（道路与铁道工程专业论文）旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计方法研究.pdf

摘要 在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是一种常用的、有效的路面修复技术， 具有工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点，己成为旧路改造的 一项常用措施。但沥青加铺层在使用过程中很容易出现反射裂缝，这对修复后的 路面使用寿命产生很大的负面影响，因此，如何延缓与控制反射裂缝是沥青加铺 层设计的关键，也是难点。目前，国内外旧水泥混凝土路面沥青加铺层的设计方 法尚未完善，至今仍未有公认的合理可行的设计方法。本文在前人研究的基础上， 对考虑反射裂缝的旧水泥混凝土路面上沥青加铺层设计方法进行了进一步探索和 研究。 旧水泥混凝土路面沥青加铺层的设计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。本文首先从旧路的调查评价入手，建 立了路面使用性能和路面结构性能两个方面共六项指标的旧路综合评价体系，以 便确定采取改造措施的路段和方案，也为加铺层设计提供依据和数据。对目前相 对成熟的几种加铺层设计方法进行比较分析，提出值得借鉴的方面和有待改进的 方面。再通过三维有限元方法计算了荷载作用下含土工合成材料夹层的沥青加铺 层力学响应情况，分析加铺层底应力及弯沉随加铺层厚度、加铺层模量、旧水泥 混凝土层模量、夹层模量、基础模量等的变化规律以及影响程度。比较和分析国 内外关于旧水泥混凝土路面上加铺沥青层的设计思想和设计方法，在有限元仿真 分析的基础上，根据加铺层的破坏机理，提出四项控制指标：混凝土板弯拉应力、 最不利荷载作用下接缝处沥青加铺层底的拉应力、接缝处沥青加铺层底的剪应力、 接缝两侧沥青加铺层底的弯沉差，并建立起以控制反射裂缝为主的多指标旧水泥 混凝土路面沥青加铺层设计方法。 本文得到了2 0 0 6 年重庆市建设委员会科技项目“重庆市城市道路路面改造技 术规范”的资助。 关键词：水泥混凝土路面，沥青加铺层，反射裂缝，应力，弯沉，设计方法 a b s t r a c t p a v i n ga s p h a l tp a v e m e n to nt h eo l dc o n c r e t ep a v e m e n ti sac o m m o ne f f e c t i v e t e c h n i q u ef o rp a v e m e n tr e n o v a t i o n i th a st h ea d v a n t a g e ss u c h 嬲s h o r tc o n s t r u c f i o n p e r i o d ，l i t t l ei n f l u e n c eo nt r a n s p o r t a t i o na n dg o o ds e r v i c ea f t e rr e n o v a t i o n s oi th a s b e e nt h ec o m m o nm e a s u r et oi m p r o v et h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e b u td u r i n gt h e u s i n go fa s p h a l to v e r l a y , i te a s i l ye m e r g e st h er e f l e c t i v ec r a c k i n gi na s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t , a n dt h i sb r i n g sn e g a t i v ei n f l u e n c e so nt h el i f eo fp a v e m e n t s oh o w t o d e l a ya n dr e s t r a i nr e f l e c t i v ec r a c ki st h ek e y t ot h ed e s i g nm e t h o df o ra s p h a l tc o n c r e t e o v e r l a yo nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t , w h i c hi sa l s oa c r u x a tp r e s e n t , a l lo f t h ed e s i g nm e t h o d sf o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a ya th o m ea n da b r o a da r en o tp e r f e c t , a n dt h e r ei sn o ty e ta na c c e p t e dr e a s o n a b l ea n df e a s i b l ed e s i g nm e t h o d i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so fp r e v i o u ss t u d i e s ，c o n s i d e r i n gt h er e f l e c t i v ec r a c k i n g , t h ed e s i g n m e t h o df o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti sf u r t h e r d i s c u s s e da n de x p l o r e d t h ed e s i g nm e t h o df o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n ti n v o l v e sn o to n l yt h ed a m a g eo fo l dr o a d ，s t r u c t u r a lc o n d i t i o n s ，t r a f f i e c o l l d i t i o n s ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，b u ta l s or e a s o n a b l em e c h a n i c a la n a l y s i sm o d e l ，t h e c o r r e c tm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n de f f e c t i v em e a s u r e st op r e v e n t i n gr e f l e c t i v ec r a c k i n g , a n ds oo n t h ef a c t o r si n v o l v e da r ev e r ye x t e n s i v e ，c o m p l e xa n dd y n a m i c t h ep a p e r s t a r t e dw i t ht h ei n v e s t i g a t i o na n da s s e s s m e n to ft h e o l dr o a d , e s t a b l i s h e da c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o ns y s t e mf o ro l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，w h i c hi n c l u d e s t w oa s p e c t s ：p a v e m e n ta p p l i c a t i o np e r f o r m a n c ea n ds t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ei n c l u d i n g s i xi n d e x ，i no r d e rt oi d e n t i f yt h es e c t i o n st ob er e c o n s t r u c t e da n dt h et r e a t i n g p r o g r a m s a sw e l la st op r o v i d ea b a s i sa n ds o m ed a t af o rm ea s p h a l to v e r l a yd e s i g n t h ep a p e rc o m p a r e da n da n a l y z e ds 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 st o p r o p o s es o m ea s p e c t sw o r t h yt ob e i n gl e a r n e d o rn e e dt ob ei m p r o v e d a p p l yat h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sp r o g r a mt oc o m p u t et h e m e c h a n i c a lr e s p o n s eo fa s p h a l to v e r l a yw i t hg e o s y n t h e t i c si n t e r l a y e ru n d e rt h ea c t i o n o fl o a d ，a n a l y z et h ei n f l u e n c eo fp a r a m e t e r sl i k ea s p h a l to v e r l a yt h i c k n e s s ，a s p h a l t o v e r l a ym o d u l u s ，o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tm o d u l u s ，g e o s y n t h e t i c sm o d u l u s ， r ，u 【l d a t i o nm o d u l u so nt h es t r e s sa n dd e f l e c t i o ni nt h eb o t t o mo fa s p h a l to v e r l a y t h r o u g ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so nt h ed e s i g nc o n c e p t sa n dd e s i g nm e t h o d s f o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta th o m ea n da b r o a d , o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so ft h ef i n i t ed e m e n ts i m u l a t i o n , a c c o r d i n gt ot h ef a i l u r e m e c h a n i s mo fa s p h a l to v e r l a y , t h ep a p e rp r o p o s e df o u rc o n t r o li n d e x e s ：c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n ts l a bb e n d i n gt e n s i l es t r e s s ；t e n s i l es t r e s si nj o i n t & t e aa tt h eb o t t o m o fa s p h a l to v e r l a yu n d e rt h em o s td i s a d v a n t a g e dl o a d i n g ；s h e a rs t r e s si nj o i n ta r e aa t t h eb o t t o mo fa s p h a l to v e r l a yu n d e rt h em o s td i s a d v a n t a g e dl o a d i n g ；t h ed e f l e c t i o n d i f f e r e n c eo fb o t hs i d e so fj o i n ta tt h eb o t t o mo fa s p h a l to v e r l a yu n d e rt h em o s t d i s a d v a n t a g e dl o a d i n g , a n df i n a l l ye s t a b l i s h e daa n t i r e f l e c t i v ec r a c k - b a s e dm u l t i p l e i n d e x e sd e s i g nm e t h o df o ra s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo nt h eo l dc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t 1 1 1 ep a p e ri ss u p p o r t e db yt h e2 0 0 6t e c h n o l o g yp r o j e c to fc h o n g q i n gm u n i c i p a l c o n s t r u c t i o nc o m m i t t e e c h o n g q i n gu r b a nr o a dp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i n gt e c h n i c a l s p e c i f i c a t i o n s ” k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ；a s p h a l to v e r l a y ；r e f l e c t i v ec r a c k ：s t r e s s ； d e f l e c t i o n ；d e s i g nm e l h o d 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 储q 日期夕吕年；月j 7 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。 靴敝储鹕一掳乡 日期：p 的0 年弓月j 日 指导教师签 1 7 1j 胡：o 多年罗月t 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出与意义 水泥混凝土路面是采用水泥混凝土作为面层材料的一种路面，是高等级公路 主要的路面结构型式之一。我国水泥混凝土路面始建于2 0 世纪6 0 年代中期，自 8 0 年代以来，水泥混凝土路面在全国范围得到了迅速发展。在2 0 世纪9 0 年代发 展最快，里程增加最多。截止2 0 0 3 年底，我国建成的沥青与水泥混凝土两种高级 路面的总里程为3 4 4 万k m ，其中水泥混凝土路面为1 9 9 万k m ，占总里程的5 8 砂，加上我国城市道路水泥混凝土路面9 万k m ，公路与城市道路水泥混凝土路 面总里程达到了约3 0 万k m ，目前仍以每年约2 万k m 左右的速度增长，我国己成 为世界上水泥混凝土路面拥有里程最多的国家【l 】。水泥混凝土路面以其强度高、耐 久性好和养护维修费用低而日益得到广泛的应用，推动了沿线经济及社会的发展。 然而，由于水泥混凝土的脆性性质和体积敏感性，这种路面需设置各种接缝，并 对超载敏感，决定了水泥混凝土路面的行车舒适性较沥青混凝土路面差，水泥混 凝土路面对超载更容易引起破损，并且具有修复困难、噪音较大等缺点【2 】。就目前 我国水泥混凝土路面使用状况而言，存在着不少问题，其中早年修建的水泥混凝 土路面有相当一部分已接近或超过设计年限，有的虽未达到设计年限，但由于交 通量剧增，汽车轴载日益重型化或设计、施工等方面的原因，不同程度地出现了 结构性破坏和功能性缺陷，严重影响了道路的服务水平及车辆的行驶的舒适性和 安全性。因此，大量早期和近期修建的水泥混凝土路面都将面临着艰巨的翻修改 建的任务。 相对沥青路面而言，水泥混凝土路面的修复比较困难，国内外通常采用的大 修措施有三种：加铺新水泥混凝土面层、对原有水泥混凝土路面进行翻修和加铺 沥青混凝土面层【3 j 。 加铺新水泥混凝土面层，是在旧水泥混凝土面板上铺筑结合式、分离式新水 泥混凝土面板，或者铺筑半刚性基层后加铺水泥混凝土面板，所谓“白加白。 一般这种措施在盛产水泥的地区使用比较多。常用于路基高度低，重车较多的公 路上，能较好的提高路面的承载能力。但是，加铺新水泥混凝土面层的厚度一般 不低于2 0 e r a ，工程造价较高，而且新铺水泥混凝土路面养护期长达2 8 天，对交 通影响很大。因此，难以应用于交通繁忙的路段。 对原有水泥混凝土路面进行翻修，是拆除旧路面，对路基进行处理后，铺筑 新的水泥混凝土或沥青混凝土路面结构。对于翻修措施，其旧板破碎、运输、废 弃均需大量成本，对交通和环境影响也非常大，而且总成本很高，一般用于旧水 第一章绪论 2 泥混凝土路面损坏相当严重，无法加铺沥青混凝土和新水泥混凝土路面面层结构 的情况，或原路面的路基有严重缺陷而影响正常使用的路段，以及旧路面标高严 禁升高的路段。 加铺沥青混凝土面层，是在旧水泥混凝土面板上铺筑粒料或半刚性基层后再 加铺沥青混合料面层，或者直接在旧水泥混凝土面板上加铺沥青混合料结构层， 所谓“白加黑”。由于旧水泥混凝土路面提供了较稳定、坚实的基层，沥青混凝 土路面提供了一个抗滑性能以及平整度好、维护简单的面层，因此，加铺沥青层 后，不仅提高了路面的承载能力，延长了路面的使用寿命，而且消除了原有接缝 的不利影响，改善了使用功能，提高了路面服务水平。 如何有针对性地选择旧水泥混凝土路面的修复方案，国内外尚没有较成熟的 评价方法可供参考。不过，国内外旧水泥混凝土路面的改造实践证明，在上述三 种大修措施中，在旧水泥混凝土面层( p c c ) 上加铺沥青混凝土层( a c ) 是改善路 面使用性能和提高承载能力的一项行之有效的措施。既可以充分的利用旧水泥混 凝土路面的强度，又具有施工方便、造价低廉、对交通和环境影响较小以及修复 周期短的优点，因此，在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用得最多。然而， 由于原混凝土路面接缝与裂缝的影响，加铺沥青层后往往会产生反射裂缝的问题。 反射裂缝对罩面层使用性能影响并不大，但开裂后受环境因素影响会进一步发展， 并影响基层和面层，缩短沥青加铺层的使用寿命。因此，如何延缓与控制反射裂 缝是沥青加铺层设计的关键，并且至今仍是道路工程界面临的一大难题【4 1 。目前针 对沥青加铺层各方面的研究虽然已有几十年时间，但进展缓慢，至今仍未有公认 的合理可行的设计方法，也鲜有效果令人满意的加铺结构，国内外对旧水泥混凝 土路面加铺改造仍处于研究和试验阶段。鉴于以上原因，本文在前人研究的基础 上，从沥青加铺层反射裂缝产生机理、防治措施入手，继续对加铺层设计方法作 进一步探索和研究。 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪3 0 年代，国外已经开始尝试在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面 层的路面修复技术，而且绝大部分重交通道路均采取在贫混凝土基层上加铺沥青 面层的修复措施。由于旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生的普遍性与严 重性，自2 0 世纪6 0 年代以来，国内外道路工程界对沥青加铺层结构设计方法与 反射裂缝的研究一直十分活跃，其目的就是为了系统地揭示反射裂缝产生的力学 机理，寻求控制和延缓反射裂缝产生、发展的方法。为了使旧水泥混凝土路面上 的沥青面层更好地发挥其使用性能，延长其使用寿命，国内外的研究人员除了对 反射裂缝进行大量研究外，对旧水泥混凝土路面路面状况的评价方法及沥青加铺 第一章绪论3 结构的力学分析方法也进行了大量研究，最终目的是为了找出更科学合理的沥青 加铺层设计方法。 对于旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生的原因，道路工程界在第二 届反射裂缝国际会议上基本形成了共识：温度应力引起反射裂缝的产生，并参与 了其最初的扩展；荷载应力加速了裂缝的迸一步扩展【5 】。即交通荷载及温度作用是 引起反射裂缝的两大因素。交通荷载主要引起加铺层的剪切型反射裂缝，在车轮 偏荷载的作用下，接缝两侧的弯沉差过大而引起沥青加铺层的剪切破坏。温度变 化主要引起加铺层张开型反射裂缝。 国内外道路研究者针对反射裂缝产生机理进行了大量的研究工作，取得了一 定的成果并己部分应用于工程实际。从2 0 世纪6 0 年代开始，p c p a d s 和f e r d o g a n 等人【6 】就开始了路面材料断裂规律的研究。7 0 年代，y a m a d ay 等人f 7 】对裂缝尖端 的奇异性进行了数值模拟。8 0 年代，m a j i d z a d e h k ，a b d u l s h a f i a ，l i v e s gj ， m c l a u g h l i n 等学者【8 1 对水泥混凝土路面上沥青加铺层的温度型反射裂缝的力学模 型进行了研究，提出了一种由温度引起的旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝 新的计算模型。1 9 9 3 年，j m r i g o s ，s c e s c o t t o 和p j k u c k 等学者【9 】开发了用 于模拟旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝扩展的有限元程序，该程序可考虑 不同荷载位置对裂缝的影响以及温度变化对路面结构的影响。1 9 9 7 年，才华、张 敏江等人【1 0 】对沥青路面的反射裂缝的断裂疲劳进行了分析和模拟计算，从断裂力 学及疲劳损伤力学的观点出发，探讨了反射裂缝的产生和发展机理，并采用三维 有限元中的节理单元模拟了真实条件下的裂缝扩展。2 0 0 0 年，f e d d et o l m a n ，j a n z u i d e m a 和r o bh o f m a n 1 1 】对中心含有裂缝的沥青混合料试件进行了拉伸试验和四 点弯曲断裂试验，研究了试件在不同断裂破坏方式下裂缝的应力强度因子。2 0 0 2 年，孙雅珍、赵颖华【l2 】利用粘弹性与损伤的分析理论，对含反射裂缝沥青路面进 行了三维粘弹性有限元分析，模拟了裂缝的扩展过程，得到了不同加载时间和不 同变温的裂缝扩展情况。2 0 0 3 年，王金昌【1 3 】研究了低温变化对软土地基与无损和 含有裂缝的道路结构体的相互作用，讨论了路表温度、基准温度、表面裂缝长度 和反射裂缝长度对道路结构体工作性状的影响。2 0 0 3 年，齐艳【1 4 】应用损伤理论分 析了旧水泥混凝土路面上沥青罩面层反射裂缝，通过程序模拟荷载作用下沥青加 铺层中反射裂缝的产生和发展过程，并分析了各结构层模量、夹层参数、层间接 触条件以及板底脱空等对加铺层工作性能的影响。 为防止及减少沥青加铺层反射裂缝，国内外进行了大量的试验路研究及理论 分析，如美国联邦公路局( f h w a ) 于1 9 7 0 年提出了一个减少沥青加铺层反射裂缝 的庞大研究计划n e e p 一1 0 ，该研究计划包括几个方面的研究内容【i5 】 1 6 1 ：加铺层厚 度、沥青的稠度、沥青混合料中的外掺剂、加铺前对原来路面的处理及应力消解 第一章绪论 4 层等。1 9 8 8 年美国沥青协会对减少反射裂缝行之有效的三种方法进行了总结：在加 铺前对水泥混凝土路面板断裂及稳固、对沥青混凝土加铺层锯缝和填缝及沥青混 合料外掺橡胶粉【1 5 1 1 6 1 。国内同济大学、东南大学、长安大学等高校及一些科研单 位从2 0 世纪8 0 年代开始也相继开展了这方面的研究，并结合实体工程铺筑了大 量的加铺层试验路，主要方法有：增加沥青加铺层的厚度，选用优质沥青及掺入纤 维等阻裂材料，设置土工合成材料，钢丝网或橡胶沥青夹层，对半刚性层进行预 切缝并加铺土工织物处理，以及对旧水泥混凝土路面板进行断裂稳固处理等。 目前对静荷载作用下的沥青加铺层结构有许多力学分析方法，主要可分为三 类：静力学分析法，有限元分析方法和断裂力学方法【l 。7 1 。 静力学分析法 这种方法的基础是弹性理论，其代表为a r e 法( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) x s 】 u 圳，a r e 法采用弹性理论分析反射裂缝，考虑两种破坏形式：张开型和剪切型。 此外，刘悦、胡长顺【2 0 】采用解析法分析了旧水泥混凝土路面接缝处沥青加铺层的 温度应力及层间剪应力。由于静力学分析方法采用了很多假设，许多实际的边界 条件无法考虑，影响了计算结果的精确性，但这种方法易于掌握，较容易形成设 计方法。 有限元分析方法 有限元法是一种实用有效的计算方法，目前在各领域得到了广泛的应用。这 种方法能考虑各种实际的边界条件和荷载情况，易求出各点的应力、位移。d i y a r b o z k u r t 采用三维有限元方法分析和评价了沥青加铺层反射裂缝的开裂潜能和受力 性质。y o o n h oc h o ，c h i ul i u ，t e r r yd o s s e y 和b em c c u l l o u g h 采用有限元法分 析了车辆荷载作用下考虑车辙、反射裂缝和疲劳开裂的沥青加铺层结构应力状况。 j o r g eb s o u s a , j o r g ec p a i s 和r n s t u b s t a d 提出了交通荷载作用下的反射裂缝和 疲劳开裂有限元计算模型，并进行了加铺层路面结构的应力、应变和弯沉的数值 模拟。a v a n e l s t r a e t e , b e k a e r ts a 采用三维有限元模型分析了荷载及温度作用下 设置钢丝防裂网的水泥混凝土路面加铺层和沥青路面加铺层结构的应力状况。n f c o e t z e e 和c l m o n i s m i t h 利用有限元方法分析了有、无橡胶沥青膜的加铺层裂缝 附近的应力状况。胡长顺、曹东伟【2 l 】采用有限元法对有夹层的加铺层结构的应力 与位移进行了力学计算，定量地分析了夹层在减小车辆荷载引起的剪切破坏方面 的作用，考察了设置夹层后接缝处沥青加铺层剪应力与板缝弯沉差的变化。李淑 明、许志鸿 1 9 1 采用a n s y s 有限元程序分析了参数变化对旧水泥混凝土路面沥青加 铺层荷载应力、温度应力及耦合应力的影响，并对设置土工布和玻纤格栅防裂夹 层的加铺层结构进行了力学分析。周富杰、孙立军【冽应用三维有限元方法分析了 层间接触条件、层间拉开宽度、脱空、罩面层厚度和基础模量对反射裂缝产生的 第一章绪论5 单因素和多因素综合影响。符冠华、陈荣生采用有限元法对旧水泥混凝土路面接 缝区加铺层的荷载和温度应力状态进行了分析。周志刚、张起森、郑健龙利用基 于线弹性断裂力学的平面应变有限元方法，模拟加筋材料的薄膜单元和模拟结构 层层间结合状态的界面单元，对土工加筋材料阻止沥青路面反射裂缝的桥联增韧 效应进行了分析。 断裂力学方法 断裂力学是2 0 世纪后半叶固体力学和材料科学领域发展的重要成就，它已经 在航空结构、机械制造、压力容器等各重大工程中得到了广泛应用。按照断裂力 学及疲劳断裂力学的观点，可以认为沥青加铺层的破坏是由于旧水泥混凝土路面 裂缝或接缝这种原始缺陷的存在，引起沥青加铺层的应力集中与内部损伤，当这 种应力集中与损伤累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成沥青加铺层 裂缝的发展，并导致路面结构的破坏。目前国外一些学者，如m 旬i d z a d e h k 提出 了通过线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损伤过程进行描述。国内张起森、郑健 龙、周志刚等人已把断裂力学应用于路面裂缝的计算。郑健龙、王秉纲对沥青路 面温度收缩开裂的热粘弹特性进行了研究。周志刚、张起森应用疲劳损伤力学理 论与方法研究沥青类路面疲劳破坏机理和各类抗裂措施( 如加筋) 的抗裂机理。 有限元法因其可对边界条件和荷载条件进行很好的仿真，仍是国内外研究人 员最常用的力学分析方法。 在国外经济发达的国家中，旧水泥混凝土路面的路况评定和损坏鉴定，一直 受到管理部门和科研单位的极大重视，并且为之投入了相当数量的财力和物力。 在上世纪8 0 年代，美国伊利斯诺大学开发研究了针对美国国内水泥混凝土路面的 评价系统( c o p e s ) 。该系统对美国七个州一千多英里水泥混凝土路面的唧泥、错台、 裂缝、接缝损坏以及现时服务能力进行评价分析，提出了州水平级的回归预测模 型。目前欧洲各国和美国正在对c o p e s 进一步扩展和完善【2 3 1 。相对于国外的研究 状况而言，我国在这方面的研究尚处于起步阶段。我国对旧水泥混凝土路面修复 技术的研究始于上世纪9 0 年代初期的国家科技工作引导性项目“我国水泥混凝士 路面发展对策及修复技术研究 ，其重点是对数据的采集方法、调查和测定方法进 行统一的规定。与此同时，同济大学、长安大学等高校分别对混凝土路面使用状 况评价指数进行划分、界定，给出了一些经验公式。目前，我国对旧路面的路况 调查及评定一般参考路面养护规范或路面设计规范进行。 关于沥青加铺层的设计理论和方法的研究，国外开展得比较早，并已取得了 一些有益的成果。美国联邦公路局在5 0 年代初期以多条试验路研究为基础，提出 了混凝土路面差额概念的沥青加铺层厚度计算方法。w a t e r w a y 试验中心又在试验 验证的基础上于1 9 8 1 年进行了修正，并提出了动力刚度模量法和弹性层状理论两 第一章绪论6 种加铺设计方法。a a s h t o 设计方法是通过等效结构数来确定加铺层厚度，其实 用性已被世界所公认。许多理论方法的计算结果都与其进行参照对比。日本的t a 法与a a s h t o 方法也大同小异。此外还有如a i 、a r e 法等。1 9 8 5 年美国联邦公 路管理局出版了路面修复手册，1 9 8 8 年对此又进行了修订。1 9 9 5 年在总结全 美研究成果及土程实践的基础上，又出版了 1 2 m m 荷载通过时板发 第二章旧水泥混凝土路面调查评定与病害分析 1 0 生弯沉，接缝或条 唧泥 不分等级 裂缝附近有污染 或沉积着基层材 料 临近接缝6 0 c m轻 剥落发生在边角附近8 c m 以内 内，或板角1 5 c m 剥落范围大于8 c m ，碎块松动，但不 边角剥落 中 内，混凝土开裂 影响行车安全或不易损害轮胎 处 或成碎块 重 影响行车安全或极易损害轮胎 填缝料剥落、挤轻约1 3 缝长出现损坏，水和杂物易渗 接缝材料破碎出、老化和缝内入或进入条 无填缝料重 2 3 缝长出现损坏，水和杂物可以自 由进入，需立即更换填缝料 面板表面出现直 径为 2 5 块 不分等级 坑洞l o c m 、深为 1 2 5 c m 的坑 洞 轻 修补功能尚好，四周有轻微剥落块 修补损坏面板损坏修补 中四周有中等剥落，且内部有裂缝 后，重新又损坏 重四周严重剥落，修补已损坏，需重新 修补 拱起横缝两侧的板体 不分等级 处 发生明显的抬高 表面裂纹与层状 路面表层有网状轻面积小于等于2 0 板块面积 浅而细的裂纹或 重 面积大于2 0 板块面积 块 剥落 层状剥落 调查结果应按破损类型、破损范围及其严重程度，记入记录表，调查结果应 按路段进行汇总。二级及二级以下公路，路段长度宜采用1 0 0 0 m ，以整公里桩号 为起讫点，并考虑以公路交叉及政区分界为分段点；高速公路和一级公路，路段 长度可为10 0 m - - 5 0 0 m 。将每个路段内各类破损数据分别统计后，计入汇总表。 水泥混凝土路面多采用路面状况指数( p c i ) 和断板率( h b l ) 两项指标评定 路面破损状况。 第二章旧水泥混凝土路面调查评定与病害分析 l l 路面状况指数( 尸a ) 的计算公式为： p c = l o o 一- - - z 玛 ( 2 1 ) 式中：几，分别为损坏类型和严重程度； 5 1 刀损坏类型总数； 礁璞型的严重程度分级； 铭f 类损坏、j 种程度的扣分值，是损坏密度岛的函数， d e i = 4 i d b ； 珐璞损坏、，种程度的损坏数占路段内板块或裂缝总数的比例( ) ； 多种损坏时璞损坏、，种程度的修正权数。 4 和e ，系数的取值参照表2 2 。 表2 2a 日和系数 系数 a 自b i i 严重程度轻中重轻中重 损纵、横、斜裂3 0 26 2 79 3 5o 5 50 5 20 5 4 坏 交叉裂缝、破碎板 8 4 41 0 3o 4 9o 4 2 类 板角断裂 4 9 27 2 59 4 50 7 6o 6 40 6 1 型 错台、拱起6 0 79 2 4o 6 1 o 5 3 接缝碎裂 2 3 o 3 0 05 0 8o 8 l0 6 1 0 7 1 系数的取值参照表式( 2 2 ) 。 f 2 i l0 形= 。驴 0 i 【0 吩 + 0 6 8 5 7 x ( r u 一0 2 ) 4 + 0 2 8 ( 饬一0 5 5 ) 1 + 0 9 5 x ( r u 一0 8 ) 嘞 o 2 o 2 岛 o 5 5 o 5 5 o 8 嘞o 8 式中：如各单项扣分值总分值的比值，即 ( 2 2 ) 吩：毒 ( 2 3 ) 路面状况指数( p c d 的数值范围为o 1 0 0 。其值越大，路况越好。根据路面 破损情况，我国公路养护技术规范( j t j0 7 3 9 6 ) 中将路面质量分为优、良、 第二章旧水泥混凝土路面调查评定与病害分析 1 2 中、差四个等级，如表2 3 所示。 表2 - 3 水泥混凝土路面破损评价标准( p c i ) t a b l e 2 3e v a l u a t i o nc r i t e r i o nf o rd a m a g eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ( p c i ) 评价指标优 良中差 路面状况指数p c i 8 57 0 8 55 0 7 0 2 5 璺5 3 5 g 5 4 5 以r q i 为指标，评价标准如下表： 表2 7 水泥混凝土路面行驶质量评价标准( r q i ) t a b l e 2 7e v a l u a t i o nc r i t e r i o nf o rt r a v e l i n gq u a l i t yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ( r q i ) 评价指标优良中次差 行驶质量指数r q ， 芝8 5 8 4 7 06 9 4 54 4 - - - - 2 0 5 5 4 8 5 5 芝3 8 4 8 6 56 4 5 55 4 - - 4 54 4 - - 3 5 3 5 构造深度( n u n )o 80 7 - - - 0 60 5 - 一0 40 3 0 2 5 5 岛= 0 4 x f 一0 1 3 8 f 5 5( 2 1 1 ) 1 0f 3 8 丑、昱、e 相应指标的权重，按公路性质、等级和相应指标的重要性 确定。没有条件确定的，对于二级以下公路：推荐号= o 7 5 ，只= o 2 0 ，b = o 0 5 ； 对于高速公路和一级公路：推荐p l = o 6 ，最= 0 2 0 ，e = 0 2 0 。 表2 1 0 水泥混凝土路面使用性能综合评价标准( 田) t a b l e 2 10s y n t h e t i c a le v a l u a t i o nc r i t e r i o nif o ru s i n ga b i l i t yo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t 评价指标 优良中差 综合指标凹之8 56 9 - 4 5 6 9 4 5 2 3 路面结构性能的调查评定 2 3 1 弯沉调查 路表面在荷载作用下的弯沉量，可以反映路面结构的承载能力。由于弯沉测 定是一项无破损试验，对路面结构的损害小，对交通的干扰少，测点数量多，它 被广泛用于路面结构性能的评定。路面表面在荷载作用下的弯沉量和弯沉曲线， 反映了路基路面的整体承载能力，而且与路面状态存在一定的内在联系，是路面 设计的一个重要指标。通过实测路面的路表回弹弯沉值，可反映路面结构的整体 强度和剩余寿命。路面结构的剩余寿命是指路面在达到预定的损坏状况之前还能 承受的行车荷载作用次数，它能预测现有路面的承载能力和分析路面出现损坏的 原因，为加铺层结构设计提供设计参数和依据。 路面结构的破坏可以是由于过量的竖向变形所造成，也可能是由于某一结构 层的断裂破坏所造成。对于前者，采用最大弯沉值表征结构承载能力较合适；对 于后者，则用路表弯沉盆的曲率半径表征其承载能力更为合适。因而，理想的弯 沉测定应包含最大弯沉值和弯沉盆两方面。 弯沉检测技术的发展大致经历了静态弯沉检测、稳态弯沉检测和脉冲动力弯 沉检测三个阶段。目前使用的弯沉测定系统有有4 种：( 1 ) 贝克曼梁( b e n l d m a n b e a n ) 弯沉仪；( 2 ) 自动弯沉仪；( 3 ) 稳态动弯沉仪；( 4 ) 脉冲弯沉仪。前两种为 静态测定，得到路面最大弯沉值。后两种为动态测定，可得到最大弯沉值和弯沉 盆。b e n k l m a n 梁式弯沉仪自5 0 年代中期开始得到广泛应用，是目前最常见的静力 弯沉测试设备，我国公路部门通常采用该设备的测定指标进行路面设计和养护。 但它存在很多缺陷诸如，很难得到一个固定不动的基准点，只能测得单点最大弯 第二章旧水泥混凝土路面调查