（道路与铁道工程专业论文）刚性路面罩面结构组合应用研究.pdf

t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nr i g i d r o a do v e r l a yp a v e m e n t c o m b i n a t i o n b y s h e nx u b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a l s a t i s f a c t i o nb f i f i - e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo f v e h i c l eo p e r a t i o ne n g i n e e r i n g 1 n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw u h e p i n g m a y , 2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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后果 由本人承担。 作者签名：哆月砌日 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。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到中国学位论 文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打鼻) 作者签名： f 咤丸眵 日期：沙f ，年够月日 导师签名： 日期：加伊牛月劢日 摘要 我国的公路建设已经有将近三十年，公路高速度、大规模的发展，已经取得 了前所未有的程度。随着交通量的迅猛发展，加之重载车辆数量的急剧增加等原 因，公路路面早期破坏现象日益严重。 而我国早期修建的大部分是水泥混凝土路面，使用到如今，大部分的水泥混 凝土路面已经不堪重负，今后的一个时期内，都将是公路水泥混凝土路面大修改 造的时期。国外在加铺罩面层的维修技术上开始较早，经验比较成熟，而我国这 方面起步较晚，大部分侧重在施工方法和实际应用的效果评价。目前国内外对于 一+ 一 旧水泥混凝土路面的大修改造方法主要有三种，其中在旧路面上加铺沥青罩面层 是最有效，最常用的方法。这样可以较好的改善路面使用性能，延长路面使用寿 命，同时充分利用了原有路面，节约成本。 本文对我国的水泥混凝土路面使用和大修改造现状进行了分析。总结旧路面 产生病害的原因，同时对于旧水泥混凝土路面的使用性能和结构性能的评价做了 系统分析，这对加铺层的设计至关重要，也是罩面层设计的依据。而罩面层的结 构设计方法及理论一直是国内外道路工作者研究的重点地方，国内外的设计理论 方法差异比较大，系统总结了国内外现有的沥青罩面设计方法，并进行比较评价。 通过这些设计方法，探讨加铺层结构设计方法，提出加铺方案的选择原则，根据 工程实践，和理论分析，提出不同公路等级，不同交通量条件下的沥青罩面层典 型结构，并运用于试验路段上检验证明结构的合理适用性。 关键词：1 日水泥混凝土路面；沥青罩面；病害处治；旧路评价；设计方法；典型 结构 ， ： ； a bs t r a c t o u rc o u n t r y sh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sb e e nn e a r l yt h r e ed e c a d e s ，t h eh i g h w a y s h i g hs p e e d ，l a r g e - s c a l ed e v e l o p m e n t ，h a sa c h i e v e da nu n p r e c e d e n t e dl e v e l w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft r a f f i c ，c o u p l e dw i t ht h er a p i di n c r e a s ei nt h en u m b e ro fh e a v v v e h i c l e sa n do t h e rr e a s o n s ，t h ee a r l yd a m a g eo f h i g h w a yp a v e m e n ti sb e c o m i n gm o r e a n dm o r es e v e r e w h i l ei no u rc o u n t r y , m o s to ft h ee a r l yc o n s t r u c t i o no fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t u s e dt on o w , m o s to ft h e ma r e a l r e a d yc r u m b l i n g i naf u t u r ep e r i o d ，w i l lb et h e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to v e r h a u lp e r i o d t h em a i n t e n a n c e t e c h n i c a lo fo v e r l a y p a v e m e n ts t a r t e a r l i e ri n o v e r s e a s ，i sm a t u r e i nt h ee x p e r i e n c e ，w h i l eo u rc o u n t r ys t a r t l a t e lm o s to ft h ee m p h a s i so np r a c t i c a la p p l i c a t i o n si nt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d sa n d t h ee f f e c to fe v a l u a t i o n a th o m ea n da b r o a df o r 也eo v e r h a u lo fe x i s t i n g c e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n ，t h e r ea r et h r e em a i nm e t h o d s ，i nw h i c ht h ea s p h a l t o v e r l a yo nt h eo l dr o a di st h em o s te f f e c t i v ea n dm o s tc o m m o n l yu s e dm e t h o d t h i s c a r lb e t t e ri m p r o v et h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c ea n de x t e n dt h ep a v e m e n tl i f e ，t a k i n gf u l l a d v a n t a g eo f t h ee x i s t i n gp a v e m e n ta n d _ c o s ts a v i n g s i nt h i sp a p e r , t h eu s eo fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n dt h eo v e r h a u lo f t h ec u r l e n t s i t u a t i o ni s a n a l y z e d s u m m a r i z e st h er e a s o n sf o rt h eo l dp a v e m e n to ft h ed i s e a s e w h i l e s y s t e ma n a l y s i sf o rt h e o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n d s t r u c t u r a lp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n w h i c hi sc r i t i c a lt ot h ed e s i g n ，a n di st h eb a s eo f t h e o v e r l a yd e s i g n t h eo v e r l a yd e s i g nm e t h o da n dt h e o r yh a sb e e nt h ef o c u so ft h et o a d w o r k e r ss t u d ya th o m ea n da b r o a d t h ed i f f e r e n c e si nd e s i g nt h e o r ym e t h o dh o m ea n d a b r o a da r eg r e a t ，s y s t e ms u m m a r i z e st h ee x i s t i n ga s p h a l to v e r l a yd e s i g no fd o m e s t i c a n da b r o a da n dc a r r i e so nt h e c o m p a r a t i v ea n de v a l u a t i o n t h r o u g ht h e s ed e s i g n m e t h o d so fo v e r l a yd e s i g nm e t h o d ，p r o p o s e dt h es e l e c t i o np r i n c i p l eo ft h e o v e r l a y p r o g r a m ，a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，p r o p o s e dt h e t y p i c a ls t r u c t u r eo fa s p h a l to v e r l a y sw i t ht h ed i f f e r e n tr o a dg r a d e sa n dd i f f e r e n tt r a f f i c c o n d i t i o n s ， a n d a p p l i e d t o h i g h w a yt e s t s e c t i o nt oc e r t i f i c a t et h er e a s o n a b l e a p p l i c a b i l i t yo ft h es t r u c t u r e k e yw o r d ：o i dc 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 ；d i s e a s et r e a t m e n t ； e v a l u a t i o no fo l dr o a d ；d e s i g nm e t h o d ；t y p i c a ls t r u c t u r e 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 问题的提出1 1 2 国内外研究概况2 1 3 本文研究的内容。1 4 第二章旧混凝土路面使用状况评价 2 1 水泥混凝土路面病害类型及处治办法1 5 2 2 路面使用状况调查和评定1 8 2 3 路面结构性能调查评定2 l 2 4d 、结一2 6 第三章刚性路面罩面结构组合与典型结构 3 1 刚性路面罩面结构设计步骤2 7 3 2 算例3 0 3 3 刚性路面罩面结构组合与典型结构3 3 3 4 ，j 、结3 5 第四章试验路工程实例 4 1 工程概况3 6 4 2 罩面结构设计依据与工程技术标准3 6 4 3 路面病害与板底脱空状况调查汇总3 6 4 4 试验路罩面结构方案一4 3 4 5 沥青罩面层沥青混合料配合比设计4 4 4 6 工程结论。5 5 4 7d 、结。5 6 第五章主要结论与进一步研究建议 5 1 主要结论5 8 5 2 进一步研究建议5 8 参考文献16 0 致谢6 3 l 附录a 攻读硕士期间发表的论文6 4 附录b 攻读硕士期间参与的科研项目6 5 2 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国的水泥混凝土路面始建于二十世纪六十年代，八十年代以来得到了迅速 发展。自二十世纪七十年代以来，我国的水泥混凝土路面以每年以2 5 左右的速 度迅猛增长。截止2 0 0 7 年底，我国公路建成总里程3 5 8 3 7 万千米，其中水泥混 凝土路面总里程达到8 4 8 8 万千米，沥青路面4 0 1 6 万千米，占水泥、沥青两种高 级路面的6 7 8 8 ，这些里程数据不包括城市市政工程的水泥路面，2 0 0 2 年我国的 水泥路面以每年建成数百千米的速度增长，而2 0 0 5 年到2 0 0 7 年，由于农村公路 的打规模建设，我国水泥路面以2 0 3 0 余万千米的速度增长，截止2 0 0 7 年，水泥 混凝土路面总里程已经突破1 0 0 万千米。中国目前的公路水泥混凝土路面建造里 程已居世界第一。 水泥混凝路面与其他类型路面相比，其具有强度高，稳定性好，耐久性好， 并且十分利于夜间行车等有点。但是水泥混凝土这种材料具有一定的脆性性质和 体积敏感性，所以这种材料的路面需要设置各种接缝，这些接缝不但会增加施工 和养护的复杂性，而且容易引起行车跳动，影响行车的舒适性，最重要的是，由 于纵横缝较多，目前尚无高效的灌缝材料，路面投入使用后，灌缝难度大，效果 也比较差，这样水分易于渗入，从而损坏基层及至损坏面层，所以接缝是路面的 薄弱点，处理不当，将导致路面板边和板角破坏。水泥混凝土路面完工后，要经 过潮湿养生，开放交通会延迟，路面损坏后修复难度大，维护费用高，并且修复 后的效果并不十分理想等缺点。 目前我国的水泥混凝土路面使用状况存在不少问题，其中早期修建的水泥混 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，随着交 通量迅速增长、车辆大型化、超载严重、行驶渠道化等，许多已经建成的路面遭 受一定的考验。再加之养护、设计或者施工因素的影响，路面出现各种破损病害 如：板块断裂、表面磨光、接缝破损等不同程度的结构性破坏和功能性缺陷，严 重影响了道路的服务水平，对驾驶的舒适性以及行车的安全性也造成不小的影响 1 2 1 。所以大量已修建成的水泥混凝土路面都将面临着大修或者改建。因此怎样科学 有效地对水泥混凝土路面进行维修、改造已确保路面的使用质量、有效地延长路 面的使用寿命是混凝土路面在建成之后道路工程界一个技术难题。 水泥混凝土路面大修或者改建是个复杂的难题，现在国内外一般采用的处理 方法主要有三种：一是加铺新水泥混凝土面层，二是对原有的水泥混凝土路面进 1 行翻修，三是加铺沥青混凝土面层。第一种方法，也就是所谓的“白加自”，因为 加铺新的水泥混凝土面层其厚度二般不低于2 0 c m ，工程造价较高，加铺后路面养 护期达2 8 天，养护时间比较长，难以应用于交通繁忙的路段，对交通有一定的影 响。而第二种方法对原有的水泥混凝土路面进行翻修，这种措施因其旧板破碎运 输等环节需要的总成本比较高，并且对交通和环境有一定的影响，通常用于原有 水泥混凝土路面损坏非常严重而无法加铺沥青混凝土或水泥混凝土罩面结构层的 情况的路段，或者因原有路面的路基有严重缺陷影响正常使用的路段以及原路面 标高严禁升高的路面路段。第三种措施是目前最常用的方法，又称之为“白+ 黑”结 构，由于旧水泥混凝土路面提供了坚实稳定的基层，沥青混凝土罩面则提供了一 个抗滑性能和平整度极好，维护较简单的面层，这样可以大大改善路面使用性能， 延长路面使用寿命，又充分利用了原有路面，且具有造价低、施工方便、修复周 期短、对交通的影响小等的优点在旧水泥混凝土路面改造中得到了广泛的应用。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 旧水泥混凝土路面加铺层的研究现状 水泥混凝土路面的大修改造研究一直以来是各个国家道路学者关注度比较大 的一个方面，也是一个没有完全得到规范的一个方面。从开始研究水泥混凝土路 面加铺层改造到现在虽然已有了几十年的时间，进展较缓慢，并且仍未有公认的、 合理的、可行的、并且在技术和经济上都令人满意的设计方法【3 4 l 。在水泥混凝土 路面上加铺罩面结构是一个复杂性大的难题，加之交通、环境、气候各种因素的 影响，给施工设计部门带来了很大的难题。 上面一节内容有指出，目前对于水泥混凝土路面的大修或者改建所采取的方 法主要有三种，下面主要介绍两种方法“白+ 白 方案和“白+ 黑 方案。 旧水泥混凝土路面上进行是水泥混凝土加铺层的设计，可以按照力学分析法 和经验法进行设计。力学分析法以弹性地基板理论解为基础，利用钻孔和弯沉测 定得到的结构参数进行分析，按照混凝土路面的设计标准也就是疲劳断裂确定所 需要的厚度；而经验法是采用补足厚度缺额的概念，利用由试验验证结果建立的 经验厚度关系式来计算厚度。 加铺层的结构方案按照原路面的结构和损坏状况以及新路面的使用要求，一 般采用分离式和结合式两种加铺层结构方案。 分离式的加铺方案适合于旧水泥混凝土面层的损坏状况和接缝传荷能力评定 等级为中或次，或者新旧混凝土面层板的平面尺寸不同、接缝形式或位置不对应 或者路拱横坡不一致时。在清除旧面层表面的松散碎屑和由接缝内挤出的填缝料 后，铺设一层由沥青混合料组成的隔离层，再铺筑水泥混凝土加铺层。隔离层主 2 要是为了防止加铺层和旧面层黏结的作用，同时必要时还可以起整平层和调节横 坡、高程的作用。而这一层沥青混合料的隔离层的最小厚度一般为2 5 m m 。也因为 加设了隔离层，旧面层的接缝和裂缝一般不会影响到加铺层而使之产生反射裂缝， 因为，分离式的加铺层用于损坏或者开裂比较严重的混凝土路面上，若旧面板有 板底脱空引起的唧泥、错台等损坏时，还应先进行处理后再铺设隔离层。 结合式的加铺层设计适用于旧水泥混凝土面层的损坏状况和接缝传荷能力评 定等级为优良的状况，面层板平面板的平面尺寸和接缝布置合理，路拱横坡符合 要求时。结合式的加铺层实际中，一般先采用冷磨、高压水、喷射高压气、酸蚀 或钢珠等方法刨松和清理旧路面表层，并在清理后的表面涂水泥浆、乳胶或环氧 等黏结剂后，铺筑水泥混凝土加铺层。因为加铺层和旧面层结合成一个整体，旧 面层的接缝和发展性裂缝很有可能反射到加铺层上。因此，加铺层的接缝形式和 位置必须与旧面层的完全对应，同时，旧面层存在进展性裂缝或接缝裂缝错台， 也必须对这些病害进行修复后才能采用结合式加铺层。 在旧水泥混凝土面层上面加铺沥青混合料面层所形成的符合路面结构简称为 “白+ 黑”路面结构。“白+ 黑”路面结构在我国起步比较晚，而在国外开展研究比 较早。“白+ 黑”这种路面结构最大的问题是在加铺的沥青混合料面层上会出现反 射裂缝，这是不可避免的问题。反射裂缝是由于旧面层在接缝或者裂缝附近的位 移引起接缝或者裂缝上方沥青加铺层内出现引力集中所造成。包括了环境温度的 变化引起的旧面层水平向伸缩和由于荷载作用引起的旧面层板边缘竖向弯沉。这冀 样一来，前者导致接缝或者接缝上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力，而后 者则使接缝上方的沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。研究预防和延缓 旧水泥混凝土面层上沥青加铺层反射裂缝的措施一直是国内外在加铺层设计中研 究的一个重点。 防治和延缓反射裂缝的措施主要有几种：在沥青混合料加铺层上锯切横缝； 采用厚的加铺层；裂缝缓解层；破碎和固定1 日面板；设置各种夹层。 水泥混凝土路面在发达国家中已经有了很长的修建历史，早在二十世纪三十 年代，国外就已在1 日水泥混凝土路面加铺罩面的维修技术上开始尝试，在对水泥 混凝土路面维修养护上，经验比较成熟。首先是在对1 日水泥混凝土路面的破损维 修的问题上，国外开张研究比较早，如美国联邦公路局( f h w a ) 在1 9 8 5 年依据研 究成果出版的水泥混凝土路面修复手册，1 9 8 8 年对其进行了修订，此手册在水 泥混凝土路面排水、裂缝的修补、旧混凝土路面材料的再生利用等方面做出了各 项具体的规定。其次在对旧水凝混凝土加铺沥青罩面层的研究开展也比较早，五 十年代初期，以多条试验路研究为基础，提出了水泥混凝土路面差额概念的沥青 加铺厚度计算方法。美国陆军工程兵( w a t e r w a y ) 试验中心又在试验的基础上于 1 9 8 1 年进行修正，提出了动力刚度模量法和弹性层状理论法两种沥青加铺层设计 3 方法【5 l 。a a s h t o 设计方法是通过等效结构来确定加铺层厚度，并且它的实用性 已被世界所公认【6 】。欧洲的很多专家也采用线弹性断裂力学、弹性层状体系理论、 能量原理等方法对此进行了大量计算分析，同样提出了各自的理论方法【7 , 8 , 9 】。另 外，日本、英国也对这方面做了大量的研究分析。 由于旧水泥混凝土路面上有接缝、裂缝以及在车辆和温度应力的综合作用下， 新加铺沥青罩面层会普遍产生反射裂缝，若处理不当会使新加铺的罩面层在使用 不久就需要修复，造成费用上升，使经济效益受到损失。所以自二十世纪六十年 代以来国内外道路工程专家对沥青罩面层结构设计方法中对反射裂缝的研究一直 比较活跃，就是为了系统地研究反射裂缝产生的机理，寻找控制并能延缓反射裂 缝产生的方法，从而更好地发挥罩面层的使用性能，延长罩面层的使用寿命。如 美国联邦公路局( f h w a ) 在1 9 7 0 年提出减少沥青加铺层反射裂缝的庞大研究计划， 该计划包括加铺层厚度，沥青混合料外掺剂等研究内容【3 4 】。而到了七十年代，土 工合成材料土工布、玻纤格栅等在许多道路加铺层改造中被用于防止反射裂缝。 但是对于这种结构，目前还没有成熟的路面结构模型。因此在设计罩面层结构时 没有考虑使用这些土工合成材料的变化，而仍沿用原有的设计方法和标准。 在我国，对于旧水泥混凝土路面维修问题上，也都十分重视，同样进行了大 量的研究。“七五”期间开展了国家第2 5 号课题我国水泥混凝土路面发展对策及 维修技术研究，但仅对维修材料进行了一些试验研究，对于加铺层的结构类型， 结构设计、施工等万面还有待深化研究。八十年代开始，国内同济大学、长安大 学、华中科技大学等高校和一些科研机构也相继开展这方面的研究，结合实践， 铺筑了大量的试验路。主要的方法是增加沥青加铺层的厚度，选用比较优质的沥 青材料，设置土工合成材料、以及对旧面板进行断裂稳固处理等。大部分侧重于 施工方法和实际应用效果的评价，理论的内容很少【1 0 , 1 1 , 1 2 1 。 目前我国使用的：沥青路面设计规范中，对加铺沥青罩面层还没有明确的 设计体系和设计指标，也没有规定沥青罩面层的施工做出规定，仅对水泥混凝土 路面上加铺水泥混凝土和钢纤维混凝土的设计做出了规定【1 3 1 。近些年国内一些设 计单位一般依据工程的实际情况，根据工程需要借鉴国外的经验，而从各个角度 开展研究工作，没有形成一个体系来指导罩面的设计与施工 1 2 2 国内外设计方法的评价与分析 这种在1 日混凝土路面上加铺沥青罩面层所形成的是一种特殊的路面结构，其 应力、应变特征与一般的路面结构设计体系有较大的差别，它不同于单纯的混凝 土路面结构设计或者沥青路面结构设计，因此，罩面层的结构设计方法及理论一 直是国内外道路工作者研究的重点地方。对于加铺层的设计，在1 9 6 0 年之前，大 多数部门主要依赖于工程判断和经验确定加铺层的厚度、类型。1 9 6 0 年以来，非 4 破损弯沉测试在路面上的应用得到了广泛的认可，根据弯沉测试的路面状况评估， 更多合理的方法得到了发展。而旧水泥混凝土路面上加铺的沥青罩面层厚度设计 方法，国内外差异比较大，国外对旧水泥混凝土路面上加铺沥青罩面的结构研究 较早，并做了大量试验路段，在此基础上，提出了相应的设计方法。一般是用经 验法和半经验法来确定罩面层厚度，通常的设计方法有美国沥青协会( a i ) 的弯沉设 计方法、美国陆军工程师部队( c o e ) 的不足厚度缺额设计方法、a r e ( a u s t i n r e s e a r c he n g i n e e i s ) 方法、美国各州公路运输工作者协会( a a s h r o ) 的断裂间距法、 美国各州公路运输工作者协会( a a s h t o ) 的经验法、日本的t a 法、无破损测试 n d t i 法和无破损测试n d t 2 法等。不管采用何种方法，重要的是做路面状况调查 评价，对旧路面破损严重的地方在加铺之前必须做适当的修补。 1 2 2 1 国外设计方法 1 ) 美国沥青协会( a i ) 的弯沉法 美国沥青协会认为沥青罩面层产生裂缝的原因是因为有水平方向的温缩热胀 和水泥混凝土板的竖向弯沉差。而竖向弯沉差的危害更大，也就是说旧混凝土面 板接缝或者裂缝处的弯沉差事引起沥青罩面层开裂的主要原因。另一方面轮载作 用的频率远远高于温度变化引起旧面板伸缩位移。所以罩面设计中主要应考虑容 许垂直应力，收缩膨胀在加铺层中引起的水平应力在设计中不考虑。因而，美国 沥青协会( a i ) 【3 4 】以控制接缝或者裂缝处的板边平均弯沉量和弯沉差为设计要求。 设计标准荷载为单后轴8 0 k n ，轮胎压力为0 5 5 2 m p a ，轮缘间距为5 c m 。设计参数 主要是考虑板长、应力吸收薄膜层、排水下封层和对旧水泥混凝土面板的破碎和 稳定处理。设计指标是相邻板块之间的竖向弯沉差和平均弯沉值，设计方法的实。 质是为了控制接缝或者裂缝处沥青罩面层的剪切变形，见图1 1 。 其标准为： ( 1 ) 接缝或者裂缝两侧的板边弯沉差( c o l 一卿，) 0 0 5 m m ； ( 2 ) 接缝或者裂缝两侧的板边平均弯沉值徊，+ q ，) 2 0 3 6 r a m 。 其中，妣和国f ，相应为受荷板和非受荷板的板边弯沉值，由8 0 k n 轴载和贝克 曼梁测定。而对于连续配筋混凝土面层，其弯沉量的控制标准为牛o 0 1 5 m m 。 s 图1 1 接缝或者裂缝两侧板边弯沉 通过铺设沥青罩面层，可以降低旧水泥混凝土面板接缝或裂缝处的弯沉量， 每厘米厚度的密集配沥青混凝土加铺层约可以降低2 的弯沉量，最高可以到 4 5 。当需要降低的弯沉值过大，超过5 0 时，若采取厚沥青罩面层是不经济 的。此时就应该采取别的措施提高接缝或者裂缝处的路面结构刚度，来降低旧水 泥混凝土面板的弯沉值，主要措施有板底脱空部位灌浆填封、设置边缘排水系统、 置换损坏板、恢复接缝传荷装置设传力杆等等。 这种设计方法建议的沥青罩面厚度，会随着旧面板的长度以及当地的年平均 温度差而变化，厚度选用参见表1 1 表1 1水泥混凝土面层上沥青罩面层的选用厚度( m m ) 旧混凝土面层板长度年平均日温差丁( ) ( m ) 1 72 22 83 33 94 4 31 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 0 4 51 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 1 0 0 61 0 01 0 01 0 01 0 01 2 5 1 4 0 7 51 0 01 0 01 0 01 2 5 1 5 01 7 5 91 0 01 0 01 2 51 5 0 1 7 02 0 0 1 0 5 1 0 01 1 51 5 0 1 7 5 2 1 5 1 21 0 01 4 01 7 52 0 0 1 3 51 1 51 5 01 9 02 2 5 1 51 2 51 7 52 1 5 注：需采用其他措施，如破碎和固定旧混凝土面板或者带排水系统的裂缝缓解层 6 表中的年平均日温差为最热月和最冷月的最大日最高温度与最小日最低温度 差的三十年平均值。沥青罩面层的最小厚度为1 0 0 m m ，约可以降低2 0 的弯沉量， 并要求保证接缝或者裂缝上方的罩面层与旧面板有较好的结合和压实度。若沥青 罩面层的厚度超过2 0 0 r a m 2 2 5 m m 时，一般都会引起纵坡变化、交通设置需移置、 产生立交净空等其他问题，表3 1 中对于罩面层超过这个范围时规定了需要采取其 他措施。而厚度在1 0 0 m m 2 1 5 m m 范围内的，也可以采取一些减少反射裂缝的措 施而采用较薄的沥青罩面层厚度。 2 ) 美国陆军工程师部队( c o e ) 的补足厚度缺额法 美国陆军工程师部队( c o e ) 取用和水泥混凝土加铺层设计相同的概念：补足厚 度缺额。就是以新建的水泥混凝土路面为基础，考虑旧水泥混凝土路面的剩余寿 命、同时也部分考虑影响路面使用性能的其他因素【3 5 】。通过加铺沥青罩面层改善 路面使用性能，还将路面结构性能也相应提高，满足交通量的需求【2 0 】。美国陆军 一工程师部队( c o e ) 依据强化实验路段观测和分析结果，于二十世纪五十年代中期提 出了旧水泥混凝土面板上加铺沥青罩面层的经验厚度设计公式，公式如下： k = a c f h , 一c 6 k ) ( 1 1 ) 式中：k 所需的沥青罩面层的设计厚度( e r a ) ； 按现有地基承载能力、未来交通增长要求，根据新建水泥混凝 土路面的设计方法计算确定所需要的单层水泥混凝土面层厚 度( e r a ) “旧面板的状况系数： 有角隅断裂或者多条裂缝时，；0 7 5 ： 有细微的初始裂缝时，“= 1 ； k 旧水泥混凝土面层厚度( c m ) a 水泥混凝土面层厚与沥青层厚的当量转换系数，a = 2 5 ；而美国 联邦航空局( f a a ) 在1 9 8 8 年的设计手册中将系数由2 5 提高到 3 0 卜控制旧水泥混凝土面层在加铺沥青罩面层后裂缝进一步发展的 程度系数，随交通和路基强度不同在0 6 1 0 的范围内变动； 美国陆军工程师部队( c o e ) 的强化试验共有六条试验道，分为5 3 个实验段。 其中水泥混凝土面层厚度范围在1 5 c m 一3 0 c m 之间，沥青罩面层厚度变化在 7 5 c m 一1 0 6 之间。其中2 6 个试验段为全厚式沥青罩面层，其余为含不同底层( 沥 青碎石、水解碎石、沥青砂等) 沥青罩面层【2 。c o e 在强化期间观测到，沥青罩面 层下的水泥混凝土面板在荷载作用下逐渐开裂，并继续发展到板碎裂成小块，小 块的面积约为o 4 6m 2 珈6 5m 2 。之后路表弯沉会急剧增长，这种变化随荷载作 用而增长，同时剪切破坏会在地基内出现。是以没有出现小于前述尺寸破碎块的 完全破坏为设计公式的标准。为此在公式中引入了f 系数。 3 ) 美国各州公路运输工作者协会( a a s h t o ) 经验法 a a s h t o 设计方法是一种经验方法，但其实用性已经被世界所公认，许多其 他理论方法的计算结果都与a a s h t o 经验法进行对比参照，也是到现在为止较为 完善的设计方法。a a s h t o 的路面设计指南中确定沥青罩面层的厚度也有采用补 足厚度缺额的概念，对于修正系数f ，这个方法不考虑，就是对加铺后旧混凝土面 层板的进一步开裂不加考虑【2 2 1 。它是一种通过“等效结构数”来确定罩面厚度的设 计方法，具体内容有：防止反射裂缝措施、原混凝土板处理、厚度计算、可行性 研究、等。其设计公式为： = 彳( 一结) ( 1 2 ) k = 勺k ( 1 3 ) 式中：c 酊考虑损坏的接缝和裂缝是否需要修复的系数： ” - 一 一 若加铺前全厚度修补已进行，气= 1 ； 否则，按每公里没有修复接缝或者裂缝的数量在范围0 6 1 0 内选取； 旧面板是否存在耐久性问题( 耐久性裂缝或者反应性集料病害) 的系数考虑： 严重碎裂，取= o 8 0 o 8 8 ； 有少量碎裂，取= o 8 8 0 9 5 ； 未碎裂但有耐久性裂缝，取= 0 9 6 0 9 9 ： 无耐久性问题，取= 1 o ； 系数，考虑疲劳损坏程度的一种系数： 大量横向裂缝板( 1 5 ) ，= 0 9 0 0 9 3 ； 较多横向裂缝板( 5 1 5 ) ，= o 9 4 0 9 6 ： 少量横向裂缝板( 5 ) ，c r = o 9 7 1 0 ： a 当量转换系数，是水泥混凝土厚度缺额的函数，由式( 1 4 ) 确定： a = 2 2 2 3 3 + 0 0 0 1 5 3 ( h s b ) 2 - 0 0 6 0 4 ( h a k ) ( 1 4 ) ，k 与式( 3 1 ) 中相同。 另外，a a s h t o 还提出了三种可用于断裂稳固的沥青罩面层设计方法：基于 公称裂缝间距法，基于路面开裂后的n d t ( 无破损检测) 结果【2 3 1 。断开的水泥混凝 土路面同样仍然是处在损坏状态，假设其剩余寿命为7 0 。 ( 1 ) 公称裂缝间距 这个方法假设旧面板公称碎块尺寸约为0 7 6 m ，假设断裂的水泥混凝土层的有 效结构数为o 4 见。然后用n d t 方法1 所得资料堆其他路面层的现场模量来反算， 这样就可以确定肌。呻，则所需的沥青加铺层厚度由下式得到： 8 z：sno_kl：sny-07(04do+snxq_,p) ( 1 5 ) 一口m 式中：所需沥青加铺层厚度； 协现有混凝土层厚度； 口n ，沥青加铺层结构层系数； 研，所需加铺层结构数； 鼢k 一伊土基上除现有旧混凝土层外其余所有路面层的有效结构能力 跚，现有土基状况下承受加铺层交通所需总的结构数； ( 2 ) 断开后的n d t 方法1 有时候，可能希望在断开后做n d t ，所需的加铺层厚度由下式得到： ：snor：sny-07(ab,do+sn,q_,p) ( 1 6 ) 锄锄 式中：瓯。混凝土层在其用断开和我凝固法破碎后的结构层数： 其他同式3 5 。 ( 3 ) 断开后的n d t 方法2 如用n d t 方法2 ，应求得整个断开路面的趴，所需要沥青加铺层厚度由。 下式得到： = 等= - i o 7 s 乜一e f f ( 1 7 ) 、 式中：鼢k 土基上旧路面结构加铺前总的有效结构数。 其他同式1 5 。 + 4 ) a r e ( a u s t i n r e s e a r c he n g i n e e r s ) 方法 a r e ( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) t 3 3 】方法是一种力学一经验法，已经较为成熟和 完整的设计方法，该法的力学分析模型是静力分析平衡模型，设计过程综合考虑了 水泥混凝土面板接缝或者裂缝水平和垂直位移对沥青罩面层引起的反射裂缝，也 就是综合考虑了温度荷载产生的拉应力和车辆荷载产生的剪应力而引起的破坏 1 2 1 。见图1 2 和图1 3 一 9 图1 2旧水泥混凝土路面板移动产生的拉应变 图1 3 接缝或者裂缝两边的竖向位移造成的剪应变 a r e 设计方法包括四个设计程序，设计过程已经编制成计算机程序，主要的 设计标准的防治或使反射裂缝开裂最小以及防止疲劳开裂，该设计方法的主要控 制指标为水泥混凝土面层与沥青混凝土层接缝处沥青混凝土层层底拉应变和剪应 变，也就是控制沥青混凝土层中的最大拉应变小于允许拉应变，控制沥青混凝土 层中的最大剪应变不大于其允许剪应变。a r e 设计方法过程有三个基本步骤：( 1 ) 评估旧路面结构；( 2 ) 输入设计变量；( 3 ) 加铺层厚度分析【2 5 1 。a r e 设计方法力学概 念较为简单清楚，设计参数和影响因素都比较全面，虽然考虑了水平应力和剪切 应力，但忽略了翘曲应力作用，同时该方法需要大量详细的室外测量，还有就是 计算的模型过于简化，难免与实际情况有一定的差距。 5 ) 美国工程兵团河联邦航空局( f a a ) 法 工程兵团从若干军队机场上，修建试验路段结果分析中，提出了在原刚性路 面上铺设柔性加铺层或者沥青罩面的经验公式： f = f l 一c 6 办 ( 1 8 ) 式中：t 柔性加铺层或者沥青加铺层厚度( c m ) ； 假设不存在原有道路面时，普通水泥混凝土道路面的厚度( e r a ) c 原有道路面的条件系数，改系数约为0 。7 5 - 1 o ； b 原有路面的厚度( c m ) f 系数，其值与地基反应模量有关。 美国工程兵团设计方法中建议加铺层的最小厚度为1 0 e r a ，其中加铺厚度若小 于2 0 e r a ，则采用沥青加铺层。这就意味着基层厚度不应小于1 0 c m ，f a a 要求沥 青面层的厚度不能小于7 6 c m 。 6 ) 有效厚度法 以上介绍的设计方法，大部分都是经验法，在根据计算结果分析和参考现有 的其他一些设计方法的基础上，有的研究者提出了基于有效厚度的设计方法。有 效厚度法的基本概念是新路面所需厚度与旧路面的有效厚度之差就是加铺层所需 要的厚度。公式如下： h 。，= 三溉一h p ) ( 1 9 ) 式中：玩，a c 加铺层厚度： 吃新路面厚度； 玩旧路面有效厚度； 三应力吸收层系数 此处而。是指全厚式沥青路面的厚度，就是直接在土路基上铺筑的沥青混凝土 层的厚度，在已知荷载参数和土基计算回弹模量时其值可通过弹性层状体系理论 求得，也可通过程序软件计算得到【2 6 1 。将各层实际加铺厚度乘以一个换算系数然 后求和就可以得到旧路面有效厚度： hc=z h f c ( 1 1 0 ) 式中：也旧路面有效厚度； h ，和c j 第i 层的厚度和换算系数，q 可按表3 - 1 选取。 表1 2 确定旧路面有效厚度所用的换算系数 材料分类材料描述换算系数 任何情况下的天然土基 粒状材料为主的改良土基，可含有一些粘土或粉土，为l 或 i o 1 0 以下； 、 石灰改良高塑性土基，大于1 0 续表1 2 确定1 日路面有效厚度所用的换算系数 材料分类 材料描述 换算系数 基层或者粒料底基层，硬集料，级配好，含少量c b r 不小于2 0 0 1 - 0 2 的塑性细颗粒。若是6 或6 以下采用最小值 石灰、粉煤灰或水泥类的温度低塑性土底基层，为1 0 或1 0 以下 o 2 0 3 呈现很多剥落、集料粉碎或大量开裂、失去稳定性、轮迹处出现明 显变形的稀释沥青或者乳化沥青面层、基层； 水泥混凝土路面加铺前已破碎成最大尺寸为o ，6 m 或更小的碎块的 同时也包括沥青面层下的混凝土路面；若有底基层则采用大值， 0 3 o 5 若在土基上铺设面板，则用小值； 反射裂缝已有所发展的粉煤灰、石灰和水泥稳定基层：若裂缝狭而 紧密取用大值，若唧泥、裂缝宽或明显不稳定则用小值 有明显的开裂和裂纹的沥青面层和基层： 稀释沥青或者乳化沥青面层，有细裂缝，有集料粉碎或者剥落， 轮迹处出现少量变形，但还算稳定； v 水泥混凝土路面同时包括沥青面层下的混凝土路面出现明显开裂0 5