（道路与铁道工程专业论文）半刚性基层沥青路面反射裂缝防治措施对比研究.pdf

摘要 摘要 为了获得较高的承载能力及减小沥青面层厚度，我国高等级公路多采川：t - h i 性基层。! - 刚性基层在养生及使用过程中，容易产生干缩和温缩裂缝。在行j ! 荷载及温度应力的作刚f ， 裂缝尖端的应力、麻变高度集中，从而形成反射裂缝。反射裂缝不仅降低了路面强度，而且 提供了两水进入路面的通道，造成面层局部破碎、层底脱空、唧浆等病害。反射裂缝己成为 影响我国高等级公路沥青路面使蚪】寿命的主要病害2 一。 近年米，国内外学者对反射裂缝进行了广泛研究，提出了很多防治方法和措施，但是这 些研究通常较为分散对于不同措施的防裂效果及适用条件缺乏系统的比较，给：f ：样中防裂 措施的选抒带米斟惑。因此，有必要对常川的反射裂缝防治措施进行系统地、综合地研究， 对比分析不同措施的防裂效果及其适川条件，以便在实体工稃中更好的选择防裂措施。 研究的防裂措施主要有：住沥青混合料中掺加聚酯纤维、波苴十1 布夹层、玻纤格栅 夹层、s a m i 庶力吸收层( s t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e r , 简称s a m i ) 和沥青碎石 ( a m ) 联结层。通过力学分析、室内模拟试验和试验路三种方式进行研究。通过力学计算 分析了基层产生裂缝后，在车辆荷载和温度应力作_ i _ | f 裂缝顶端的应力应变情况。室内试验 进行了澌青混合料低温弯曲试验以评价不同澌青汽合料的低温抗裂能力，进行了切口小粱的 疲劳试验研究不同措施的防裂效果。最后铺筑了试验路，通过艮期的试验路观测对比不同措 施的防裂效果。 通过力学分析、室内试验和试验路铺筑，主要结论有：在面层混合料中掺加聚酯纤维通 过提高面层的抗裂性能来减少反射裂缝；玻璃纤维格栅依靠自身的高模量和高强度，起到加 筋作用；十 ：织物通过隔离作用达到防裂效果：s a m i 应力吸收层通过吸收裂缝尖端应变集 中，防i l 面层开裂；沥青碎石层通过隔离作用防治反射裂缝。几种措施的防裂效果比较：掺 加聚酯纤维羽i 设置沥青碎石优于s a m i 层，s m a i 层优于玻璃纤维格栅和土工织物。试验表 明：最人公称粒径小，粗集料嵌挤情况好，沥青和细集料用量高的澌青混合料具有较好的低 温抗裂性能羽i 抗疲劳开裂性能。疲劳试验表明：可以删初始累积耗散能或累积耗散能来表征 试件的抗疲劳开裂能力，以“简化能量耗散率”为指标分析疲劳试验结果具有一定的合理性。 预切缝对减少反射裂缝意义不人。 关键词：反射裂缝防瀹：聚酯纤维：十r 布；玻纤格栅：澌青碎t hs a m i 夹层 a b s t r a c t a b s t r a c t i no u rc o u n t r y , t og e ts t r o n g e rb a s ea n dr e d u c et h et h i c k n e s so fh m a l a y e r s ，s e m i r i g i db a s ei s w i d e l yu s e di l rh i g h w a y si nt i m eo f m a i n t e n a n c ea n dw o r k i n g ，s e m i r i g i db a s em a yc r a c kd u et o t h e r m a ls h r i n k a g ea n dd r y i n gs h r i n k a g e t h e n ，w h e nt r a f f i cl o a d s p a s st h ef r a c t u r e so rp a v e m e n t t e m p e r a t u r er e d u c e s ，s t r a i na n ds t r e s sa r ev e r y h i g hi nh m al a y e rn e a rt h e s ef r a c t u r e se v e n t u a l l y , c r a c k sw i l li n i t i a t ea tt h eb o t t o mo ft h eh m al a y e ra n dt h e np r o p a g a t et ot h es u r f a c ew ec a l lt h i s k i n do f c r a c k sr e f l e c t i o nc r a c k s r e f l e c t i o nc r a c k i n gn o to n l yr e d u c e st h es o u n d n e s so f p a v e m e n t ， b u ta l s om a k e sw a t e re n t e ri n t op a v e m e n te a s i l y e v e n t u a l l y ，l o c a ld i s t r e s sw i l lo c c u ri np a v e m e n t r e f l e c t i o nc r a c k i n gh a sb e e no n eo f t h em a i nd i s t r e s s e so f0 1 1 rc o u n t r y sp a v e m e n t s ， r e f l e c t i o nc r a c k i n gh a sb e e ns t u d i e df o rd e c a d e s ，b u tm o s to ft h es t u d i e sa r es e p a r a t e1 a c k i n g c o l l i g a t i o na n dg e n e r a lc o m p a r i s o n i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h er e f l e c t i o nc r a c k i n gp r e v e n t i v e m e a s u r e ss y s t e m i c a l l ya n dc o m p o s i t i v e l yt h er e a s o n so f r e f l e c t i o nc r a c k i n ga n dm e c h a n i s m si t s p r e v e n t i v em e a s u r e sa r es t u d i e d t h e n ，e f f e c t i v e n e s so f s e v e r a lr e f l e c t i o nc r a c k i n gp r e v e n t i v e m e a s u r e si se v a l u a t e df i n a l l y , t e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so fd i f f e r e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d f i v er e f l e c t i o nc r a c k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e sa r e s t u d i e d ：a d d i n gp o l y e s t e rf i b e r st oa s p h a l t m i x e s ，g e o f a b r i ci n t e r l a y e r , g l a s sf i b e r 鲥di n t e r l a y e r ，s t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e ra n d a s p h a l tt r e a t e db a s e t h r e em e a n sw e r eu s e di nt h i ss t u d y ：m e c h a n i c a la n a l y s i s m a t e r i a l e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i v ee x p e r i m e n t s ，e x p e r i m e n t a lr o a d s i nm e c h a n i c a ia n a l y s i s ，t h r e e d i m e n s i o n a ll i n e re l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t w od i m e n s i o n a le l a s t o v i s c o u sf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n df r a c t u r em e c h a n i c sw e r eu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i s m so fr e f l e c t i v ec r a c k i n ga n d t h em e c h a n i s m so f c r a c k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e s l o wt e m p e r a t u r eb e n d i n gb e a mt e s t so f s e v e r a lt y p e so fa s p h a l tm i x t u r e sw e r ed o n et oe v a l u a t ec r a c kr e s i s t a n c eo fd e f e r e n ta s p h a l t m i x t u r e s s i m u l a t i v ee x p e r i m e n t sw e r ed o n et oe v a l u a t et h ee f f e c t i v e n e s so fr e f l e c t i v ec r a c k i n g p r e v e n t i v em e a s u r e s f i n a l l y , e x p e r i m e n t a lr o a d sw e r ec o n s t r u c t e di no r d e rt o c o m p a r et h e e f f e c t i v e n e s so f d i f f e r e n tc r a c k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e st h r o u g hp a v e m e n t ss u r v e y s o m ec o n c l u s i o n sw e r ed r a w n ：a d d i n gp o l y e s t e rf i b e ri n t ob i t t u n i n o u sm i x t u r ec a ni m p r o v e m i x t u r e sc r a c k i n gr e s i s t a n c es u b s t a n t i a l l y g l a s sf i b e rg r i di n t e r l a y e rp r e v e n tr e f l e c t i v ec r a c k i n g t h r o u g ha b s o r b i n gs t r e s s ；g e o f a b r i ci n t e r l a y e rh a sp a r t i t i o nf l m c t i o n ；s a m lw h i c ha r et h i c ka n d h a sl o w e rm o d u l u sp r e v e n t sr e f l e c t i v ec r a c k i n gt h r o u g ha b s o r b i n gs t r a i n ；a s p h a l tt r e a t e db a s e p r e v e n t sr e f l e c t i v ec r a c k i n gt h r o u g hs e p a r a t i n gs u r f a c ea n ds e m i r i g i db a s e 、t h ee f f e c t i v e n e s so f d i f f e r e n tr e f l e c t i v ec r a c k i n gp r e v e n t i v em e a s u r e s ：a d d i n gp o l y e s t e rf i b e ra n da s p h a l tt r e a t e db a s e a r eb e t t e rt h a ns a m lw h i c ha r cb e t t e rt h a ng e o f a b r i ca n dg l a s sf i b e rg r i di n t e r l a y e r b i t u m i n o u s m i x t u r ew h i c hh a ss m a l ln o m i n a lm a x i n l u ms i z eo fa g g r e g a t e ，m o r eb i n d e ra n dm o r ef i n e a g g r e g a t eh a sb e t t e rl o wt e m p e r a t u r ep e r f o m a a n c ea n df a t i g u er e s i s t a n c e i ti ss h o w nt h a t “a c c u m u l a t i v ed i s s i p a t e de n e r g e ”c a nd eu s e dt oe v a h l a t er n i x t u r e s f a t i g u er e s i s t a n c e ，a n d “r e d u c e dd i s s i p a t e de n e r g er a t i o ”i sap r o p e rp a r a m e t e rt oa n a l y s ef a t i g u ee x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l y , t h ec o n s t r u c t i o ne x p e r i e n c e sa r es u m m a r i z e d k e y w o r d s ：r e f l e c t i v ec r a c k i n gp r e v e n t i o n ；p o l y e s t e rf i b e r ；g e o f a b r i c ；g l a s sf i b e rg r i d i n t e r l a y e r ；a s p h a l tt r e a t e db a s e ；s t r e s sa b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e r 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特f , t j j h 以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：哗日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生盐a = - w 名k ：、三霉摩导师签名： 礤茸 日期知川 笫一章绱沦 1 1 引言 第一章绪论 我国f 疗沥青路面的发展随着经济丰交通鹫的发腱依次经历了由低级到高级的发展过程。 甲 f f 】多为碎t i 路面：而后是在其上或在i i 灰稳定粒料上铺渣油表处形成的中低级浙青路面： 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着交通鼙的增加我国沥青路面形式开始采用质餐较优、较厚沥 青面层和较高强度的水泥、彳i 灰和粉煤灰稳定粒料( 土) 基层的j 刚性沥青路面，为了推r 1 这种路面结构，交通部分别于“七五”和“八五”期间列项重点研究，并取得了很多成果。 在此期间，我国修建的高速公路绝大多数采刚了半刚性沥青路面，这些路面大多采用较优质 的重交通沥青泄台料面层和较优质的半刚性基层，沥青面层厚度介丁9 2 3 c m 之问，半刚 性基层、底基层总厚度介于4 5 8 0 c m 之间。 半刚性基层，包括水泥稳定粒料类及_ 二灰稳定粒料类，这两类基层均具有较高的抗压强 度和抗压同弹模量值( 介于5 0 0 4 0 0 0 m p a ) 井具有一定的抗弯拉强度，因j t l t ：h i 性基层 沥青路面具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。另外，由于半剐性基层刚度大，使得其上 的沥青面层弯拉应力相对减少，从而提高了沥青面层抵抗行车的疲劳破坏能力。因此，半刚 性基层具有很好的力学性能、较好的扳体性及整体性，设计优良的半刚r 生基层能满足高等级 公路“足够的强度、适宜的刚度和耐久性、较小的变形”的技术要求。在当前平今后一段时 间内，半刚性基层沥青路面结构仍是高等级路面的主要结构彤式。 但半刚性基层也有其自身的缺点，半刚性材料容易在温度变化及水分散失时产生很人的 收缩变形，进而会形成基层的收缩裂缝。随着半刚性沥青路面的大量使抖j ，裂缝问题日益突 出，并已成为该结构的主要缺陷。半刚性基层上铺筑溉青面层后，在路面荷载和温度变化的 作l i j 下，基层的收缩裂缝会反射到沥青面层上。我国高等级公路的交通量大，重载多，反射 裂缝更为严重，对国内已建成的高速公路使_ 情况调查表明，不论南方还是北方，反射裂缝 通常在通乍一、两年后就开始山现，并且是导致高等级公路早期损坏的主要原因。 反射裂缝的产生，在很大程度上导致路面结构强度的削弱。例如，裂缝处的弯沉增人， 波传试验表明具有裂缝的半刚性基层的同弹模量明显降低。此外，裂缝提供了雨水进入路面 的通道，在行车荷载和雨水的作川r ，雨水r 渗软化士基，或滞留于层间，在行下荷载高速 作川r 产生极人的动水压力而冲刷基层，使基层丧火支撑力而导致溉青路面产生唧浆、裂缝 扩展、路面变形等病害，严重影响了道路的使性能。为此，路面反射裂缝问题己成为半刚 性基层沥青路面的主要病害，严重影响高等级公路的长jn j 使州性能。反射裂缝问题也已成为 我国公路建殴中迫叨需要研究解决的课题。 东南_ 人学碗十学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 研究方法 芙丁i 路面反射裂缝，白2 0 世纪3 0 年代以米世界各国的学者就开展了多方面的研究，包 括通过力学手段分析其产生和发展的成因，也有许多研究机构采用室内模拟试验或铺筑试验 路进行研究。 1 力学分析 近年来多采【| j 有限元法( 线弹性有限元法平粘弹性有限元法) 、断裂力学理论进行反射 裂缝的分析。 同济大学周富杰在其搏士论文中，对水泥路面沥青罩面的反射裂缝问题进行了系统研 究，采州三维有限元法和断裂力学理论，分析了沥青罩面的荷载应力及在荷载作川f 的应力 强度因子，提出了车辆荷载引起的反射裂缝的产生、发展机理 2 1 0 郑健龙关宏信等采用热粘弹性有限元理论，计算了在持续大幅降温条件下，开裂水泥 湿凝十路面上沥青罩面层内温度应力场，总结了降滠速度、降温幅度对罩面应力的影响，分 析了罩面反射裂缝产生的原因，同时探讨了土一l ：格栅的防裂效果1 3 1 。 孙雅珍，赵颖华采用粘弹性有限元法，建立温度场与荷载场耦合作用的三维有限元模型， 模拟半刚性路面的反射裂缝发展情况，计算了平均损伤因子和裂缝k 度的改变量随加载时间 拳l 变温的变化，模拟了裂缝的实际扩展情况，得到了不同加载时间 ij 不同变温情况的粘弹性 解 4 1 0 2 室内试验研究 关丁：反射裂缝的室内试验目前尚没有统一的试验方法和标准，大都是研究者自行研制的 试验仪器或对其它试验仪器重新开发利川。 如周富杰采川室内模拟板剪切疲劳试验，评价在剪切荷载作川r 特种金属网格的防治反 射裂缝效果( 水泥路面加铺层) ”1 。 武贤惠，张登良采用足尺疲劳试验，研究水泥路面加铺层拨缝两侧面板产生水平位移时， 聚酯纤维沥青混凝十平| l 玻璃纤维格栅的防裂机理，结果表明两种防裂措施可有效抑【l ：降温条 件r 反射裂缝的产生 s lo 其试验装置如幽所示： 一， 图卜1 疲劳试验台架 p 第一章绪论 3 试验路研究 关丁反射裂缝的试验路比较多，早在1 9 8 8 年我国就修筑了正定试验路，对比了不同措 施的抗裂能力。各地在新建公路和老路加铺中尝试采川各种防裂措施的r 程实例很多，由丁 交通、气候条件的差异，试验路的应川效果也有所不同，这里不再一一列举。 1 2 2 防裂措施 一股来说，防裂措施分为材料和结构两个方面。材料方面，主要是提高i f ：j j 青混合料的抗 裂性能，如采用改性沥青、s m a 、添加聚酯纤维、改进级配等。结构方面常用的方法有： 增加澌青面层厚度；采州土- i ：织物或格栅作为夹层：利川橡胶沥青等材料作应力吸收层：设 置人空隙率的防裂中间层等。 1 提高沥青混合料的性能 提高面层沥青混合料的抗裂性能也是一种从面层 身考虑的防裂方法。如采州改性沥 青、在混合料中采_ l | 添加剂( 聚酯纤维、术质素纤维等) 提高混合料性能、提高沥青用量、 改善集料的级配等。 文献 6 中，符冠华等人采川疲劳试验，研究了不司类型沥青混合料对1 日水泥路面水平 位移产生反射裂缝的抵抗能力，结果表明：s m a l 6 明显比a c 一1 6 的抗反射裂缝能力强，采 _ = | 改性沥青可以增强澌青混台料的抗反射裂缝能力。 张肖j 。等人通过模拟试验，对比不同沥青混合料对下辆荷载引起的反射裂缝的抵抗 能力，分析了骨料级配、沥青、矿粉、纤维等对沥青抗裂性能的影响，认为由沥青、矿粉、 纤维组成的胶浆在混合料中所占比例虽不人，但对路面抵抗反射裂缝的能力却起着十分重要 的作州，适当提高矿粉与沥青用量、在混合料中掺入适量的水质纤维或聚合物纤维可以提高 混合料抵抗反射裂缝的能力。 2 增加沥青面层的厚度 增加面层厚度是各国在选择反射裂缝防沂措施时首先考虑的因素。为了减少反射裂缝， 许多国家在采_ l _ j t - 日l j 性材料基层或贫混凝十基层( i 司样存在反射裂缝问题) 时，对沥青而层 的最小厚度做了规定“1 ，如卜表： 表1 - 1 国外半刚性基层( 或贫混凝土基层) 上沥青面层最小厚度或常用厚度 浙青面层厚度( c r i l ) 国家交通等级基层材料 最小常川 n 。( 2 0 l o ” 水泥稳定粒料 5 2 0 英国 n 。 2 0 1 0 6水泥稳定粒料 2 0 澳人利弧水泥处 f 7 5 1 2 前东德轻水泥处治6 东南大学顾：l ：学位论文 重水泥处瀹1 2 重水泥处汗7 1 5 西班牙 重贫混凝十8 n 。 1 0 贫混凝十1 5 t t s u n j n 。) 1 0 8贫混凝十 1 7| 法国 各种、p 剐性材料 6 l o 增加面层厚度的作用主要表现在增强分散荷载能力，减小由于车辆作刚引起的裂缝两 侧基层相对位移，改善面层受力；增加裂缝在面层内的延伸路径，推迟了反射裂缝贳穿面 层的时间；较厚的面层起到一定的保温作厢，减少基层温度变化以及由其产：生的裂缝两例 基层水平相对位移。 事实证明，增加面层厚度一定程度上可以延缓反射裂缝的产生，但要有效解决反射裂缝 问题，可能需要比现在厚得多的沥青面层，这显然是不经济的，也有背于半刚性路面“强基 薄面”的设计初衷。我囤高速公路普遍采州1 2 c m 1 8 c m 较厚的沥青面层，但仍然受到反射 裂缝的困扰，就说明了这一点。 文献 9 中，顾强康等人在自行研制的试验台架上对水泥路面沥青加铺层进行了疲劳试 验，模拟温度应力作用f 加铺层厚度对结构抗裂性能的影响，得山结论：当加铺层厚度小于 0 c m 时，随着厚度的增加，疲劳荷载作用次数明显增加，二者接近线性关系，加铺层厚度大 于1 0 c m 扁，疲劳寿命增加变得缓慢，人于1 5 c m 时，疲劳寿命增加就不明显了。 冈此，不能单纯依靠增厚面层米防治反射裂缝，必须结合其它防裂措施，才能在兼顾经 济性的同时取得良好防裂效果。 3 采用防裂夹层 ( 1 ) s a m i 应力吸收层 s a m i 是英文s t r e s s a b s o r b i n gm e m b r a n ei n t e r l a y e r 的简称一般译为应力吸收层，由橡 胶沥青或改性乳化沥青与细集料组成”】，厚度约1 0 c m ，置于沥青面层与小刚性基层之间， 如幽1 2 所示。 图1 _ 2s a m i 应力吸收层的布置 4 第一童绪论 应力吸收层在路面结构中起着一种软介层的作川，它能把裂缝处基层位移引起的应变泄 散在夹层内，有效地削弱基层裂缝处沥青面层的应力集中现象；同时能起到封层的作用，阻 止路表水渗入基层。 国p i 7 0 年代就开始了采川麻力吸收层防治反射裂缝的研究。1 9 7 5 年美国州级公路i 一4 0 在a r i z o n a l l p i n t a - m c c a r r o l 的两段水泥路面改造中，采删s a m i 应力吸收层防i l 反射裂缝， 加铺层结构为：s a m 层+ 3 ，2 c m 湖奇j 昆凝士( a c ) + t 3 c m 开级配磨耗层( o g f c ) 。经过 四年的使川，1 9 7 9 年调壳显示，约有2 0 的横向接缝处出现了反身于裂缝，但裂缝很小，平均 只有1 6 m m 。 1 9 7 9 年，美 m i n n e s o t a 、h 试验路，其中两段采_ l | s a m i 应力吸收层防裂，s a m i 层上加 铺层厚分别为38 e m i l l 2 0 c m 。1 9 8 4 年对试验路进行调查表明，s a m i 应力吸收层能有效防i i 反射裂缝的产生，k 3 8 c m 自l 铺层的防裂效果要明显妻r 于2o c m f 事d f l 铺层5 。 ( 2 ) 十i 类材料夹层 金属网格、+ ：【二织物、土：l 格栅等都曾被作为夹层材料，目前应用较多的是土工织物和i 土：r 格栅，原材料主要由聚丙稀、玻璃纤维、尼龙汞i 聚酯等，由于原材料的著异，力学性能 相差较大。 加拿_ 人多伦多市l e s t e rp e a r s o n 国际机场道面加铺时，采用玻纤格栅防l 反射裂缝，4 年后调查表明：道面反射裂缝减少了5 0 “”。1 9 7 3 年加拿大魁：比克州试验路上的无纺聚丙 稀十j ：= 织物层防裂效果却不明显。其加铺层厚度为5 c m ，使用四年后，出现了大量的反射裂 缝，可能与魁北克州冬季严寒的气候有关。 1 9 7 4 年，美国达可他州( d a k o t a ) 铺筑试验路，研究无纺聚丙稀_ 十j ：织物( n o n w o v e n p o l y p r o p y l e n ef a b r i c ) 防治反射裂缝的效果。认为无纺聚丙烯土：【：织物不仅能起到减少反射 裂缝的作j ；f j ，而且还能有效防止路表水r 渗。经过三年的使州，这种土工织物依然保持完好， 增设土 ：织物路段的反射裂缝宽度比不设十上织物的路段耍小的多 12 1 。 我国白八r 年代末开始研究此技术。哈尔滨建筑工程学院道路研究所丁1 9 9 3 年7 月 提出了塑料网格在柔性路面结构r 程中的应i l j 研究报告，报告对室内外试验进行了详细 阐述，并提出了施l f ：艺。长沙交通学院也对塑料格栅进行了室内研究，提山了士工格栅 对溉青路面抗车辙、抗开裂性能的试验研究初步报告。 黄岩等人通过室内试验评价了玻璃纤维格栅、土t 布、十一【：格栅等的夹层的防裂效果， 得到结论i l 工夹层材料对于由基层水平位移引起的张开型裂缝能起到较盘| 的防裂作用，而 且玻璃纤维格栅的防裂效果要大丁十i ：布、- 十1 格栅；但是，对丁_ 由基层竖向错位引起的剪 切型反射裂缝，织物夹层作州不明显1 3 1 。 1 9 9 9 年，青岛市香港路加铺改造中采j = j 聚酯无纺土t 布作为防裂措施，并与其他路段 进行对比，通车年斤采川十工布夹层的路段没有出现开裂，而没有采川十l ：布的路段不同 科度的出现反射裂缝1 4 1 。 ( 3 ) 铺设级配碎_ 冲间层、溉青碎i 冲问层 采j 级配碎i i 或洲青碎t 阱- 间层防裂，在国内外不少地区己7 i 使川。洲青障_ i 材料根据 密实度分为二种：密级配、开级雕及、_ 开级配。密实级配浙青碎t i ( 空隙率小ri o ) 采 东南大学硕上学位论文 州的集料最人公称粒径通常较大，又称为大粒径沥青碎石( l a 唱es t o n e a s p h a l t m i x t u r e ，简 称l s m ) ，其模量大、强度高，土要作为基层使用。作为防治反射裂缝中间层使刖的沥青碎 f i ，一般采州空隙率_ 人于1 0 的半开级配或开级配( a s p h a l tm a c a d a m ，我国规范简称a m ) ， 空隙率大，模量低，具有一定的吸收应力、应变的能力，裂缝在其内部发展缓慢。 加拿大冬季寒冷，魁北克省和安大略省的试验路结果表明，级配碎石中间层防j t 反射裂 缝非常有效；地处温暖地带的澳火利和南1 f 同样得到了这一结论“1 。2 0 0 0 年，吉林省长 春市至辽源市的一级公路上分别采删沥青碎年i 联结层和级配碎石联结层修筑试验路( 沥青面 层厚1 0 c m ) ，裂缝观测显示沥青碎钉防裂效果优丁级配碎石，级配碎行层裂缝率高，且裂缝 增加速度有随通车时间增长的趋势，局部还山现了面层疲劳产生的网裂“”。 江苏省沪1 j 。高速公路无锡试验段铺筑了级配碎石中间层试验路，使f ；l j 初； i j 观测表明反射 裂缝较少，但后期出现了一定程度的网裂。 1 2 3 综述 1 反射裂缝的力学分析多采用有限元法和断裂力学理论，采用力学分析可以考虑不同加 载条什、边界条件下裂缝尖端的应力、应变情况，对反射裂缝不同防裂措施的作用机理及防 治效果进行定量研究。但目前对反射裂缝的力学分析大都是针对水泥路面沥青加铺层进行研 究，对半刚性基层沥青路面的力学分析较少，由于结构类型、材料性质、边界条件等方面的 差异，两者反射裂缝产生原因以及防裂措施的作用效果不尽相同，有必要对、r 刚性路面反射 裂缝不同防裂措施深入研究。 2 室内试验汞i 试验路研究能更为直接的反映不同防裂措施的作用效果。由于缺乏统一的 试验方法和试验标准，不同的研究者得到的结论也往往不尽一致。试验路研究受不同地区交 通、气候条件的影响，相同的防裂措施往往表现山不同的防裂效果。 3 反射裂缝的防治措施比较多，但目前的研究比较分散、缺少综合，对一些措施的防裂 效果结论也不一致有必要对常j | j 的儿种防裂措施进行综台研究，对比分析不同措施的防裂 机理及防裂效果，便丁在实际l 。程中有针对性的选用。 1 3 论文研究的工程背景 力学分析干室内试验的基础上，结合汾浠高速公路和连徐高速公路二删连云港段试验路 进行研究。 汾浠高速公路平连徐高速公路二期连云港段位于# l ：苏省连云港市。汾灌高速公路是同江 至三弧国道主干线的组成部分，连徐高速公路是连云港至霍尔果斯国道主干线的组成部分， 都是江苏省重要的干线公路，交通量人，重载交通多。汾灌高速公路和1 连徐高速公路二期连 云港段全部位于平原微r 区，为戏向四车道高速公路，设计行下速度1 2 0 k 仉l 。 江苏省迮云港市何丁中国东部，濒临黄海，为典型的砸热带季风气候类型。迕云港属丁 夏炎热冬冷气候医，夏季匕月平均最高气温 3 0 ，夏季极端最高气温接近4 0 ，年极端 最低气温介丁2 1 5 9 0 之问；年降水量5 0 01 0 0 0 r a m ，为湿润气候，降水主要集中在 5 8 月。 6 第一章绪论 1 4 主要研究内容与技术路线 1 4 1 主要研究内容 1 l i t j l l 性基崖沥青路面反射裂缝不同防裂措施的作用原理； 2 不同措施防裂效果的力学对比分析； 3 不同措施防裂效果的模拟试验对比： 4 澌青混台料低温抗裂性能研究： 5 不同措施防裂效果的试验路验证，防裂措施施j ：技术要点。 1 4 2 技术路线 研究按照以r 主要步骤进行： 1 、- l b l l j 性基层裂缝的调奄分析 对汾灌高速公路和连徐高速公路二期连云港段半刚性基层裂缝情况进行调查，根据调查 结果，分析基层开裂原冈及影自因素，提出相应的防裂措施。 2 、半刚性基层裂缝对沥青面层影响的力学研究 运用弹性及粘弹性有限元法和断裂力学的分析方法，分析- - t j ! n 性基层开裂后在车辆荷载 和温度变化的作用下，沥青面层的戍力、应变情况：同时，通过力学计算，分析各种防裂措 施的作, l i j 原理，对比不同措施的防裂效果，并提出防裂措施的技术要求。 3 、沥青泄合料面层低温抗裂性能的比较研究 根据力学分析雨i 反射裂缝凋奁的结论，反射裂缝多在冬季发生，冈此，提高面层混合料 的低温抗裂能力是减少或延缓反射裂缝的一个有效方法。 采川室l i 低温小梁弯拉试验，以小梁最火破坏应变为指标，对比分析不同类型沥青混合 料的低温抗裂性能，为面层材料选择乖i 混合料设计提供参考。 4 、反射裂缝的室内模拟试验 力学分析能对反射裂缝防治措施进行定量研究，但是，力学分析受假设条4 1 的限制使得 其分析结论可能与一程实践存在一些偏差，为此，通过室| = 】模拟试验对力学分析结论做了进 一步的验证和补充。针对目前国内外常川的7 d , f r b 措施，采用模型试验方法进行室内疲劳试验， 比较再种措施的防裂效果。 5 、r 刚性基层裂缝防治措施的试验路研究 根据基层裂缝的清况，采坩不同防裂方法铺筑试验路，通过试验路的裂缝观测，对比各 防裂措施的l ：4 c y 效果，同时积累各防裂措施的施l 一经验。 7 东南大学硕_ i 学位论文 第二章半刚性基层沥青路面反射裂缝 力学分析 2 1 引言 从力学的角度米看，各种措施的防裂作州首先表现为设置防裂措施能改善路而的受力状 态。冈此，设置防裂措施后路面的受力状况可以作为对比不同措施防裂效果的一个重要指标。 在力学分析部分，对于乍辆荷载作刖，由于作刚时间短暂，假设路面材料处于弹性状态，采 用线弹性有限元进行分析：对丁降温作用下的路面受力，由于降温持续时间较长，需要考虑 沥青混合料的粘弹性，所以采_ j 粘弹性有限元进行分析。 当结构中存在宽度很小的裂缝时，理论上讲，即使外部荷载很小，裂缝尖端的应力、应 变都会趋向丁- 无穷人，显然无法依据传统力学理论进行准确分析。冈此，采h ；l 基于传统力学 的有限元法只能分析基层裂缝已经展开一定的宽度后的结构受力，无法准确分析铺筑面层 后基层开裂对面层的影u 向( 此时裂缝宽度为零) 。同时，传统力学分析时假设材料都是均匀 连续的。无法考虑材料自身缺陷，而现实的结构都不可避免地存在着类似于裂纹的薄弱点， 结构往往首先从这些薄弱点开始破上1 、。断裂力学是研究含裂缝的构件在各种环境下裂缝的平 衡、扩展和失稳规律的一一门学科，为研究裂缝展开问题提供了新的路径。为此，在进行基于 传统力学的有限元计算之后，叉根据断裂力学理论对反射裂缝问题做了进一步的分折。 2 2 有限元分析基本过程”6 1 2 2 1 几何体的离散化 儿何体的离散化，即把分析的连续j l 何体划分成为一个由许多有限大小的单元在有限 多个二1 ，点上互相连结而成的离散结构。单元的形状根据所分析的结构和计算的目的而确定。 对平面问题，常川的有三角形单元和四边形单元。对空间问题，常州的有四面体单元和六面 体单元。 反射裂缝三维线弹陛有限元分析中采州了四种单元形式：八1 ，点实体单元、十六= 壮点 实体单元、二维膜单元和接触单元：二维粘弹r 眭有限元温度应力分析采川了二维粘弹肚四边 形单元平二：维接触单元：二维断裂力学分析采j t j 了二维弹性四节点四边形单元和：维接触单 元和平面奇异性单元。 八：y 点实体单元和十? h y 点实体单元_ 【 j ：划分路面结构的实体部分，在裂缝周闱应力 梯度人的地方，_ l j 十人盯点实体单元这种单元具有中间1 y 点，相井目同的网格划分条件f ， 精度比八牡点实体单元要高，但要耗费较多的计算时闸。在应力梯度较小处_ l j 八j 7 点实体单 元，以1 7 省计算时间。 i 1 ：织物和玻璃纤维格栅材料在彳：限元计算中采川二维膜单元，膜单元只抵抗拉应力 不能抵抗弯矩，能够很盘，的模拟十i ：材料。 第一二章半刚性基层沥青路面反射裂缝力学分析 不同结构层间的连接状态，采用接触单元模拟，通过设定接触单元参数可以模拟层 问从光滑到连续的不同联结情况。 二维有限元分析中，对于裂缝尖端部分，由于应力应变有奇异性。采用奇异单元进行划 分，其它部分采用四。1 ，点四边形单元。 2 2 2 假设合理的位移模式 如果弹性体的位移分量是坐标的已知函数就可以用几何方程求得形变分餐，从而j _ j 物理方鞋求得应力分量。冈此，为了能把单元的形变平i l 应力用结点位移米表示，必须首先假 定一个台理的位移模式，也就是假定位移分量的函数形式。 2 2 3 建立单元刚度矩阵和结点力等效 单元刚度矩阵的计算公式为： k 。= p 】7 d 陋扮 ( 2 1 ) 结点力等效的计算公式为： 面分布载荷等效结点力 体分布载荷等效结点力 蛾= j n 1 7 b k 娥= 【r k 枷 ( 2 2 ) ( 2 3 ) g jj 强d 、势能原理可得到单个结点的平衡方程k 。p ) 。= f 8( 2 _ 4 ) 2 2 4 建立结点平衡方程 对于每一个结点，可列山平衡方程，于是得到整个结构的平衡方程组，即 k 】p ) = f ) ( 2 5 ) 式中： k 】称为整体刚度矩阵：f6 为全部结点位移组成的向量： f 为全部结点荷载缀 成的向鳖。 由该方程组求出结点位移分量以后，即可求得各结点的应力分量和位移分繁。 2 3 车辆荷载作用下路面受力分析 对丁车辆荷载，南丁- 作刚时间很短，路面材料可以假设为线弹性。采州三维线弹性有 限元分析车辆衙载作川t - 不同结构路面的受力情况。 2 3 1 荷载应力分析的有限元模型及其验证 1 三维有限元模型 卞辆荷载应力分析时的三维模型有限元分析模型如r 剀，其中夹层部分的厚度和模量 可变，十 ：织物；手| f 玻璃纤维格栅分析时单元厚度取o i c m ，s a m 层敬1 c m ，澌青碎z ij 譬度 6 c m 。 9 东南人学硕j ，学位论文 图2 - 1 路面结构计算的有限元模型 5 0 0 半刚性基层的裂缝宽度影响因索比较多，温度、水泥剂量等都会影响裂缝宽度。上海沪 嘉高速公路建成两年后，裂缝调查时( 4 月份) ，东侧裂缝间距平均9 8 m ，缝宽2 m m 1 0 m m ， 硝侧裂缝间距1 7 0 m ，宽2 m m s m m 。而比较寒冷的黑龙江肇东试验路竣t 当年冬季裂缝调 查发现，裂缝较宽，在l m m 2 0 r a m 之间“1 。为了便于分析，计算时裂缝宽度取5 m m 。 计算时，对各层边界条件及材料性质假设如f ： ( 1 ) 各层都是均匀连续的线弹性体，土工织物和玻璃纤维格栅在水平方向上各向同性， 不抵抗弯距，其它材料各向同性。 ( 2 ) 各层层问为完全连续。 ( 3 ) 地基底面各项位移为零，地基侧面水平位移为零，基层、面层平夹层的沿路横断 面上的水平位移为零。 ( 4 ) 不计路面臼重影响。 为便t - ) l 临d n 荷载，汽车轮载采用1 8 9 c m 。1 8 9 c m 的正方形均布荷载模拟，双轮间距 3 2 c m ，两侧轮隙间距为1 8 2 c m ，接触压力为07 m p a 。研究发现荷载作用于裂缝- - n 时，面 层底部的应力最人”1 ，因此在进行计算时，荷载位置取在裂缝边缘，荷载中心距裂缝边缘 94 5 c m 。计。算荷载分布如图2 - 2 所示。 各层材料参数如r 图2 - 2 荷载分布图 第一带 、仁刚性毕崖洒青路面r 2 f t , , t 裂缝力学分析 澌青混凝十e = 1 8 0 0 m p a v = o 2 5 t 1 日q 性基层e = 1 4 0 0 m p a ，v = 02 5 斗：基e = 4 0 m p a ，v = o 3 5 卜j ：织物e = 】6 0 m p a v = o2 5 玻璃纤维格栅e = 5 0 0 0 m p a ，v = o 2 5 s a m i 层e = 5 0 m p a v = 02 5 l c ：i