（工程力学专业论文）沥青加铺层改造旧混凝土路面的应用及有限元分析.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，它具有 工期短、对交通影响小、修复后路面服务性能好等优点，己成为改善路面使用性能和提 高承载能力、延长服务年限的一项常用措施。然而，水泥混凝土板中的原始裂缝，使得 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。 本文联系实际，分析了沥青面层加铺旧水泥混凝土路面的病害处理方法，介绍了路 面结构性能评定指标与评定方法。针对旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构的受力特点， 本文建立了多层结构体系有限元模型，对旧水泥混凝土路面沥青加铺层的力学性能进行 了深入的研究。建立了有夹层路面结构模型，分析了车辆荷载作用下不同沥青加铺层厚 度下对路面结构的影响，得出了沥青加铺层厚度不宜小于1 0 c m ，旧水泥混凝土路面板的 厚度和弹性模量的增大可减小沥青加铺层的应力和板缝两侧沥青加铺层层底弯沉差。同 时对车辆荷载作用下不同夹层厚度的路面结构进行了三维有限元分析，得出夹层过薄时 沥青加铺层在车辆荷载作用下会产生较大应力，最佳厚度在2 c m 到2 5 c m 之间。 关键词：沥青加铺层，旧水泥混凝土路面，三维有限元 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 e o 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 g e n e r a t i o n i th a st h ea d v a n t a g e so fs h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o d ，l i t t l e s i d ee f f e c t sf o rt a n s p o r t i o na n dg o o ds e r v i c ea f t e rr e g e n e r a t i o n p r o m o t et h ec a r r y i n gc a p a c i t y a n dp r o l o n gt h es e r v i v ed e a d l i n e b u td u r i gt h eu s eo fo v e r l a y , i te a s i l ye m c e e st h er e f l e c t c r a c k i n gi na s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n tb e c a u s eo ft h eo r i g i n a lc r a c ki nc e m e n tc o n c r e t e ，a n d t h i sb r i n g ss e v e r en 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 t h i sa r t i c l ew i t l lr e a l i t y , a n a l y s i so ft h ea s p h a l ts u r f a c ep r i o rt oo v e r l a yt h eo l dc e m e n t c o n c r e t ep a v e m e n tt r e a t m e n t ，i n t r o d u c e dt h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o ni n d i c a t o r s a n de v a l u a t i o nm e t h o d s c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tf o rt h eo l da s p h a l to v e r l a ys t r u c t u r eo f t h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，i nt h i sp a p e r , af i n i t ee l e m e n tm o d e lo fm u l t i - s t r u c t u r es y s t e m ， o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta s p h a l to v e r l a yo ft h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n d e p t hs t u d y e s t a b l i s h m e n to fas a n d w i c hm o d e lo fp a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n a l y s i so fv e h i c l el o a d so f d i f f e r e n ts o r to v e r l a yt h i c k n e s so ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r e ，o b t a i n e dt h et h i c k n e s so fa s p h a l t o v e r l a ys h o u l dn o tb el e s st h a n10 c m ，o l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tt h i c k n e s sa n de l a s t i c m o d u l u so fa s p h a l to v e r l a yc a l lr e d u c es t r e s sa n ds e a m so nb o t l ls i d e so ft h eb o t t o ml a y e r so f a s p h a l td e f l e c t i o nd i f f e r e n c e m e a n w h i l e ，c a rl o a d so fd i f f e r e n tl a y e rt h i c k n e s so ft h es u r f a c e s t r u c t u r eo ft h r e e d i m e n s i o n a lf m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，o b t a i n e dw h e nt h es a n d w i c ht o ot h i n a s p h a l to v e r l a yl o a d si nt h ev e h i c l ew i l lh a v eag r e a t e rs t r e s s ，o p t i m a lt h i c k n e s so fb e t w e e n 2 c mt o2 5 c m k e y w o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y ；p o r t l a n dc e m e mc o n c r e t e ；t h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t e e l e m e n t 1 i 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 水泥混凝土路面是高等级公路的主要路面结构型式之一。我国水泥混凝土路面开始 建于6 0 年代中期，自从2 0 世纪8 0 年代以来，水泥混凝土路面在全国得到了快速的发 展。全国高等级水泥混凝土路面的总里程由1 9 8 0 年的1 6 0 0 公里，飞速发展到2 0 0 1 年 的1 5 万多公里。各地区公路里程持续增长，我国己成为世界上水泥混凝土路面里程最 多的国家【1 】。水泥混凝土路面的迅速发展，带动了公路沿线的经济与社会的发展，带来 了巨大的社会效益和经济效益。到现在为止，我国已有的水泥混凝土路面中有相当一部 分已接近或者超过了它的设计使用年限，面临着休整。同时，随着我国经济建设的快速 发展，汽车载重量和公路交通量的剧增，越来越多之前修建的水泥混凝土路面出现了路 面结构破坏、使用性能下降的情况，这些严重影响着行驶车辆的行车舒适性与安全性。 因此，我国大部分早期修建的旧水泥混凝土路面都面临着修复工作。与沥青混凝土路面 相比，水泥混凝土路面是一种具有材料来源丰富、刚度大、扩散荷载能力强及稳定性好 等诸多优点的高级路面结构形式，在我国公路路面中占有很大的比重。水泥混凝土路面 在自然因素与行车荷载等作用下，因为水泥混凝土面板、接缝跟基层、土基的缺陷产生 各种形式的损坏，当中既有设计的原因，也有施工质量的问题，以及人为因素等，有时 则是被各种因素相互影响所造成的。水泥混凝土路面在养护维护良好的条件下，其使用 期限会比其它路面长，然而一旦开始损坏，则会导致路面损害的迅速发展。为了恢复路 面结构的完整性或改进路面的使用性能，就必须进行水泥混凝土路面的养护和维修。根 据养护的规模，一般可以分为四种类型i l 】。 1 ) 保养维修路面状跟延缓路面状况恶化的一些措施； 2 ) 小修在小面积内进行修复路面状况的措施，包括修补、换板、板底灌浆、 磨平板面和抬高板块等，修理面积一般小于路段面积的3 5 ； 3 ) 中修小修的扩大，与小修措施相仿，但是修理面积大于路段面积的3 5 ； 4 ) 大修在对整个道路段进行的修理，是为了提高整个路面的平整度、抗滑性 能或承载能力，包括破碎旧路面或拆除旧路面在其上面铺筑新面层，铺筑沥青混合料或 者水泥混凝土加铺层等。相对于沥青路面而言，水泥混凝土路面的修复会困难的多，国 内外一般采用的大修措施有以下三种：加铺新水泥混凝土面层、加铺沥青混合料面层或 第一章绪论 对原有水泥混凝土路面进行翻修。 ( 1 ) 加铺新水泥混凝土面层指在旧水泥混凝土面板上铺筑分离式、结合式新 水泥混凝土面板或铺筑半刚性基层后再加铺新水泥混凝土面板，这就是所谓的“白加白。 通常这种措施在盛产水泥的地区使用的比较多。经常使用于路基高度低，重车比较多的 公路路段；能较好的提高路面承载能力。 ( 2 ) 加铺沥青混合料面层旨在旧水泥混凝土面板上铺筑半刚性基层或者粒料后 再加铺沥青混合料面层，又或直接在旧水泥混凝土面板上铺以沥青混合料结构层，这就 是所谓的“白加黑”。一般认为，这是修复旧水泥混凝土路面的有效补强措施，不仅加强了 路面承载能力，消除了原有接缝处容易产生断裂、脱空、唧泥等多种病害的不利影响， 同时也提高了路面抗滑能力和平整度，改善了路用使用性能，提高了路面服务水平。 ( 3 ) 对原有水泥混凝土路面进行维修指拆除旧路面，加之对路基进行处理后， 铺筑沥青混合料或新的水泥混凝土路面结构。经常用于原有路面的路基有严重缺陷进而 影响正常使用的路段路面，或者旧路面标高严禁升高的路段。 对于如何有针对性地选取旧水泥混凝土路面的修复方案，国内外尚未有成熟的评价 方法可供参考。但是，从我国近些年在旧水泥混凝土路面的维修改造的实践可以得出， 在上述的三种大修措施中，最常用的是在路面上加铺沥青混合料罩面层。这种措施不仅 即简单又方便，能有效地改进旧水泥混凝土路面的使用性能，并且工期较短，造价相对 低廉，对交通与环境的影响很小；进行补强修复后的路面涉及刚性、柔性两种路面结构 形式，这种复合路面结构最突出的优点在于它的下层有高强度的水泥混凝土路面板作为 基层，从而可以承受较大的车辆荷载，上层的沥青加铺层又能明显的改善路面使用质量， 降低噪声和扬尘，加强行车的舒适性和安全性；缺点是路面上下两层的材料性能差异很 大，旧水泥混凝土面板受到温度变化的影响很大，而且旧路面板上存在着裂缝和接缝， 并经常伴有错台、脱空等现象，在荷载应力和温度应力的共同作用下，沥青罩面层在对 应于旧路面板接缝、裂缝的位置上极易出现裂缝，这种裂缝常称之为反射裂缝 2 1 。反射 裂缝如果不进一步的发展，且深度也不贯穿整个面层的话，其对沥青加铺层路面的行驶 性能以及整个路面结构的影响很小，但是环境与旧水泥混凝土板块间的热胀冷缩等负面 效应通常使裂缝迅速向周围扩展，一旦裂缝的深度发展到贯穿面层，水分便会渗入，这 样不仅会冲刷基层，进而造成沥青面层的唧浆，同时还会造成沥青面层的水损坏，引起 沥青路面的进一步开裂，必定会大大缩短沥青罩面层的使用年限。由此可知，反射裂缝 问题为旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层面临的一大难题。 2 长安大学硕二l 学位论文 1 2 国内外的研究概况 1 2 1 国内外研究现状 在二十世纪3 0 年代，国外已开始尝试着在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层这种 路面修复技术，并且大部分重交通道路都采取在贫混凝土基层上加铺沥青面层的措施。 近年来，随着国内水泥混凝土路面发展，越来越多的旧水泥混凝土路面需要进行加铺沥 青面层的改造，在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层已经成为一种公认的最有效的旧水 泥混凝土路面的主要大修措施。现阶段，国内在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层这方 面的研究相当多，但遗憾的是还没有形成较为完整的体系来指导设计和施工，尤其是有 关反射裂缝的防治问题，已经成为了国内外的道路专家和学者研究的重点。从二十世纪 6 0 年代以来，各国的学者就反射裂缝展开了很多方面的研究工作，这些研究工作总结起 来主要可分为以下四个方面。 1 ) 反射裂缝的产生机理 第二届反射裂缝国际会议针对反射裂缝问题达成了以下共识：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进一步扩展1 3 】，即温度变 化和行车荷载是引起沥青加铺层产生反射裂缝的主因。此外，国内外大量的工程实践表 明，气候条件、沥青罩面层的材料性能、交通状况及旧路面的损坏情况也同样是影响反 射裂缝产生和发展的主因。 2 ) 反射裂缝的防治措施 国内外的研究表明，有效的防止反射裂缝措施包括整个路面结构：夹层、罩面层、 基层土基、旧水泥路面板。在改善各结构层性能的同时，应从整体的角度出发来防治反 射裂缝。这些防止反射裂缝措施大致可以分为三类1 4 ：改善沥青罩面层性能、设置中间 夹层和增设补强层。常用的主要方法有下列3 种： ( 1 ) 设置中间夹层。中间夹层可以使在温度作用下引起的接缝变化以及车辆荷载 作用下相邻板边的竖向位移被夹层材料吸收，从而降低裂缝应力峰值。通常使用的夹层 材料有土工格栅和土工布。从二十世纪8 0 年代以来，法国、英国、美国、加拿大、荷 兰、比利时等欧美国家开展的高强度土工夹层加筋罩面的研究结果显示，在旧路面和罩 面层之间加铺一层土工布夹层或土工格栅对防止反射裂缝的产生有非常鲜明的效果。 ( 2 ) 改善沥青罩面层的性能。是为了加强罩面层的抗变形能力与抗拉强度，增加 沥青面层厚度、应用改性沥青、在混合料中加入纤维或者在罩面层下部应用加筋材料。 3 第一章绪论 ( 3 ) 增设补强层。在旧水泥混凝土路面上加铺一层基层加强后，再加铺沥青面 层，从而可以起到减缓反射裂缝的产生的效用。 3 ) 评价防止放射裂缝措施的试验方法 关于评价防止放射裂缝措施的试验方法，国内外的研究人员都进行了大量的相关试 验研究，主要模拟了正荷载和温度以及两者的综合作用对反射裂缝的影响，虽然可在一 定程度上为防止放射裂缝措施的改进提供参考意见。但是，还应进一步的研究具体有效 的试验方法。 4 ) 反射裂缝的力学分析方法 有限元法仍是国内外研究人员通常采取的力学分析方法。为了使旧水泥混凝土路面 上的沥青加铺层路面使用性能更好地发挥，延长其使用寿命，国内外的诸多研究人员不 仅对“反射裂缝”进行了大量的研究，对沥青加铺层的设计方法与旧水泥混凝土路面状况 评价方法同样也进行了大量的研究。在经济发达的国家中，旧水泥混凝土路面的路况评 定和损坏鉴定，一直被研究者所重视，并且已投入了大量的财力和物力。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5 1 。相对于国外的研究状况，目前我国在这方 面的研究可以说还处于起步阶段。对旧水泥混凝土路面修复技术的研究在我国开始于上 世纪9 0 年代初期，主要是对数据的采集方法、测定和调查方法进行统一的规定，与此 同时，长安大学、同济大学的学者分别对混凝土路面使用状况评价指数进行界定、划分， 并且给出了一些有用的经验公式。 1 2 2 防止反射裂缝有待于解决的主要问题 尽管国内外的研究人员和专家针对沥青加铺层路面的反射裂缝问题进行了大量的 研究与探索，但至今仍存在以下问题【6 】。 ( 1 ) 反射裂缝的产生时机、产生机理问题 反射裂缝的产生机理很难确定，可知的是荷载应力和温度应力是造成反射裂缝的 主要原因，但它的相对重要性是随着气候条件、交通状况、材料状况及旧路面的破损 状况诸多不同而不同的。对于最容易产生裂缝的季节问题，目前仍没有详细地研究。 ( 2 ) 防治反射裂缝的有效措施问题 防治反射裂缝措施路用性能非常复杂，其防治效果不仅仅和车辆荷载有关，同时 受温度的变化所影响，而且与旧路面的损坏状况相关，每种防反措施都有它的适用范 围，旧路面的状况与各种防治措施的适用范围之间的内在关系，我们还知道的相当少。 4 长安大学硕士学位论文 ( 3 ) 反射裂缝的分析方法问题 因为旧水泥混凝土路面上存在裂缝和接缝，使得它顶部罩面层中的应力存在奇异 性，这样通常的力学分析方法很难得到满意的结果。有限元方法是目前使用的最多的 分析方法，但是其在分析带裂缝结构上的的有效性，至今未有人验证过。 ( 4 ) 评价防治反射裂缝的试验方法问题 虽然国内外的研究人员在这方面进行了非常多的试验研究，但几乎全部的试验都 模拟温度、正荷载及两者的综合作用对反射裂缝的影响，并没有涉及到偏荷载对其的 影响，更没有试验模拟偏荷载和温度应力对产生反射裂缝的综合影响。与此同时，大 多数室内试验的规模比较小，并且多采取梁式样。 ( 5 ) 基于反射裂缝的旧水泥混凝土路面的评价方法问题 尽管这个问题非常重要，但直到近些年才被学者们所重视。此问题直接关系到防 止放射裂缝措施的选择、罩面前对旧路的处理、罩面层的使用性能等诸多问题。因此， 加强反射裂缝的旧水泥混凝土路面损坏状况的评价方法的研究是非常重要且必须的。 ( 6 ) 基于反射裂缝的i e t 水泥混凝土路面沥青罩面层的设计方法问题 国内外的研究人员对于旧水泥混凝土沥青罩面的设计方法的研究，取得了大量的 成果，提出了许多经验设计方法，但由于存在以上5 个方面的难题，因而到目前为止 还没有形成成熟的相关设计方法。 1 2 3 沥青加铺层结构的力学分析 ( 1 ) 静荷载作用下的力学分析 当前对静荷载作用下的高等级沥青加铺层结构有大量力学分析方法，主要可分为以 下三类：有限元分析方法、静力学分析法及断裂力学分析方法。 1 ) 有限元分析方法 有限元法是一种实用且有效的计算方法，目前在各领域得到了极为广泛的应用。这 种方法能考虑各种实际的荷载情况和边界条件，容易求出各点的应力、位移。胡长顺、 曹东伟8 】 9 1 采用有限元法对有夹层的加铺层结构的位移与应力进行了力学计算，考察了 设置夹层后板缝弯沉差和接缝处沥青加铺层剪应力的变化，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。周富杰、孙立军i lo 】应用三维有限元方法分析了层间 接触条件、脱空、罩面层厚度、层间拉开宽度和基础模量对反射裂缝产生诸多因素的综 5 第一章绪论 合影响。周志刚、张起森、郑健龙【l l 】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相关分析。 2 ) 静力学分析法 此方法的基础是弹性理论，它的代表为a r e 法，a r e 法采取弹性理论分析反射裂 缝，考虑两种损坏形式：张开型和剪切型。此外，刘悦、胡长顺7 1 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层间剪应力以及温度应力。由于静力学分析方法采 用了大量的假设，许多实际的边界条件都无从考虑，必定会影响计算结果的准确性和工 程知道意义。 3 ) 断裂力学方法 按疲劳断裂力学及断裂力学的观点，认为沥青加铺层的损坏是因为旧水泥混凝土路 面接缝或裂缝这种缺陷，引起了沥青加铺层的应力集中和内部损伤，当此种应力集中和 损伤累积到超过结构于材料抵抗破坏的容许值时，就会造成沥青加铺层裂缝和接缝的发 展，并且进一步导致路面结构的损坏。郑健龙、张起森、周志刚【1 2 】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许多 的研究。周志刚、张起森【1 4 】应用疲劳损伤力学理论与方法研究了沥青类路面疲劳破坏机 理和各类抗裂措施的抗裂机理。 ( 2 ) 动力学分析方法 现阶段国内外对路面结构的力学计算大部分的研究对象为静止车辆荷载作用下的 路面结构，这对荷载不大、车速较低的情况来说是合理的。但是在显著的运动荷载作用 下，静力荷载模式和车辆行驶过程中对路面结构的实际作用之间的差别非常大，路面结 构的动力学特性也是静力学特征简单描述不了的。为了讨论运动车辆荷载作用下道路的 应力、应变的规律，国内外己经有相当一部分学者对路面结构进行了动力学分析，如欧 洲经济发展与合作组织( o e c d ) 、美国“战略公路研究计划”就对路面动力学进行了研究 【1 5 】。国内的郭忠印、田波、侯芸、杨众【16 】应用三维有限元动力学的基本方法，同时结合 n e w m a r k 积分方法来逐步求解运动方程，对动载作用下多层弹性体系的响应进行了 分析。邓学钧、孙璐【1 7 】系统地阐述了解析法跟有限元法在路面结构中的应用，介绍了路 面结构在车辆随机荷载作用下产生的随机动力特性和动力响应问题。 6 长安大学硕士学位论文 1 3 本论文研究的主要内容 改革开放以来，随着经济的迅速发展，八九十年代我国修建了大量的水泥混凝土路 面，这些路面目前正处于维修和待修状态。受损的水泥混凝土路面行车舒适性差，改善 行车性能差的状况是目前难以解决的问题，然而至今也没有行之有效的改造方法。本文 主要是针对加铺沥青混合料面层的改造工程及加铺层路面结构进行三维有限元力学分 析。主要包括以下几个方面： ( 1 ) 旧水泥混凝土路面的路况评定。 ( 2 ) 沥青面层加铺前旧水泥混凝土路面的病害处理方法研究。 ( 3 ) 不同厚度沥青加铺层路面结构荷载效应的三维有限元分析研究。 ( 4 ) 不同夹层厚度沥青加铺层路面结构荷载效应的三维有限元分析研究。 7 第二章高等级沥青混凝土路面使用状况评定 第二章高等级沥青混凝土路面使用状况评定 i e t 混凝土路面补强设计是在对现在具有的路面结构性能做出正确评定的基础上进 行的。加铺层设计能否成功的关键是对其结构状况和承载能力的确切估计以及对旧混凝 土面层损坏原因的准确分析。只有把情况分析透彻，才可能设计出技术可行、经济合理 的修复方案。而要做到这点，必须要投入比新建设计更多的财力与精力，进行细微的调 查和测定以及详细的分析工作。 2 1 沥青路面使用状况评定的方法 现行旧混凝土路面状况评定方法是经过研究人员对路面结构的完整性以及表面功 能进行全面目测德调查研究，完整的记录各种损坏程度、损坏类型和损坏数量，综合分 析它对路面结构使用性能的影响。检测的手段为目测法，因而受到的主观影响比较大， 也就是说从本质上对路面的结构性能进行评价基本上是不可能得。为了全面真实地评定 旧水泥混凝土路面，水泥混凝土路面使用状况评定应分为以下两部分：结构性能跟使用 性能。路面结构性能主要是行车的舒适性和安全性，比较注重表面功能，采取的是服务 能力指标；与此同时，路面的使用性能评定着道路的使用功能，即行驶车辆或者乘客对于 道路的满意程度，从这个意义上说，路面的使用性能完全是对道路使用者而言的。路面 结构性能评价则强调结构的结构承载能力和受力状况，采取的是受力分析评价，这方面 是路面结构研究学者们所关心的。对于路面进行使用性能与结构性能的评价是相互补 充，但决不是相互代替的关系。只有综合这两方面的评价，才可能对路面整体性能做出 教真实的评估，对一个路段而言，有的时侯尽管使用性能指标比较好，但由于承载能力 太低以致造成将来使用性能的快速下降。当使用性能标准低于可接受时，则必须进行结 构评价。如路面结构承载能力满足需求，则仅需要对表面功能层进行加铺，如路面结构 己经损坏，则必需进行旧路补强或重建。具体的办法只有在对路面使用状况评定后才可 能做出准确的决定。路面结构性能评定最主要是评定结构得承载能力。了解路面的物理 或结构状况是评价的目的，判断路面结构的破损发展的速度及其破损程度，评定它对当 前跟今后使用要求的适应程度，以便确定需要采取修复措施的路段和计划，进而为补强 设计提供依据。从而合理的评定路面制定养护政策与编制养护水泥混凝土路面结构的技 术指标有：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、构造深度等等。据现代检测技术的发展，从整体评价的角度，提出了评价 8 长安人学硕士学位论文 路面的以下5 项指标： 1 ) 地基弹性模量； 2 ) 路面抗滑； 3 ) 路面表面破损； 4 ) 接缝两侧挠度传荷系数； 5 ) 平整度。 以上几种分类既不是从损坏形状也不是破损机理考虑，而是从路面整体性能评价、 资料检测和用途等因素考虑的。其中，用路面整体弯沉得出的地基弹性模量用于评定路 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 损包括既功能性损坏类型，也包括结构性损坏类型，这是判断道路是否需要表处或罩面 的重要指标；路面抗滑用之于评价道路行驶的安全性；平整度用之于评定道路的行驶质 量。前二者是跟道路工程师相关的指标；与道路使用者有关的指标为后三者。本文将在对 这五项指标的评价模型，检测工具进行讨论基础上提出了水泥混凝土路面评定的五项指 标体系。 2 2 高等级路面结构性能的评定指标 2 2 1 路面整体弯沉 由于弯沉测定是无破损试验，对于交通的干扰很少，对路面结构的损害也很小，同 时测点数量多，因此其被广泛应用于路面结构性能的评定。路面在荷载作用下的弯沉量 和弯沉曲线，很好的反映了路基路面整体的承载能力，并且与路面状况有一定的内在联 系，为路面设计的非常重要指标。路面结构的损坏可能是由于过量的竖向变形。对于前 者，采用最大弯沉值表示结构承载能力较好。而对于后者，应该采用路面弯沉盆的曲率 半径表示其承载能力。因而，理想的弯沉测定应包括最大弯沉值跟弯沉盆这两个方面。 ( 1 ) 弯沉测定方法 弯沉检测技术经历了稳态弯沉检测、静态弯沉检测和脉冲动力弯沉检测3 个阶段。 当前使用的弯沉测定系统有4 种：脉冲弯沉仪；稳态弯沉仪；自动弯沉仪；贝克曼梁弯 沉仪。前两种是动态弯沉仪，可以得到最大弯沉值和弯沉盆，后两种是静态弯沉仪，可 以得到路表最大弯沉值。 b e n k i e m a n 梁式弯沉仪从5 0 年代中期开始得以广泛应用，是当前最为平常的静力 9 第二章高等级沥青混凝士路面使用状况评定 弯沉测试设备，我国公路部门一般采用该设备的测定指标进行路面养护与设计。但其同 样存在诸多缺陷，如得到一个固定不动的基准点是很困难的，只能测出单点的最大弯沉 值，不能模拟车辆荷载的实际情况、精度低、测速慢、人工操作等。为了提高弯沉测定 精度、效率跟测定的加载方式更靠近于车辆荷载的实际情况，人们又相继发明了自动弯 沉仪、稳态弯沉仪与脉冲弯沉仪。当中，7 0 年代发明的落锤式弯沉仪 ( f a l l i n g w e i g h t d e f l e e t o m e t e r ) 为脉冲弯沉仪测定设备的代表，引起了人们重视。国际上从 7 0 年代以来对f w d 进行了许多的研究，目前己有5 0 多个地区和国家开展了f w d 测试 方法的标准化、规范化工作，并将其广泛应用于道路与机场的质量检测评价。由于f w d 能比较好地模拟行车荷载作用，并能安全、准确、快速地采集到大量的路面受车辆荷载 作用下的变形信息，当前己经成为路面结构性能评价和弯沉测试和理想测试设备。由于 我国f w d 测试设备还没能广泛应用，且以前对路面结构承载能力使用的评价标准采用 b e n k l e m a n 梁测定的静弯沉指标，为了使新的测试方法和原来的b e n k l e m a n 梁弯沉标准 相衔接，国内大量单位展开了f w d 和b e n k i e m a n 梁测定弯沉指标进行对比，发现二者 的线性回归关系。 ( 2 ) 接缝传荷能力评价 接缝传荷能力是体现刚性路面结构整体性能的重要参数之一。水泥混凝土路面结构 的最弱环节是接缝，绝大部分损坏均发生在接裂缝四周。因而接缝传荷能力的评定是水 泥路面结构状况评定的重中之重。接缝传荷能力评定可经过实验荷载施加在靠近接缝的 路面板上，在接缝两侧边缘处各布置一弯沉点，测出他们在荷载作用下的弯沉值w ，与 比( 嵋是受荷载板一侧接缝边缘处的弯沉值，是未受荷载板接缝边缘处的弯沉值) 。 可以采用下式表示接缝传荷系数l ，l ，： 乙：堕 嘶 ( 2 - 1 ) 乙：_ 兰坠( 2 2 ) 嘶十 如使用接缝两侧弯沉差( 口乙= 1 w 一i ) 这项指标，即不论是加荷边还是不加荷边， 两者的差值即是评定传荷能力的指标，那么，明显当差值为零时完全传荷，差值愈大， 传荷能力就愈差。参照美国a t 法，新路面的弯沉差应控制在0 0 5 m m ，路面的使用时间 1 0 长安人学硕士学位论文 越长，接缝两侧弯沉差则越来越大。 ( 3 ) 板底脱空状况评定 对于使用中的水泥混凝土路面，怎样采取可行的方法评定板底脱空状况，是确定采 取有效修复措施与恢复路面使用性能的基础。因此，板底脱空评定也同样是路面结构性 能评定的重要指标之一。 旧水泥混凝土路面在使用过程中，由于卿泥所引起的板底脱空，使得板边缘跟角隅 失去部分支承，因此在荷载作用下产生了比较大的弯沉变形。同时，卿泥通常与错台同 时出现，他们在车辆荷载作用下，一部分沿裂缝与接缝喷射出路面形成卿泥，另一部分 向后方板块下的脱空或凹陷处喷射，其中细料沉积在板下从而形成了错台。因而，错台 处要比板底脱空处的弯沉值小得多。利用在板角隅和边缘接缝两侧的弯沉测定结果，可 分析和判定板底是否有脱空。f w d 无损检测法，因其简洁实用，有快速。现场等特点， 得以在板底脱空判断中受到广泛应用。 由于弯沉可以对道路进行接缝传荷能力、结构刚度、脱空等评定，因而引入路面弯 沉评价水泥混凝土路面是能很好的反映路面结构的承载能力的一个非常重要指标。在评 价指标中，考虑到检测方便以及成熟程度，提出了板缝相对弯沉差指标和土基模量指标 作为旧水泥混凝土路路面的评价指标。 2 2 2 路面结构层模量反算 弯沉测定得到的路面曲线形状非常好的反映了不同深度高等级沥青路面结构层的 刚度特性，它可用于估算路面各结构层的弹性模量。路面是层状结构。各结构层的性质 可由层厚l l i 、弹性模量e i 、与泊桑比j l l ，表示。各结构层的厚度，可以由钻取芯样或雷达 测量得到。材料泊桑比对高等级路面在荷载作用下的反应影响很小，因而一般可采取假 定的方法确认。这样一个n 层路基路面结构就需要确定n 个未知模量参数。路表面上任 意一点的弯沉都是路面结构力学性能的响应，它对路面结构参数之间的关系可利用弹性 地基板理论解或弹性层状体系理论解来确定。对于具有n 个以上结构参数和弯沉的路面 结构，如路表面的弯沉曲线具有n 个以上测定值，则可列出n 个之上结构参数和弯沉的 定量关系式，则可联立解出这些关系式以便确定这n 个未知参数。 ( 1 ) 弹性层状体系模型 高等级沥青混凝土路面的基层、垫层、面层和土基可以看作四层弹性体系。路表弯 沉测定采用了4 个以上的测点，从而得到相应测点的弯沉值，这样便可利用层状体系理 1 l 第二章高等级沥青混凝士路面使用状况评定 论解来反算各层的模量值。反算采用试算的办法。目前已有的试算方法很多，与之相应 的计算软件也非常多，它们可大致划分为以下三类。 1 ) 迭代法先根据经验法假定各结够层的模量氏( n 为迭代的次数，i 为结构层的编 号) ，而后可以利用层状体系理论解来计算软件分析测定荷载作用下路表面各弯沉测点 的计算弯沉值( j 为弯沉测点号) ，比较计算弯沉值跟实测弯沉值的误差，当误差超 过容许范围时，则按照下式修改各结构层的模量巨( 川) ： ，矧净 ( 2 _ 3 ) 式中：k 是随迭代过程而增长的指数。而后，再按新模量值互( 州) 分析计算路表的弯沉值 ，如此反复迭亿直至i j 满足下述二项收敛黜弯沉糌警x 1 0 0 - _ + 1 模 量误差2 毛一骂( 川) 1 0 彪p 口面层或1 m p a ( 土层和基层) ， 试验荷载中心最大弯沉值变化1 ，可以引起面层模量值变化1 0 以上。因此，收敛标 准应严格掌握。 2 ) 优化法可分为两个阶段。第1 阶段，先按照路面各结构层材料模量可能变化的 范围构成结构参数组合矩阵，用层状体系理论解分析计算各组结构参数相应路表弯沉曲 线。将分析结果存在数据库内；第2 阶段为一种搜索跟内插算法，在上述数据库内寻找从 而使计算弯沉和实测弯沉曲线之间的误差平方和最小的各结构层的模量值。 3 ) 综合法综合迭代和优化方法，搜索与实测曲线吻合的结构层模量值。 ( 2 ) 弹性地基板模型 混凝土路面也可看作为由垫层、土层和基基组成的弹性地基上的高等级混凝土面层 板。地基弹性参数由基层顶面的综合回弹模量或者综合反映模量确定反算方法估算。在 圆形均布荷载作用下的弹性地基板的挠度解为： 阶) ：掣瓦( 邮) ( 2 4 ) 0 式中弯沉系数 ，s ) 为施加面的相对半径a ( a l o ) ) 并t l 相对径向距离s ( a t o ) 的函数。弯 沉系数沿相对径向距离的分布曲线是施压面相对半径a 的函数。在弯沉测定的施压面半 径是固定( a - 1 5 c m ) 的情况下，弯沉系数分布曲线为相对刚度半径乇单一变量的函数。利 长安大学硕士学位论文 用这个特点可以推演r 地基的表征。这样，路面结构的未知量只有两个：地基模量和混凝 土模量。这两个未知模量可用上述试算法估算，而由于未知变的量少，计算过程得以更 快。然它们也可采用直接用弹性地基板理论的解析解推演得出的精出反算模盆的精确方 法。弯沉测定得到的弯沉曲线可采用下述指标来反映其几何特性： 乞2 轰 ( + 2 ( 彬+ + + 形一t ) + ) ( 2 - 5 ) 式中：一承载板中点的弯沉值( c m ) ； s 一弯沉测点的间距( c m ) ； n 一除中点以外弯沉测点数； 形i - 除中点以外各弯沉测点的弯沉值( c m ) 。 可看出，凡弯沉测点范围内的弯沉盆面积除最大弯沉值，其量纲为c m 。相应地，也可 以采用同样的方法定义厶指标来表示弯沉系数分布曲线的几何特性： 石2 轰 ( + 2 ( 两+ 厩+ + 咏) + 瓦) ( 2 6 ， 式中：中点的弯沉系数； s = s o 2 s l # o ： 形中点以外各弯沉测点弯沉系数。 对比式( 2 5 ) 跟式( 2 - 6 ) ，并应用式( 2 - 4 ) 的关系，可以导出 叁：鱼 ( 2 7 ) 彳m 由于一w o 跟以是相对刚度半径乇的单一函数，j 。是相对刚度半径的单一函数。因此，由 弯沉测定得出的各测点弯沉值矽，按照式( 2 - 5 ) 计算出指标乞后，便可利用此单一函 数关系式得出高等级路面结构的相对刚度半径。算不同a 和s 时( a = 1 5 c m ，s = 3 0 c m ，t o 变 化) 的弯沉系数和形，并按照式( 2 - 6 ) 计算彳。按式( 2 - 7 ) 来整理解算结果，便 可以建立乞与毛之间的关系。 由此可由弯沉测定的结果反算地基与混凝土的模量。不论是采用弹性地基板模型还 第二章高等级沥青混凝十路面使用状况评定 是弹性层状体系的各种反算方法得出的结构层模量值，都不能看作是完完全全正确的、 并且符合实际的答案。i r w i n 曾用弹性层状体系不同试算方法对于同一路面结构的反算 结果进行比较，发现乐各试算方法本身的模量估算均方差都非常小，但是各方法反算得 出的结构层估算模量值偏差非常大，尤其是面层模量的偏差最大。p e r e r a 等也对弹性地 基板的精确法和弹性层状体系的试算法的反算结果进行了比较，认为由于在前一方法中 地基模量和混凝土模量是相互依赖的，因此反算结果有可能会受到它们之间补偿作用的 影响而出现错误。出现这种情况，一方面是由于各种反算方法还不够完善，不同结构层 模量组合可得到相同的路表弯沉曲线，也就是反算得到的非唯一解，因而还有待于进一 步的改进。另一方面，也是由于材料和路面结构的特性跟结构设计理论的不足造成的。 各种反算方法都是以弹性地基板理论解或弹性层状体系为基础，计算测试荷载作用下实 际结构反应量，而这些理论解本身与材料性质和实际结构之间存在差异，不同的高等级 沥青路面结构之间存在着差异，不同的材料和路面结构包含不同程度的影响。这些不同 必然反映到反算结果中，从而使反算模量值出现偏差。因此，对利用弯沉曲线反算得出 的结构层模量值，还必须运用工程经验并加之以室内材料试验，分析和检验它的合理性， 并作出相应的修正。 2 3 高等级路面破损 高等级路面破损主要表现为裂缝类、松散类、变形和其它四种类型，其评价模型相 对比较成熟，它反映了路面结构的完整性，采用的评价指标有分项和综合这两种指标， 综合指标指破损的总体状况。比如，美国空军和c m p s 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 5d r o 4 1 2 ( 2 8 ) 式中：p c i _ 路面的状况指数； d r 一路面的综合破损率： 伽= 岛巧彳 式中：或i 类损坏、j 类严重程度的实际破损面积 a 各路段的路面总面积( 珊2 ) ； 一类损坏、j 类严重损坏的换算系数【1 羽。 1 4 长安大学硕十学位论文 a a s h t o 服务能力的指数p s i 采用路面破损综合评价模型( 2 9 ，2 - 1 0 ) p s i = 5 0 3 1 9 1 1 1 。g ( 1 + s v ) 一0 0 3 2 板石丽一0 2 1 r d 2 ( 柔性路面) ( 2 - 9 ) p s i = 5 4 1 1 8 0 l o g ( 1 + s v ) 一0 0 5 ( c + 3 3 p ) ( 刚性路面)( 2 1 0 ) 式中：s v 一轮迹处纵向平整度离散度，1 0 ； 卜裂缝度，m 2 1 0 0 0 m 2 ； 卜裂缝度，m 2 1 0 0 0 m 2 ； r d 一车裂平顿深度，c m 。 p c i 评价模型，是路面破损的函数，并没有考虑平整度的影响。p s i 模型则把平整 度看作一个极为重要影响因素从而忽视了裂缝的影响程度。所以，本文没有采用p s i 模 型，而采用了p c i 模型。 2 4 本章小结 根据高等级路面的特点和路面性能要求，当前路面的评价指标、检测技术、检测方 法、评价方法以及评价标准还有许多不足之处，有待于进一步研究并且加以完善，以便 于满足路面的使用要求。 随着研究的深入、学科的发展、测试技术的进步，应提出一些更科学更具有针对性 的旧水泥路面评价指标和检测方法，针对旧水泥路面检测方法及评价技术进行适当改 进，以使评价更可靠，为了后续采取相应的维修措施提供更有价值的参考。 第三章i 订水泥混凝土路面在沥青面层加铺前的病害处理方法 第三章旧水泥混凝土路面在沥青面层加铺前的病害处理方法 水泥混凝土路面常见病害有两类。一是接缝破损，二是水泥混凝土板损坏。其中水泥 混凝损坏可以分为纵向裂缝、斜、横向裂缝、交叉裂缝破碎板、掉角、孔洞、磨耗层 层脱落等等。接缝是高等级水泥混凝土路面的薄弱环节，出现病害的机率较大类型也较多， 接缝病害，损坏的形态跟影响范围主要包括：唧泥和板底脱空、接缝挤碎、拱起、填缝料 丧失、错台和脱落等几种病害。 3 1 旧水泥混凝土路面的主要病害成因分析 水泥混凝土路面出现破损，可分为外界因素、施工缺陷、设计缺陷以及各种因素互 相影响而引起的。因此，必须充分调查原因，采用针对性的治理方法。图3 1 图3 - 1 4 为路段的主要病害实拍照片。 图3 - 1 交叉裂缝 图3 2 断裂板损坏 1 6 长安大学硕士学位论文 图3 - 3 角隅断裂破坏 图3 4 沉陷断裂 裂缝是水泥混凝土路面的常见病害，其产生的原因包括收缩应力、重复荷载应力以 及翘曲应力等综合作用：粗细集料质量差、水泥质量差；基层和土基强度不够；过大的 竖向位移的重复作用及水的浸入使基层受到侵蚀产生脱空；施工操作不当、养生不好等 多个方面。角隅断裂损坏常常是由板角处受连续荷载作用，基础支撑强度和翘曲应力不 足等因素综合作用而产生。 接缝的填缝料损坏表现为胀缝在使用中随气温变化，气温升高时填缝料被挤出；气 温下降时填缝料不能恢复，从而使缝中形成空隙，泥、砂、石屑等杂物得以侵入，成为 再次胀伸时的障碍，而且雨雪水也能沿此空隙渗入，破坏基层和垫层，造成接缝处的破 损跟唧泥的产生。落入坚硬杂物的接缝在膨胀时板边容易被硬物挤碎，在水和交通荷载 的作用下，逐渐产生了塑性变形，使板边应力增大，产生断裂和剥落。养护、施工不规 范，清缝、切缝不及时或者没有达到规定的深度，也是造成接缝损坏的原因之一。 1 7 第三章旧水泥混凝+ 路面在沥青面层加铺前的病害处理方法 网3 s 扳边弱落 阉3 7 接缝填缝辩损坏 图3 - 9错台 圈3 6 嚼泥 隔3 8 纵向接缝张开 图3 1 0拱起 错台是指接缝处相邻面板的垂直高差，它产生的原因主要是由于在温度和湿度的作 用下或局部地基的不均匀下沉，板在接缝处产生翘曲或者传力杆功能不完善或者失效。 拱起是指横缝两侧的板出现明显抬高的现象，其产生原因主要是由于缝被硬物阻塞，或 者胀缝设置不当，从而导致板受热时不能自由伸长。 1 8 长安人学硕士学位论文 图3 11 网裂图3 1 2 磨损和露骨 图3 1 3 坑洞图3 1 4 修补损坏 磨损和露骨、网裂、坑洞、修补损坏都属于高等级水泥路面的表层类病害。用盐化 冰雪、过度抹面、水灰比过大、养护不及时、冻融循环和集料质量低劣、水泥中的碱与 集料中某些