（道路与铁道工程专业论文）ISAC防治半刚性基层沥青路面反射裂缝的研究与应用.pdf

摘要 摘要 目前应用于反射裂缝防治的措施有很多，但是这些防裂措施有的没有合理的经济性，有的虽然在某 些条件f 有良好的效果，但在面对复杂的环境变化和交通条件时，使用情况却不尽如人意。 伊利诺斯人学的m u k h t a r 和d e m p s e y 提出了一种叫i s a c ( i n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n g c o m p o s i t e ) 的新型防治反射裂缝的复合材料。i s a c 是一种三层的“三明治”式结构，上层采用高劲度的玻纤格栅， 中间为橡胶沥青粘弹性膜，下层为低劲度的土t 织物，三层材料协同t ：作防治反射裂缝。在国外这种材 料已经成功应用在实际工程中，在国内研究还是刚刚起步。为了将其应用于半刚性基层沥青路面反射裂 缝的防治，对此开展了相关研究。 利用a b a q u s 通用有限元程序模拟在交通荷载作用下i s a c 防治半刚性基层反射裂缝的情况，并利用 断裂力学中应力强度因子的概念和p a r i s 公式对其进行了分析。主要进行了以下工作： 1 、i s a c 的防裂机理研究 计算了各类夹层( 包括i s a c ) 防裂路面与未防裂结构在裂缝扩展各个阶段的应力强度因子。对比 分析了玻纤格栅和s a m l 的防裂效果，指出了玻纤格栅和s a m i 防裂失效的原因。对比了i s a c 和玻纤格 栅，i s a c 和s a m i 防裂的效果，揭示了i s a c 防裂的作用机理。 2 、i s a c 防裂效果的影响因素研究 在实际路面中，影响因素很多，因此对这些影响因素的研究非常必要。通过计算i s a c 各层不同模 量以及不同的基层、面层模量下裂缝尖端的应力强度因子变化情况，研究了这些因素对防裂效果的影响 趋势和影响程度，为i s a c 选材与路面结构设计提供参考。 3 、i s a c 防裂的疲劳寿命研究 利用疲劳断裂力学中的p a r i s 公式，对i s a c 防裂的半刚性基层沥青路面进行疲劳寿命预估，并与其 它夹层防裂结构的疲劳寿命进行对比。并且从p a r i s 公式出发，推导出折减疲劳断裂参数c 的方法，得到 可以表征i s a c 和其它夹层防裂效果的综合疲劳断裂参数c 。，从而分析影响疲劳断裂的各因素并比较 i s a c 与各类防裂夹层的防裂效果。 4 、实例分析 引用了一些i s a c 的应用实例，以说明i s a c 的有效性。 关键词：i s a c 半刚性基层沥青路面玻纤格栅s a m i 疲劳断裂力学 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h e r ea t em a n yp r e v e n t i v em e a s u r e so fr e f l e c t i v ec r a c k i n g b u ts o r t i eo ft h ei u e a s u r e sa r e u n e c o n o m i c a l ，a n dt h eo t h e ra r en o tv e r ye f f e c t i v ee s p e c i a l l yu n d e rs o m ec o m p l e xe n v i r o n m e n ta n dt r a 币c l o a d sa l t h o u g ht h e yw o r kw e l ls o m e t i m e s b a s e do ft h o s em e a s u r e s ，m u k h t u ra n dd e m p s e yo fi l l i n o i su n i v e r s i t ya d v o c a t eac o m p o s i t ei n t e r l a y e r w h i c hn a m e do fi s a c ( i n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t e ) ，t h e yb e l i e v et h a tt h i sc o m p o s i t ei n t e r l a y e rc a n e f f e c t i v e l yp r e v e n tr e f l e c t i v ec r a c k i n g i s a cc o n s i s to ft h r e el a y e r s ，a n dt h eu p p e rl a y e ri sg l a s sf i b e rg r i d i n t e r l a y e rw i t hh i g hm o d u l e ，t h e nt h em i d d l el a y e ri sm b b e ra s p h a l tw i t hl o wm o d u l e ，a n dt h el a s tl a y e ri s g e o t e x t i l ei n t e r l a y e rw i t hl o wm o d u l e ，s ow ec a nc a l lt h i ss t r u c t u r e s a n d w i c h i s a ci sa p p l i e ds u c c e s s f u l l y o v e r s e a 。b u ts t u d yi n - c o u n t r yi ss t i l lo nt h es t a r t i no r d e rt oa p p l yi s a ct os e m i r i g i db a s eb i t u m i n o u s p a v e m e n t , s t u d ya b o u tt h i si sg o i n go n a b a q u sc a ns i m u l a t et h es e m i r i g i db a s eb i t u m i n o u sp a v e m e n tw h i c hu s e si s a c ，a n dc a nv i s u a l i z e t h ee x p a n d i n go fc r a c kt i pa n d e rt h et r a f f i cl o a d s t r e s si n t e n s i t yf a c t o ra n dp a r i sf o r m u l ao ff r a c t u r e m e c h a n i c sa r eh e l po fa n a l y s i s t h em a j o rw o r ki sf o l l o w i n g ： 1 、s t u d ya b o u tt h em e c h a n i s mo fi s a c c a l c u l a t i n gt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro ft h ep a v e m e n ti nt h ep r o c e s so fc r a c ke x p a n d i n g ，w i t hi n t e r l a y e r ( i n c l u d i n gi s a c ) o r w i t h o u ti n t e r l a y e r , c o m p a r et h ee f f e c to fi s a ct oo t h e ri n t e r l a y e r t h e no p e nt h ef a i l u r e c a n s eo fg l a s sf i b e rg r i di n t e r l a y e ra n ds a m io u t , a n dc o n c l u d ei l l em e c h a n i s mo fi s a c 2 、s t u d ya b o u tt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fi s a c i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h ei n f l u e n c i n gf a c t o ro fi s a c ，b e c a u s eo ft h ec o m p l e xe n v i r o n m e n ta n dt r a f f i c l o a d s t h r o u g hc h a n g i n gt h em o d u l eo fi n t e r l a y e r ( i n c l u d i n gi s a c ) a n dt h em o d u l eo f b i t u m i n o u sm i x t u r eo r b a s e ，o b s e r v e t h ec h a n g e o f s i f , a n a l y z e t h e i n f l u e n c e o f t h e s e f a c t o r t o i n t e r l a y e r ( i n c l u d i n g i s a c ) i t i s h e l p f u lf o re n g i n e e rt os e l e c tm a t e r i a l s 3 、s t u d ya b e u tt h ef a t i g u el i f eo fp a v e m e n tw i t hi s a c b y v i r t u eo fp a r i sf o r m u l a ，c o m p u t et h ef a t i g u el i f eo f t h ep a v e m e n tw i t hi s a co ro t h e ri n t e r l a y e r b y c o m p a r i n gt h e s er e s u l t s ，t a k es t o c ko ft h ea d v a n t a g eo fi s a c a n db a s e do np a r i sf o r m u l a , t h ew a yt o c a l c u l a t et h ep a r a m e t e rcc a nb eg o t ，w h i c hs i g n e d c n g e t t i n gt h ev a l u eo ft h ep a v e m e n te q u i p p e dw i t h i s a co ro t h e ri n t e r l a y e r , a n a l y z et h ed i f f e r e n te f f e c to fi s a ca n do t h e ri n t e r l a y e r ，a n de v a l u a t et h ee f f e c to f c h a n g i n gt h ei n f l u e n c i n gf a c t o r 4 、e x a m p l ea n a l y s i s c i t i n gs o m ea p p l i e de x a m p l et oe x p l a i nt h ee f f e c to fi s a c k e y w o r d s ：i s a cs e m i - r i g i db a s eb i t u m i n o u sp a v e m e n t g l a s sf i b e rg r i di n t e r l a y e rs a m i f m i g u ef r a c t u r em e c h a n i c s 一 目录 符号说明 a i ，c r y ：一x ，y 方向的法向应力，单位m p a ； k ，髟，k 4 一i 型，i i 型和复合型应力强度因子，单位m p a n l i 2 ： r 。口一极坐标； z 一x ，y 平面的剪应力，单位m p a ； “，v 一位移，单位m ； 七一断裂韧度； 口一裂缝长度，单位c m ； 一疲劳作用次数： a k 一应力强度因子的变化幅度，单位m p a m “2 ： 一杨氏模量： 髟“。，置。一应力强度因子的最小值和最大值，单位肝a m 1 2 ； c ，n 一疲劳断裂参数； m 一蠕变函数与时间双对数曲线的斜率； g 一折减后的疲劳断裂参数； m 一单元的形函数； ( 孝，刁，f ) 一经过几何形状规则的标准单元( 母单元) 中心建立的坐标系； ( 工，y ，z ) 一为真实单元( 子单元) 所在的坐标系； g 一剪切模量，单位m p a ； 目录 表1 1 我国部分高速公路的沥青路面结构 表工2 反射裂缝影响因素分析表 表3 i 玻纤网技术要求 表格目录 l 3 1 5 1 6 1 8 表3 2 土工织物材料技术要求 表3 3 不同面层厚度的界面处最大剪应力( k p a ) 表3 4 不同温度下不同剪切速率时不同层间接触的抗剪强度1 9 表3 5 不同层间材料在0 1 2 5 c m m i n 剪切速率下不同温度时的抗剪强度 表4 1 防裂夹层对k i 的影响 一 2 0 2 3 表4 2 防裂夹层对k 的影响2 4 表4 3i s a c ，玻纤格栅对k i 的影响 表4 4i s a c ，s a m i 对k 的影响 表4 5 周向最大应力强度因子k 表5 1 基本材料参数 表5 2i s a c 中格栅模量对k l 的影响 表5 3 格栅模量对k i 的影响 2 4 表5 4 i s a c 中格栅模量对k 的影响 表5 5i s a c 中格栅模量对f 的影响 表5 6 格栅加筋结构中格栅模量对f 的影响 表5 7i s a c 中橡胶沥青模量对k n 的影响 表5 8s a i i 模量对k 的影响 表5 9 橡胶沥青模量对f 的影响 表5 i o s a i l i 模量对k 的影响 表5 1 1 规范推荐沥青混凝土设计参数3 6 表5 1 2 规范推荐部分半刚性基层材料设计参数3 6 表5 1 3 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k i 变化影响( i s a c ) 表5 1 4 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k i 变化影响( 格栅) 表5 1 5 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k t 变化影响( s a h i i ) 表5 1 6 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k 变化影响( i s a c ) 表5 1 7 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k 变化影响( 格栅) v 3 6 3 6 3 7 3 8 3 8 拍 拍 想 船 凹 虬 弛 弛 弘 弘 目录 表5 1 8 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k 变化影响( s a m i ) 表5 1 9 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k 。变化影响( i s a c ) 表5 2 0 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k 。变化影响( 格栅) 表5 2 1 面层模量对裂缝尖端应力强度因子k + 变化影响( s a i i ) 表5 2 2 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k i 变化影响( i s a c ) 表5 2 3 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k i 变化影响( 格栅) 表5 2 4 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k 。变化影响( s a m i ) 表5 2 5 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k 变化影响( i s a c ) 表5 2 6 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k u 变化影响( 格栅) 表5 2 7 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k 变化影响( s a l i i ) 表5 2 8 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k + 变化影响( i s a c ) 表5 2 9 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k + 变化影响( 格栅) 表5 3 0 基层模量对裂缝尖端应力强度因子k 。变化影响( s a m i ) 表6 1 疲劳断裂力学计算材料参数取值 表6 2 荷载疲劳作用次数( 初始裂缝为l c m ) 表6 3a k 的对数值l o g a k 表6 4 裂缝扩展速率对数值l 。g ( 嘉) 列表 表6 5 i 。g ( 嘉) 和l 。g 丛的变化范围 表6 6 l 。g 能一l 。g ( 面d a ) 汇总表 表6 7 格栅模量值对g 的影响 表6 8s a m i 模量值对c 。的影响 表6 9 i s a c 各层模量( m p a ) 对g ( 1 0 - 7 ) 的影响 表6 1 0 e s a i i 模量的关系曲线斜率受格栅模量的影响( i s a c ) 表6 1 1 面层模量( m p a ) 对q ( x 1 0 _ 7 ) 的影响 表6 1 2 基层模量( m p a ) 对c 。( l o - 7 ) 的影响 表7 1 伊利诺伊州i s a c 路用性能调查结果 v - 眈 骼 取 弱 l 耵 目录 图卜1 ( a b ) 疲劳破坏示意图 图形目录 图卜2 行车荷载作用下，裂缝尖端应力强度因子变化示意图 图1 - 3i s a c 复合夹层结构组成示意图 图卜4 图2 - i i s a c 作用原理示意图 等参八结点四边形单元 图2 - 2 奇异单元 图2 - 3 裂缝扩展模式1 2 图2 _ 4 图3 一l 无限大板中的裂缝 条带拉伸试验示意图 图3 - 2 橡胶沥青萄度试验装置图 图3 - 3 橡胶沥青剪切模量随试验温度的影响 图3 - 4 橡胶沥青剪切模量随剪切速率的影响 图3 - 5 界面强度试验试件 图3 - 6 层问界面强度试验装置 图3 - 7 界面最大剪应力与面层厚度的关系 图3 8 橡胶沥青抗剪强度随石灰粉含量的变化 图3 - 9 温度型反射裂缝模拟装置 图3 1 0 三点加载复合梁疲劳试验 图4 - 1 有限元计算模型。 图4 2 各类防裂夹层对k - 的影响 图4 3 各类防裂夹层对k n 的影响 图4 - 4 各类夹层对k 的影响 图5 一l ( a d ) i s a c 防裂结构k i 随格栅模量变化图 图5 - 2i s a c 防裂结构k 随格栅模量的变化图 图5 - 3 ( a d ) i s a c 防裂结构f 随格栅模量变化图 图5 4 图5 5 图5 - 6 图5 - 7 ( a d ) i s a c 防裂结构k n 随橡胶沥青模量变化图 ( a d ) i s a c 防裂结构k 随橡胶沥青模量变化图 ( a d ) 面层模量对夹层防裂路面k i 的影响 ( a d ) 面层模量对夹层防裂路面k 的影响 2 3 5 6 9 9 地 坫 m m 掩 坞 坶 毖 历 历 弱 n 站 m 盯 目录 图5 8 ( a d ) 面层模量对夹层防裂路面k + 的影响 图5 - 9 ( a d ) 基层模最对夹层防裂路面k l 的影响 图5 1 0 ( a d ) 基层模量对夹层防裂路面k 的影响 图5 - 1 1 ( a d ) 基层模量对夹层防裂路面r 的影响 图6 - 1 疲劳作用次数和裂缝尺寸的关系图 图6 - 2l o g ( k ) 一l o g ( d a d n ) 关系图 图6 - 3 防裂夹层作用下c 随裂缝扩展阶段不同而变化图 图6 4 c 。随格栅模量的变化5 3 图6 - 5e 随s a m i 模量的变化 图6 - 6 橡胶沥青模量、格栅模量对c 。的影响 图6 7 面层模量对c 。的影响 图6 - 8 基层模量对c 。的影响 图7 - 1 图7 2 原路面结构凰 改造后的路面结构图 x 铊 钙 钉 船 弘 ：； 卯 的 的 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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或 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：关二堡日期：幽：塑：! 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、缩印或其它复制手段保存论文。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。 研究生签名：呈二堡导师签名：凄塑日期丝：堕：蛋 第一章绪论 第一章绪论 1 1 我国半刚性基层沥青路面的使用现状 1 1 1 半刚性性基层沥青路面在我国的应用 半刚性基层沥青路面是由半刚性材料底基层，半刚性材料基层和沥青面层构成的路面结构形式， 这种路面强度高、平整度好且抗疲劳性能好，所以它已成为我国高等级路面结构的主要形式。 基层是半刚性基层沥青路面的主要承重层，半刚性底基层是辅助承重层这两个结构层可以提供 沥青路面所需的大部分承载力。 沥青面层通常由2 - 3 层，从上到下分别为表面层、中面层和下面层。面层一般不起承重作用，通 常主要起功能性作用。表面层的主要作用是提供一个抗滑、平整和噪声小的表面。中面层的主要作用 是抗永久变形和抗辙槽，同时应具有优良的抗水破坏能力。在柔性路面中卜面层的主要作用是抵抗拉 应力的破坏。但是在半刚性基层沥青路面中，由丁二基层模量较高，下面层通常处于受压状态，即使受 拉，拉应力也很小。 在我国已开放交通的高速公路半刚性基层沥青路面中，沥青面层厚度多数为1 5 1 6 c m ，少数为 9 1 2 c m ，京津塘高速公路为1 8 2 3 c m ，广深高速为3 2 c m 。多数为三层铺筑，9 1 0 c m 厚的面层分两层 铺筑，更厚的面层要分四层铺筑。多数公路的半刚性基层厚度为2 0 c m 左右，采用水泥稳定碎石( 或 砾石) 或石灰粉煤灰稳定碎石。半刚性底基层厚2 5 4 0 c m ，采用的材料有石灰土、水泥士、二灰土、 二灰沙、水泥石灰土等。半刚性材料总厚度通常不超过6 0 c m ，最薄为4 0 c m 。表1 1 为我国部分高速 公路各结构层的厚度。 表1 1 我国部分高速公路的沥青路面结构 血垃及厚度 名称 基层( c m )底基层( e m ) 上中下 沪宁4 中s a c6 粗a c6 a m2 8 二灰碎石4 0 二灰土 济青 4 中s a c 5 粗a c 6 a m 2 0 水泥砂砾2 6 石灰土 深汕 3 a k 5 中a c6 粗a c2 5 水泥石屑2 8 级配碎石 1 5 水泥碎石 郑洛4 中a c5 粗a c6 a m2 4 石灰土 + 1 5 二灰碎石 安新4 中a c5 粗a c7 a m加水泥碎石3 5 二灰土 1 8 水泥碎石 广清 4 中s m a 6 租a c6 粗a c1 8 水泥石屑 + 1 8 水泥碎石 南京机场高速4 5 中a c6 粗a c6 粗a c3 4 二灰碎石2 0 二灰土 沪杭4 中a c6 粗a c7 租a c3 7 二灰碎石2 0 水泥碎石土 兰宁4 细a c5 中a c6 粗a c3 0 水泥碎石2 0 水泥砂砾 合徐4 中a c 5 粗a c6 粗a c3 5 水泥碎石3 0 水泥土 1 1 2 半刚性基层的反射裂缝问题 我国在半刚性基层沥青路面施工、使用等方面积累了大量经验。实践中发现，半刚性基层路面存 在着严重的反射裂缝问题，而且这个问题已成为半刚性基层沥青路面的主要缺陷。 反射裂缝口1 ( r e f l e c t i v ec r a c k i n g ) 是指已开裂的旧沥青路面或水泥路面内的裂缝在行车作用和温 度荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝。而对于半刚性基层沥青路面，反射裂缝特指由 于半刚性基层在湿度变化和温度变化下先产生收缩开裂，而后沿开裂基层向上反射到沥青面层而形成 的裂缝形式。 反射裂缝是半刚性基层沥青路面裂缝的主要形式，它破坏了路面结构整体性和连续性并在一定 程度上引起结构强度的削弱( 如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等) 。而且随着雨水或雪水的浸入，基 层变软，在大最行车荷载反复作用f 导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽：裂 缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用质量和寿命。我国每年都要投入大 1 东南大学顾+ 学位论文 量资金进行公路设施的养护，其中很大一部分与反射裂缝导致的病害相关，所以有必要对反射裂缝进 行深入研究，采取有效的防裂措施。 1 1 3 反射裂缝形成及扩展的原因 反射裂缝是裂缝先产生于基层的裂缝形式。半刚性基层路面易发生反射裂缝有其必然性，这主要 是由于半刚性材料的温度、湿度敏感性决定的。 1 1 3 1 反射裂缝的产生和发展机理 半刚性基层在建成后极易在外部环境作用下先产生裂缝。裂缝形成以后会继续向上发展，其扩展 的动力来自于两个方面：行车荷载和温度荷载，有时十基的不均匀沉降也会促使反射裂缝向上发展。 由于在半刚性基层裂缝处不能承受拉应力和剪应力。所以裂缝顶面的沥青面层是最容易受到损伤 的，因此反射裂缝一般情况下与基层裂缝相对应。如果沥青面层与基层之间的粘结良好，那么造成反 射裂缝可能有两种情况。 一股认为，反射裂缝的产生和发展是由于裂缝两端材料移动所造成的，而这些移动又主要是由于 温度变化、行驶车辆以及两者的综合作用引起。由温度变化引起的反射裂缝常常称之为温度型反射裂 缝，相应地由行车荷载引起地反射裂缝称之为荷载型反射裂缝。 温度型反射裂缝：外部环境对路面的影响可以按目变化温度和年变化温度来考虑。在年变化温度 作用下。由于作用周期较长，沥青面层的顶面和底面温度较接近。在寒冷季节，基层半刚性材料产生 收缩变形，在沥青面层内产生拉应力：在炎热的夏季，半刚性材料膨胀，在面层内压应力，由此产生 的反射裂缝如图卜l ( a ) 所示。在日变化温度作用下，沥青面层项面温度变化较大，底面变化较小。 由丁沥青面层是很好的隔温层，半刚性基层材料温缩在沥青面层中产生的拉应力较小。在这种情况下， 较容易在面层表面出现温度裂缝。 灏辫妊寝西 ! 銎壁垒丝 二j 亟垂习e 三量巫巫互二 磋苯屡 图卜l ( a ) 温度引起的疲劳示意图 弱 型缝垃睦 = = = = = = = = = = = ：= r _ 一 半刚性基层 采ll 搴 交通b l 越的穆动 图卜1 ( b ) 交通荷载疲劳示意图 荷载型反射裂缝：当汽车荷载驶经裂缝时在沥青面层中产生的应力影响如图卜2 所示，可分为3 个过程：轴载位于裂缝一侧时，裂缝两侧产生较大的相对位移，在面层中造成较大的剪切应力； 轴载位于裂缝顶面时，两板无相对位移或相对位移较小，面层主要承受弯拉应力作用；轴载驶离裂 缝时，在面层内产生于第一次方向相反的剪切应力，在整个过程中面层受到两次剪切，一次弯曲，而 且是连续的。但是，如果裂缝两端的传和能力良好，或者底基层、路基刚度较大且无托空，那么上述 三个过程区分将不明显。图1 - 2 显示了汽车荷载行驶经裂缝正上方时，面层底部的应力强度因子变化 值。 2 第一章绪论 辩1 离 图卜2 行车荷载作用下，裂缝尖端麻力强度因子变化示意图 由图卜2 可以看出，行车荷载作用下的最不利位置有两种，一种是荷载作用于裂缝的两侧，在这 种荷载作用下，裂缝两侧产生最大的位移差，造成剪切型反射裂缝；另一种最不利情况是荷载作用在 裂缝的顶面，由丁二基层裂缝处不能承受拉应力，所以裂缝处顶面的沥青面层中的i 型应力强度因子最 大。根据弹性地基梁理论和断裂力学的分析结果，l y t t o n 等人认为，当裂缝扩展到一半厚度时，弯拉 对裂缝的扩展就基本没有影响了，裂缝已经闭合，这点在l o t s u 的中梁疲劳试验和本文后续的分析中 都可以证实。 l 1 5 2 影响反射裂缝的因素 温度、荷载固然足反射裂缝的影响冈素，但是路面结构本身的特性也影响着反射裂缝的产生与发 展。包括：半刚性基层与沥青面层之间的层间枯结性能，面层的结构参数与材料性能、基层、 底基层、路基的结构参数与材料参数。 同济大学的于宝明对影响反射裂缝产生的各因素进行了三维有限元分析，结果显示“，影响温度 型反射裂缝的主要因素是基层与面层之问的粘结状况、面层厚度、缝宽以及半刚性材料的温度收缩系 数。沥青混凝土与半刚性材料的模量对面层的温度型反射裂缝的形成也有一定影响。而其它因素的影 响可以忽略。 对于弯拉型反射裂缝，在正中荷载作用下，对面层的应力分析表明：应力随着层间剪切模量的减 小而增大，随面层厚度的增加而减小，随基层的模量增大而减小。 影响剪切型反射裂缝最主要的因素有：层间粘结性能、面层模量、面层厚度、基层裂缝宽度、基 层的模量及厚度。 各种因素的影响汇总如表1 2 【l ： 表1 2 反射裂缝影响因素分析表 反射裂缝出现的可能型 影响因素 影响因素变化趋势 温度型反射裂缝荷裁型反射裂缝 层间界面剪切模量增大增加减小 沥青混凝土劲度模量增大增大增加 面层厚度增大 减小减小 基层裂缝宽度增大 减小减小 基层厚度增大影响较小减小 地基模量增大影响较小减小 路面材料温缩系数增大 增加不变 3 玉晋盖晋赴晋 东南人学硕上学位论文 1 2 反射裂缝的各类防治措施 目前国内外对减少半刚性路面裂缝的主要思路是： 从基层入手改善基层材料的抗裂性能； 从面层本身的结构和材料着手，改善沥青面层的抗裂性能； 在界面铺设夹层材料，起到防治反射裂缝的作用。 针对半刚性基层沥青路面反射裂缝具体采取的措施有： ( 1 ) 增强基层材料的抗裂措施 反射裂缝是首先开始于基层的裂缝形式，所以增强基层的抗裂性能至关重要。半刚性基层的开裂主 要是由于半刚性材料的温缩和干缩，所以增强半刚性基层的抗裂性能的根本在于改善半刚性材料的温缩 和干缩性能。 通过进行半刚性基层材料的合理设计，如：调整结合料用量与比例，增加粗骨科含量并严格设计级 配，以尽可能的减小其温缩和干缩系数，增加半刚性基层材料的抗裂性能，但是不能从根本上消除半刚 性材料的开裂而导致的路面反射裂缝p 】。 值得注意的是，由于改善半刚性材料本身性能效果其微，基层预裂缝这种方法随之产生。基层预切 缝是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距预先锯缝，起到预先释放基层材料收缩应力的作用。基层 采用预锯缝来减少沥青面层反射裂缝的措施在国内外工程实践中有一定的应用，在国外应用较早”l ，如： 德国1 9 8 6 年设计规范规定，当沥青面层厚度小于或等于1 4 c m 时，基层厚度不管多大，只要基层抗压强度 不大于1 2 m p a ，基层必须预切缝。但是从近年来国内外使用经验来看，防裂效果并不是很明显。 ( 2 ) 增强沥青面层的抗裂性能 增强沥青面层抗裂性能主要包括两个方面：改善沥青面层材料和增加沥青面层的厚度。 改善渤青面层的材料主要足采用改性沥青、或是采用纤维沥青混合料等措施，这种措施在一定程度 上可以增强沥青面层抵抗反射裂缝的能力，从而延缓裂缝在沥青面层内的扩展速度。但是从不同环境下 的使用情况看来，这种措施并不能有效防治反射裂缝，而且由于采用改性沥青或是纤维混凝土的沥青面 层价格昂贵，从经济性的原则上看，“性价比”较低。 通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝，国际上通用的结论是需要将沥青面层增加至1 5 2 5 cm i “。增加加铺层厚度，一方面可以减少基层的温度变化，并降低加铺层的拉应力，另一方面可以增 加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少面层底部的剪切应力。同时，可以延长其疲劳寿命。 但单纯依靠增加加铺层厚度的方法有其弊端，一方面增加加铺层厚度可能会受到路面标高的限制， 另一方面增加加铺层厚度，必将大幅度增加路面造价，而且在夏季高温时沥青混合料高温蠕变易产生车 辙，同时会削弱由于半刚性基层而产生的强基薄面的优势，故而这一方法有很大的局限性。从己铺筑的 高速公路的实例来看，裂缝情况随着面层厚度的加大有明显的改善，但是车辙随着路面厚度的增加而随 之增加。 ( 3 ) 在沥青面层和半刚性基层之间采用夹层体系 采用夹层体系的基本做法是在界面处铺设一层高劲度的应变吸收层，或一层有一定厚度、低劲度能 起到应力吸收作用的薄层。通常夹层体系包含以下三类：级配碎石层、s 啮l i 应力吸收层、土工合成材料。 级配碎石层是将具有一定厚度的优质级配碎石”1 作为上基层，而半刚性材料作为下卧层，这种上柔 下刚式的“三明治”式结构在很大程度上能够防止和减少反射裂缝，同时级配碎石基层还能充当具有排 水功能的基层。级配碎石层是由特粗式开级配沥青碎石混合料所组成，具有2 0 3 5 的空隙率，它提供 了一种散逸运动的方式，能够把交通荷载与环境温度作用下所引起的基层面板产生的运动消散掉。目前 国内将级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层的设计尚不多见，但在美国、澳大利亚以及南 非已作为减少沥青路面反射裂缝的措施获得了较多应用，且效果较好。但是与其他方法相比，增加级配 碎石层的经济性值得商榷。 s a m i ( 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 ) 是一种低弹性模量，高韧性的应力吸收材料。用 这种材料铺设的应力吸收层从结构的角度延缓了裂缝尖端的应力集中，因此起到了较为明显的防裂效 果。根据断裂力学的理论，如果面层与基层完全失去粘结就可以完全消除由于基层开裂而对沥青面层的 4 第一荦绪论 应力集中，但是这种方法在现实中是不可能实施的，采用低模舒的中间夹层却是可以实现的，中问夹层 通常具有较低的弹性模龌且能承受很大的应变而不破坏，在路面结构中它能依靠自身的塑性变形来吸收 应力，不致把很大的应变传递剑面层上。在实际运用中，这种软弱夹层施j 二有一定难度，而且使用效果 褒贬不一。 在半刚性基层顶面设置各种土工合成材料来防治反射裂缝是近年来研究和应用比较多的防裂措施， 其中使用最多的是士工织物和玻纤格栅，这西种都是一种单一的夹层。低劲度的土工织物在沥青面层和 半刚性基层之间能够起到良好的应力吸收作用，而且随着土工织物模蕈的降低，效果越明显。国内外研 究和戍用的结果表明，低劲度土丁二织物作为应力吸收层有着比较好的效果，相比s a m 有着良好的经济性， 并且易于施工。玻纤格栅是一种高劲度的土工合成材料，将其设置在沥青面层和半刚性基层之间起到了 应变吸收的作用。玻纤格栅在限制基层运动的同时也为沥青面层提供了强度，玻纤格栅的使用效果随着 其模量的增加而越明显。 在各类防裂措施中，在面层和基层之间铺设一层夹层是一种有效而广泛使用的防裂措施，并且具有 较高的经济性。但是国内外使用的结果表明：在某些情况下，这些单一的夹层有效的防治了反射裂缝， 而在另一些情况下，这些单一夹层的使用效果却差强人意”l 。 1 3 i s a c 防裂夹层 美国伊利诺斯大学的m u k h t a r 和d e m p s e y 研究了导致反射裂缝的原因，和延缓反射裂缝扩展的各 类措施。他们研究认为，这些单一的夹层都没有足够的能力有效防治反射裂缝。这些措施在某些环境 下显示出了较好的防反性能，但是大部分情况，尤其是在较恶劣的环境中，这些措施都形同虚设。 通过对反射裂缝机理和单一夹层作用下沥青混凝十裂缝形成发展的深入研究，m u k h t a r 和d e m p s e y 认为无论是s a m i 、土工织物还是玻纤格栅都不能有效控制裂缝在沥青面层中的扩展。当f 卧层产生 运动时，由粘弹性材料组成的应力吸收层和j 7 度较厚、劲度较低的土工织物仅仅只是部分的削减沥青 面层内的席力。高劲度的玻纤格栅能为沥青面层提供加强作用，暂时性的延缓裂缝的运动，但是不能 允许沥青面层和基层间发生相对运动。如果采用一种复合夹层，由高劲度材料和低劲度材料组成，这 两种材料共同工作应能有效削弱裂缝尖端的应力强度，而且还为加铺层提供了强度，从而起到防治反 射裂缝的作用。 基于此，一种叫i s a c ( i n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t e ) 的复合夹层诞生了。 1 3 1i s a c ( i n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t e ) 的结构”1 图卜3i s a c 复合夹层结构组成示意图 i s a c 系统一般包括低劲度的土工织物、粘弹性膜，和高劲土工织物三层材料组成，是一种“三 明治”结构，见图1 3 。 低模量、低劲度的土工织物放在复合夹层的底部，这一层有如下三个功能： 1 ) 保护粘弹性膜： 2 ) 在粘结层的帮助下与原有路面充分粘结： 3 ) 在接缝裂缝处能容纳足够大的应变以允许基层的水平运动而不破坏与路面的粘结。 粘弹性膜在i s a c 中用作中间粘结层，一个例子是在两层土工合成材料之问铺设5 7 m m 的橡胶沥 青。粘弹性膜层有如下三方面的功能： 1 ) 在两层土工织物之间提供柔性粘结； 2 ) 起到应力吸收夹层( s 删i ) 的作用并允许在土工织物的项部和底部以及面层和基层之间有相对水 5 东南大学硕上学位论文 平运动： 3 ) 防l p 水进入基层引起沥青面层的裂缝发展。 高模量，高劲度的土工织物( 玻纤格栅) 形成i s a c 的上层。这一层被认为具有如下功能： 1 ) 保护牯弹性膜： 2 ) 与沥青面层充分粘结； 3 ) 为沥青面层提供高劲度和强度，抵抗裂缝扩展，同时其较小的容许变形率可以减轻底部变形。 1 3 2i s a c 作用原理i ” i s a c 材料在路面罩面系统中作为一个隔离层。一旦基层在发生收缩，基层产生水平位移，原有接 缝( 裂缝) 开裂增加。与基层充分粘结的低幼度土t 织物允许非粘结部分有较大的应变，其长度增加 与板中发生的温缩所引起的收缩量相当。由于粘弹性膜的粘弹特性，薄膜层将逐渐发生应力松弛，使 得上部玻纤格栅的拉应力消散。如图l 一4 示。 ( a ) y 辚鬻攀安i 茹筝；筝哥$ 。 i。一。i ：| b 蠢：承，r ，。；w i ( b ) j ，襁l i 内的应力消数 f ，* 。，。l ：j l b ，；。一扎。 i l 稿弹性糜发生内应力消致 ( c ) 图卜4i s a c 作用原理示意图 1 4 国内外研究现状 自从这种新材料诞生后，世界上很多学者都对i s a c 进行了研究。其中又以美国伊利诺斯大学的 研究成果 s l 为代表。 伊利诺斯大学对i s a c 的各层材料选择试验进行了详细研究，认为高劲度的玻纤格栅、橡胶沥青 和土t 织物必须符合一定的劲度要求才能用来制作i s a c 。玻纤格栅和土工织物的模量确定应用张拉 实验来确定，而橡胶沥青的劲度模量则要通过橡胶沥青的剪切实验来确定a 伊利诺斯大学的研究认为，i s a c 中的橡胶沥青是i s a c 防裂体系设计的关键。由于橡胶沥青是一 层低劲度的粘弹性薄膜，它的存在是沥青路面中间出现了一个薄弱层，为了防止沥青路面的整体滑移， 必须保证i s a c 在高温低速剪切速率下有足够的剪切强度。研究证明。通过对i s a c 中的橡胶沥青改 性( 掺入一定量的石灰粉) ，可以明显的提高i s a c 在高温低速剪切试验中的抗剪强度。 伊利诺斯大学还对i s a c 防治反射裂缝的有效性进行了实验室研究。研究结果证明，i s a c 防裂夹 层的使用效果大大由于单一的夹层。 6 一 第一章绪论 东南大学交通学院的李春雷在其硕十论文1 9 1 中介绍了i s a c 防j t 反射裂缝的理论，并_ l j 断裂力学一 有限元方法对其力学作用机理进行了分析。但是对其i s a c 有效性的试验验证和理论验证，国内还没有 进一步的研究成果。 1 5 本文的技术路线和研究内容 一、技术路线 本文通过a b a q u s 有限元丁具，对i s a c 防治半刚性基层反射裂缝的作用机理、作用效果和影响 因素进行研究和对比分析；另外借助疲劳断裂力学工具，预估i s a c 防裂路面的疲劳寿命，对比比较 i s a c 防裂路面和单一夹层防裂路面在疲劳寿命上的差别；通过计算疲劳断裂参数c 。，对比分析i s a c 和单一夹层的防裂效果、及其影响因素。从理论上证明i s a c 比其它单一夹层在防治半刚性基层沥青 路面反射裂缝方面的优越性。 二、研究内容 1 、通过对各类夹层防裂路面结构在行车荷载作用下的对比分析，揭示i s a c 的防裂机理； 2 、变化各类夹层模量，和面层、基层模量，对比分析各影响因素对i s a c 和单一夹层防裂结构应 力强度因子的影响： 3 、通过计算各类路面结构( 不同夹层防裂) 在行车荷载下的疲劳扩展寿命，对比分析i s a c 与单 一夹层对路面结构反射裂缝疲劳寿命的影响； 4 、计算i s a c 和单一夹层作用下的面层沥青混合料的疲劳断裂参数c 。，对比分析i s a c 和单一 夹层对防裂效果的影响。 5 、变化各类夹层模量，和面层、基层模量，对比分析各影响因素对疲劳断裂参数c 的影响。 7 东南大学硕十学位论文 第二章有限元理论及断裂力学基础 2 1 有限元理论 2 1 1 等