拟板体效应的足尺试验是 非常必要的。 5 、基于反射裂缝的旧混凝土路面评价方法问题。尽管此问题十分重要，但 直到最近几年才为人们所重视，至今仍未见国外这方面的报道。国内同济大学 孙立军对此问题进行了研究，并给出了评价标准，但其标准至今未得到试验路 的观测结果验证。然而此问题直接关系到罩面前对1 日路的处理、防反措施的选 择、罩面层的使用性能等问题，因此，进行基于反射裂缝的旧路面损坏状况的 评价方法的研究是非常必要的。 6 、反射裂缝的产生机理、产生时机问题。反射裂缝产生机理难于确定，温 度应力和荷载应力是造成反射裂缝的主要原因，但其相对重要性是随气候条件、 材料状况、交通状况以及旧路面的损坏状况等的不同而不同的。对于反射裂缝 4 最容易产生的季节问题，仍没有做详细地研究。 因此白加黑工艺进行老路面改造设计方法问题由于存在着上述各方面的难 题，因此至今未形成较为成熟的设计方法。 1 3 本文研究的意义与内容 本文在调查了解国内外许多旧路改造工程实践的基础上，依托铜陵市s 3 2 0 白杨坡至西湖段路面恢复工程的改造工程实践，对1 日水泥混凝土路面沥青罩面 改造工程进行了分析和研究，主要研究的内容有： i 、原有路面结构性能的评估 在白加黑工艺进行老路面改造之前对旧水泥混凝土路面的损坏情况和结构 状况进行正确的评价是解决反射裂缝和保证加罩成功至关重要的一环，其前提 就是要了解旧水泥混凝土路面的结构特性对沥青罩面层中的应力和反射裂缝的 影响。本文第四章拟利用三维有限元分析旧水泥混凝土路面结构特性对沥青罩 面结构的荷载应力状况的影响，在第二章对各种病害进行了详细的分析，并提 出处理措施。 2 、在白加黑工艺进行老路面改造中沥青罩面层的设计 7 旧路改造的罩面设计方法不仅涉及旧路面的损坏、结构状况、交通状况、 环境因素，而且还需要合适的力学分析模型、正确的材料参数、有效的防治反 射裂缝的措施等，内容广泛、复杂多变，由此也不难理解至今未有成熟设计方 法的原因。没有系统的研究是难以形成好的设计方法。本文第三章拟对介绍了 目前相对成熟的几种罩面设计体系，并加以评析，提出今后尚需研究的问题， 为促进我国对考虑反射裂缝的旧水泥混凝土路面上沥青罩面设计方法的研究提 供参考。 3 、反射裂缝的防治与控制 通过对反射裂缝的产生机理进行详细分析，了解和掌握影响反射裂缝的各 种因素，并据此采取有效的防止反射裂缝措施。 4 、工程实践分析，依托铜陵市$ 3 2 0 白杨坡至西湖段路面恢复工程的改造 工程实践分析实际过程中解决施工中各种难点问题。 5 第二章原有路面状况调查与检测及病害处理方法 为了延长沥青罩面层的使用寿命、消除或减少反射裂缝的出现，国内外的 许多道路工作者致力于防止或延缓反射裂缝的试验研究和理论分析。但这些野 外试验取得的许多材料性能方面的成果常出现互相矛盾的结果。而这些矛盾又 主要缘于旧路面的类型、状况、所处的环境状况和试验时各种措施的不同铺设 方式，在铺筑补强的沥青加铺层之前，没有采用相同的方法对旧水泥混凝土路 面状况进行详细地现场调查和统一的评价。因此对原有路面况的调查与检测， 是科学进行道路路面养护决策、提出正确的养护时间和养护方案的重要依据【5 】。 只有投入比新建设计更多的精力和财力进行细致的调查和测定以及详尽的分析 工作来把情况摸清和分析透彻，才能设计出经济合理、技术可行的改建方案。 2 1 旧水泥混凝土路面使用状况调查目的 现行旧混凝土路面状况评定方法是通过工程技术人员对路面结构的完整性 和表面功能进行全面目测调查研究，详细记录各种损坏类型，损坏程度和损坏 数量，综合分析其对路面使用性能的影响，并经过折算系数，统一为“较大损 坏的结构性损坏板百分数 来分级的。检测手段是目测法，因而受主观影响较 大，基本上不能从本质上对路面的结构性能进行评价，。 为了全面真实地评价旧混凝土，水泥混凝土路面使用状况评价应分为两部 分：使用性能和结构性能。路面使用性能强调的是行车舒适性和安全性，注重表 面功能，采用的是服务能力指标：同时，路面使用性能评价着重道路的使用功能， 即行驶车辆或乘客对道路使用功能的满意程度，从这个意义上讲，路面使用性 能是针对道路使用者而言的。而路面结构性能评价则强调结构承载能力和结构 的受力状况，采用受力分析评价，这方面是道路工程师们所关心的。 对路面进行使用性能和结构性能的评价是相互补充，而不是相互代替的关 系。只有综合两方面评价，才能对路面整体性能做出真实的评估，对一个路段 来说，有时尽管现时使用性能指标较好；但由于承载能力过低会造成将来使用性 能的迅速下降。当使用性能指标低于可接受的标准时，必须进行结构评价。如 果路面结构承载能力满足要求，则仅需要进行加铺表面功能层，如果路面结构 己经衰减，则需重建或者进行旧路补强。具体决策只有对路面使用状况评定之 后才能做出选择路面结构性能评定主要是评定结构承载能力。评价的目的是了 解路面的物理或结构状况，判断路面结构的损坏程度及其损坏发展的速度，评 定它对当前和今后使用要求( 承载能力和使用寿命) 的适应程度，从而合理地评 定路面等级，以便确定需采取修复措施的路段和方案，制定养护政策和编制养 护计划，并为罩面改造设计提供依据和资料。水泥混凝土路面结构评价的技术 6 指标有：整体弯沉、接缝传荷系数和地基弹性模量。使用性能评价的指标有：平 整度、路面破损率、构造深度等。根据现代检测技术的发展，从整体评价角度， 提出评价路面的五项指标： 地基弹性模量：接缝两侧挠度传荷系数：路面表面破损：路面 抗滑：平整度。 以上分类既不是从破损机理也非从损坏形状考虑，而是从资料检测、用途 和路面整体性能评价等因素出发的。其中，以路面整体弯沉求出的地基弹性模 量用于评价路面的结构承载能力：路面接缝两侧相对弯沉差用于评价道路接缝 的传荷能力：路面表面破损既包括结构性损坏类型，也包括功能性损坏类型，这 一指标用于判断道路是否需要表处或罩面：平整度用于评价道路的行驶质量：路 面抗滑用于评价道路的行驶安全性。 现行公路水泥混凝土路面设计规范规定，在进行旧水泥混凝土路面加 铺层设计之前，应调查以下内容n 】， 公路修建和养护技术资料：路面结构和材料组成、接缝构造及养护历史 等： 路面损坏状况：损坏类型、轻重程度、范围及修补措施等： j 路面结构强度：路表弯沉、接缝传荷能力、板底脱空状况、面层厚度和混 凝土强度： 已承受的交通荷载及预计的交通需求：交通量、轴载组成及增长率等： 环境条件：沿线气候条件、地下水位以及路基和路面的排水状况等 2 2 路面结构性能评定 2 2 1 弯沉测定及结果分析 路面表面在荷载作用下的弯沉值和弯沉曲线，反映了路面结构的承载能力。 弯沉测试是一项无破损试验，具有测点数量多，对交通干扰少的优点。弯沉和 弯沉盆测定结果可以用于估算路基和路面各结构层的模量值、评价路面结构的 承载能力或剩余寿命、分析水泥混凝土路面接缝的传荷能力及检查水泥混凝土 路面板的脱空情况。 常用的弯沉测定仪可分为静态弯沉仪( 即贝克曼梁) 、自动弯沉仪、稳态( 正 弦式) 动弯沉仪、脉冲弯沉仪( 落锤式弯沉仪) 等四类。 水泥混凝土路面的整体刚度大，弯沉量小，弯沉曲线曲率半径大。落锤式弯沉 仪( f w d ) 产生的脉冲力可较好地模拟行车荷载对路面的作用，方便地测定弯沉 曲线，并进行多级加载测试，具有测试速度快、精度高的优点，是进行混凝土 路面弯沉量测的较为理想的设备。传统的贝克曼梁式弯沉仪，由于支点多落在 弯沉盆内而使测试精度难以得到保证，同时，一架仪器仅能进行一个测点的测 定，无法获得弯沉曲线数据。因而，应用梁式弯沉仪时，须采用加长杆以增大 7 支点与测点间的距离，并将弯沉仪的支点放在测定板外。图2 1 是贝克里梁与落 锤式弯沉仪检侧结果的比较曲线，从图上可以看出，两条曲线拟合度较高。 艟瓦鼍赧 肺贼熙一 彳心庐 p 一飞 一 1234567 8 91 01 11 2 桩号 图2 1 贝克曼梁与落锤式弯沉仪检测结果对比曲线 2 2 2 接缝传荷能力和板底脱空状况调查评定。 测定接缝传荷能力的试验荷载应接近于标准轴载的一侧轮载( 5 0 k n ) 。将 荷载施加在邻近接缝的路面表面，实测接缝两侧边缘的弯沉值。按式( 2 - 1 ) 计算 接缝的传荷系数。 k j 2 d 2 d l 式中：k j 一接缝传荷系数； d l 一未受荷板接缝边缘处的弯沉值； d 2 一受荷板接缝边缘处的弯沉值。 为了避免温度和温度梯度对量测结果的影响，接缝传荷能力的测定应选择 在接缝缝隙张开而板角未出现向上翘曲变形的时刻，板角弯沉测定应选择在白 天正温度梯度的时刻，而板中弯沉的测定则应选择在出现负温度梯度或正温度 梯度很小的夜间至清晨时段进行。旧混凝土面层的接缝传荷能力分为4 个等级， 分级标准见表2 1 表2 1 接缝传荷能力分级标准 等级优良中次差 接缝传荷系数：k j ( ) )8 0 5 6 - - , 8 03 l 5 5 3 l 由唧泥引起的板底脱空，使板角隅和边缘失去部分支撑，在行车荷载作用 下将产生较大的弯沉和应力，最终导致加铺层损坏。板底脱空状况的评定比较 复杂，目前国内外还没有一个公认的可行方法。现行规范建议在板角隅处应用 f w d 仪进行多级荷载作用下的弯沉测试，利用测定结果，点绘出荷载一弯沉关系 曲线。当关系曲线的后延线与坐标线的相截点偏离坐标原点时，板底便可能存 在脱空。这种评定板底脱空状况的方法，虽已在部分实体工程中得到良好的作 用，但也仅是近似的估计。实际评定时还应结合雨后观察唧泥现象、边缘和角 3 为 一g一鼍畦参 隅处锤击听音等经验方法加以综合判断。 2 2 3 评价指标的选用 接缝是水泥混凝土路面最薄弱的部位，混凝土路面的绝大多数损坏都发生 在接缝附近。对于加铺层设计而言，旧面层接缝( 或裂缝) 处的弯沉值大小和弯 沉差是引起加铺层出现反射裂缝的主要原因。如美国沥青协会( a i ) 就以接缝( 或 裂缝) 处的板边平均弯沉量和弯沉差作为沥青混凝土加铺层设计的控制指标。 而且，接缝传荷能力和板底脱空状况的评定也依据旧面层接缝( 或裂缝) 处的弯 沉量和弯沉差。在工程实践中人们总结和发现了如下规律： 水泥混凝土路面接裂缝两侧处板的绝对回弹弯沉值都较小、相对回弹弯 沉值也比较小时，板块比较稳定，沥青加铺层中荷载型反射裂缝发生和扩展的 可能性比较小： 水泥混凝土路面接裂缝两侧板的绝对回弹弯沉值相对比较大、而相对回 弹弯沉值比较小时，沥青加铺层中弯拉型反射裂缝产生和扩展的可能性比较大： 在水泥混凝土路面接裂缝处两侧板的相对回弹弯沉值比较大时，沥青加 铺层中剪切型反射裂缝产生和扩展的可能性比较大：此时，若接裂缝两侧板的绝 对回弹弯沉值相对比较小。则沥青加铺展中剪切型反射裂缝产生和扩展的速 度相对比较小：若接裂缝两侧板的绝对回弹弯沉值相对比较大，则沥青加铺层 中剪切型反射裂缝产生和扩展的速度相对比较大。 可见，采用绝对回弹弯沉值和相对回弹弯沉值可以比较清楚地反映出旧水 泥混凝土路面结构状况对沥青加铺层中荷载型反射裂缝产生和扩展可能性的影 响。比较而言，表征相对位移的相对回弹弯沉值的影响性更大。 水泥混凝土路面接裂缝两侧板的回弹弯沉值我国目前大多采用贝克曼粱式 弯沉仪测定得出。选用5 4 m 贝克曼梁式弯沉仪，由汽车后轮轴载i o o k n 的标准轴 载进行量测，汽车后轮接地点中心靠近相邻两块板横缝边缘，且沿前进方向左 后轮靠近板的向缝附近，贝克曼梁的测头端置于两轮间靠近横缝的边缘。沿着 行车方向，左后轮所测为板角弯沉，右后轮所测为板边弯沉。 水泥混凝土路面接裂缝两侧板上的竖向相对位移量( d ) 的计算如下： d = d i - - d z ( 2 2 ) 式中，d 。一受荷板的回弹弯沉值( m m ) ； d 。一相邻未受荷板的回弹弯沉值( m m ) 。 由加载板的绝对弯沉值大小和接裂缝两侧板的相对弯沉的绝对值a d 评定 1 日水混凝土路面结构水平向的连续性和垂直向的行车稳定性对其上沥青加铺展 中荷载型反射裂缝产生和扩展的影响，其理论分析清晰合理，实际操作简单可 行。 根据有关资料，提出参考对比数值如下： 9 a ) d l 、d 2 2 4 ( 1 1 0 0 r a m ) ，d 7 2 4 ( 1 1 0 0 m m ) ，ad 6 ( 1 1 0 0 r a m ) 时， 缝产生和扩展的可能性比较大； 板块比较稳定，沥青加铺层 沥青加铺层中弯拉型反射裂 c ) ad 6 ( 1 1 0 0 r a m ) 时，沥青加铺层中剪切型反射裂缝产生和扩展的可能 性比较大，此时，若2 4 ( 1 1 0 0 m m ) d - 或d z 3 2 ( 1 1 0 0 r a m ) ，则沥青 加铺层中剪切型反射裂缝产生和扩展的速度相对比较大。 2 3 路面使用性能评定指标 根据分类，路面使用性能包括破损、平整度和摩擦系数三大指标。 2 3 1 路面破损 路面破损主要表现为裂缝类、松散类、变形和其它等4 种类型，其评价模型 比较成熟，它反映路面结构的完整性，采用的评价指标有综合和分项指标两种， 综合指标是指破损的总体状况。例如，c m p s 和美国空军采用了路况p c i 指数分 项指标作为病害评价指标： p c i = 1 0 0 1 5 d r u z( 2 3 ) 式中：p c i 一路面状况指数； d r 一路面综合破损率；d r = d u k u a 其中：d i j i 类损坏，j 类严重程度的实际破损面积( 纵裂横裂接长度2 m 计， 其它按实测面积计) ； k i j i 类损坏，j 类严重损坏的换算系数； a 一路段的路面总面积( m 2 ) s l 表2 2 路面破坏状况等级评定标准 等级优良良中次差 p c i8 57 0 p c i 8 55 5 p c i 6 94 0 p c i 5 4p c i 4 0 2 3 2 路面行驶质量评定 路面的平整与车辆对道路使用功能的满意程度密切相关，同时它也是决定 是否需用调平层的重要依据，因此引用了平整度评价指标。按照我国的评价体 系，在统一平整度指标i r i 的基础上，采用行驶质量指数r q i 作为评价指标【9 1 ， 其关系为： r qi = 1 0 1 5 0 75i ri【2 - 4 ) 式中：r q i 一路面行驶质量指数，数值范围在0 1 0 ； l o i r i 一国际平整度指数，与平整度标准差的关系为o = o 6i r i 表2 3 路面行驶质量等级评价标准 等级优良良中次差 r qi 8 58 4 7 o6 9 4 54 4 2 o 2 2 3 3 路面抗滑能力评定 路面的抗滑性能是保证车辆行驶安全的重要指标。路面的抗滑性能由路面 的两种表面构造提供，即微观构造和宏观构造。微观构造指集料表面的纹理或 粗糙度，是路面抗滑力的基本保证，在路面无积水时或积水较少、车辆行驶速 度较低时起决定作用。宏观构造是路面集料之间形成的宏观粗糙纹理，其主要 作用在于迅速排除轮胎与路面界面的积水，增大轮胎的附着力，使微观构造所