（工程力学专业论文）玻纤格栅在防治沥青加铺反射裂缝中的应用研究.pdf

武汉理工人学硕+ 学位论文 摘要 目前，反射裂缝是旧水泥混凝土路面加铺沥青面层常见的的病害之一。针对 这一常见的病害问题，国内外专家学者和工程技术人员做过很多研究，但在国内 还未形成系统、合理的技术措施。本文结合黄冈市旧路改造的工程背景，探讨了 玻璃纤维格栅对沥青加铺层反射裂缝的抑制作用。 本文对复合路面裂缝的产生机理、扩展方式以及其对公路的危害进行了分 析，并对反射裂缝的各种防治措施进行了分析比较，主要防治方法有：适当增加 沥青层的加铺厚度、在沥青面层与旧混凝土层之间设置应力吸收层等。在选择应 力吸收层方面，对目前国内两种主要的应力吸收层材料各方面的优缺点进行了对 比和分析，并针对本文主要研究的荷载型反射裂缝，最后选取玻璃纤维格栅作为 黄网的旧路改造的应力吸收层。 论文采用层状弹性体系力学的理论知识，对复合路面建立了四层弹性层模型 和弹性半空| 日j 体地基上的三层板模型，根据边界条件和层间接触条件建立方程， 从而得出公路应力和位移的解析解。 最后，利用a n s y s 有限元软件，对复合路面建立三维有限元模型，通过几组 数据进行对比分析，分析得出：增加沥青层的厚度对减小路基路面的应力和变形 有很明显的作用，但厚度也不能太厚，一是沥青层厚到一定程度后其效果减弱， 二是不经济；增大沥青层的弹性模量，裂缝尖端的应力会减小；玻纤格栅的弹性 模量越大，裂缝尖端的应力会越小，但增大玻纤格栅的弹性模量会增大沥青层底 的应力，因此一般选取弹性模量较小的玻纤格栅。 关键词：沥青加铺层，反射裂缝，玻璃纤维格栅，三维有限元，荷载应力 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h er e f l e c t i v ec r a c k i n gi nt h ea s p h a l to v e r l a yp a v e do nt h ee x i s t i n g c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ti st h ec o m m o np r o b l e m t h ep r o b l e m so fr e f l e c t i v e c r a c k i n gi nc o m p o s i t ep a v e m e n t sa r es t u d i e db yh o m ea n do v e r s e a ss c h o l a r s b u t r e a s o n a b l ea n df e a s i b l et e c h n i q u em e a s u r ei sn o tf o r m e d t h i sp a p e ri sb a s e do nh u b e i p r o v i n c e sp r o j e c to fu s e dr o a d s r e f o r m a t i o ni nc i t yo fh u a n g g a n g ，s t u d i e dt h ed e l a y i n g r e f l e c t i v ec r a c k i n go fg l a s s f i b e ro nt h ea s p h a l to v e r l a y t h i sp a p e rh a sa n a l y s e dt h et a k ef o r mm e c h a n i s mr e f l e c t i v ec r a c k i n g s e x p a n s i o nw a y o fc o m p o u n dr o a d s ，a sw e l la st h ed a m a g et ot h er o a d s ；a n a n a l y s e d s o m ep r e v e n t i o nm e a s u r e so nt h er e f l e c t i v ec r a c k i n g t h em a i np r e v e n t i o nm e t h o d s h a v e ：i n c r e a s et h ea s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yt h i c k n e s s ，l a yap i e c eo fs t r e s sa b s o r p t i o n l a y e r ，b e t w e e nt h eo l dp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n da s p h a l tc o n c r e t e o v e r l a y , a n ds oo n t h i sp a p e ra l s oa n a s y s e dt h eg o o dq u a l i t i e sa n ds h o r t c o m i n g s t w om a i nk i n do fs t r e s sa b s o r p t i o nl a y e r , a n da c c o r d i n gw h a tia ms t u d y i n gi st h e l o a d i n gs t r e s sh e r e ，f i n a l l yc h o o s et h eg l a s s - f i b e rt ob et h es t r e s sa b s o r p t i o nl a y e r t h es u b j e c ta d o p t st h el a y e r e de l a s t i cs y s t e mt h e o r y , b u i l d st w om o d e l so ft h ec o m p o u n d r o a d ，a n da n a l y z e st h ea n a l y t i cs o l u t i o no fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ta c c o r d i n gt h eb o r d e r s c o n d i t i o n s f i n a l l y , ib u i l dt h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm o d e lo f t h ec o m p o u n dr o a db a s e d o na n s y s ，c a r r yo u tc o m p a r a t i v ea n a l y s i sb yaf e wf o r md a t a ，a n df i n do u t ：w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ea s p h a l t st h i c k n e s s ，t h ec o m p o s i t ep a v e m e n t ss t r e s sw i l ld e c l i n e ，b u tt h ea s p h a l tc a nn o t t o o t h i c k ，a so nt h eo l l eh a n di ti st o oe x p e n s i v e ，o nt h eo t h e rh a n dt h ee f f e c ti sn o to b v i o u sw h e nt h e a s p h a l ti s t o ot h i c k ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h ea s p h a l t sm o d u l u so fe l a s t i c i t y , t h ec o m p o s i t e p a v e m e n t ss t r e s sw i l ld e c l i n e ；w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eg l a s s - f i b e r sm o d u l u so fe l a s t i c i t y , t h e c o m p o s i t ep a v e m e n t ss t r e s sw i l ld e c l i n e ；a n dt h eg l a s s f i b e r sm o d u l u so fe l a s t i c i t ya l s oc a n n o tb et o ob i g ，a sw h e ni ti st o ob i g ，t h es t r e s su n d e rt h ea s p h a l tw i l li n c r e a s e u s u a l l y , w ec h o o s e t h eg l a s s f i b e rw i t ht h el o w e rm o d u l u so fe l a s t i c i t y k e y w o r d s ：a s p h a l t c o n c r e t e o v e r l a y ，r e f l e c t i v ec r a c k i n g ，g l a s s f i b e r , t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t ，l o a d i n gs t r e s s i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本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， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工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。 签名：垄型日期：! ：! 二型 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权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。本人授权武汉舡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、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：荔杩 导师( 签名) ：穗。苫 日期：如厶f 己万 武汉理工大学硕七学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究的目的和意义 水泥混凝土路面是目前我国各种公路的主要路面结构形式之一，在我国2 0 世纪9 0 年代期间发展速度最快，里程数增加最多。截止2 0 0 5 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4 2 4 万千米，其中水泥混凝土路 面为2 4 5 9 万千米，占总里程的5 8 t ，再加上我国城市道路水泥混凝土路面 n 4 l 万千米，公路与城市道路水泥混凝土路面总罩程达到了约3 6 万千米，目 前仍以每年约2 万千米左右的速度增长，我国己成为世界上水泥混凝土路面拥 有里程最多的国家。高速公路的快速发展，极大提高了我国公路网的整体技术 水平，优化了交通运输结构，对缓解国内交通紧张状况发挥了重要作用，有力 地促进了我国经济发展和社会进步。 但是目前国内外水泥混凝土路面使用状况存在着很多问题，尤其是一些早 期修建的水泥混凝土路面出现了不同程度地结构性破坏和功能性缺陷，这些问 题严重影响了道路的使用功能，行车的安全性和舒适性。这些路面存在的主要 问题如下：( 1 ) 一些早期修建的水泥混凝土路面，由于结构设计或施工质量等 方面存在缺陷，加之目前道路运营中的重车、超重车辆比较多，导致水泥混凝 土路面过早损坏；( 2 ) 由于雨( 雪) 水的影响和行车荷载的作用，造成水泥混 凝土路面板出现唧泥、错台、脱空、断板等病害：( 3 ) 水泥混凝土路面修补困 难、维护费用高，而且修复的效果并不十分理想，水泥混凝土路面如何进行维 修、改造一直是困扰道路部门的技术难题；( 4 ) 对旧水泥混凝土路面d l ：l f l 层结 构、材料的选择以及对设计理论缺乏深入研究，加铺层设计方法不完善以及缺 乏成熟的施工技术，一些地方对加铺层材料、结构及厚度的选择仅凭以前的经 验，带有很大的盲目性，因此加铺效果往往不理想，并造成经济上的损失和不 良的社会影响。 目前旧水泥混凝土路面的加铺改造最常见的有两种措施：一是加铺沥青面 层，二是加铺水泥混凝土面层。由于沥青加铺层能够有效地改善旧水泥混凝土 路面的使用性能，提高车辆行驶的舒适性，此外还能充分利用旧水泥混凝土路 面的强度，而且其造价低、施工方便、对交通及环境影响小，因此在国内j , b 1 日 武汉理上人学硕士学位论文 水泥混凝土路面改造工程中应用最广泛。然而旧水泥混凝土路面接缝处的沥青 加铺层容易产生反射裂缝，导致加铺层的使用寿命缩短。对旧水泥混凝土路面 加铺沥青结构的研究一直是各国道路研究者所关注的热点问题，如何控制反射 裂缝的产生和发展至今仍然是道路工程界面临的一大难题。目前对沥青加铺层 各方面的研究虽然有几十年的时间，但进展比较慢，至今仍然没有公认的合理 可行的设计方法，也很少有效果令人满意的加铺结构，国内外对旧水泥混凝土 路面加铺改造仍然处在研究和试验阶段。由于这个问题的复杂性，加之各地交 通、气候及路基条件的差异，在所取得的研究成果之间缺乏共同的认识，给设 计及施工部门的具体操作带来了很大的困难。 鉴于以上原因，本文在别人研究的基础上，继续对沥青加铺层反射裂缝产 生机理、加铺层材料及结构的选择等方面做进一步的研究。为了防止沥青加铺 层在复杂环境下出现反射裂缝，目前常用的方法主要有三种，分别为提高沥青 加铺层的厚度；对路面进行处理比如加热、翻松、碾压；在面层和加铺层之间 铺设应力吸收层。国内外一般采用铺设土工织物的方法来进行道路加铺时的防 治反射裂纹的，常用的土工织物主要是土工布和土工格栅。土工格栅包括玻璃 纤维格栅和会属格栅等，本文针对路面整修中常见的问题，对玻璃纤维格栅抑 制沥青加铺层反射裂缝进行了研究。运用层状弹性力学理论和数值有限元技术 分别进行理论分析和数值模拟，为沥青加铺层的抗裂设计和施工提供一定的指 导性意见。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 沥青加铺结构的力学分析方法 路面反射裂缝问题是道路工程中的重要研究课题之一，世界范围内防治反 射裂缝的会议至今已召丌了四次。据实际工程经验，反射裂缝多发生在以下三 种路面工程中1 2 】：( 1 ) 旧水泥混凝土路面上加铺沥青层，在水泥混凝土板接缝 处以及路面板丌裂处，加铺层容易产生反射裂缝；( 2 ) 旧沥青路面改铺层中； ( 3 ) 半刚性基层上的沥青面层，由于半刚性基层材料性质决定了其自身不可避 免的产生温缩裂缝、干缩裂缝，这些裂缝进一步向上发展，在沥青面层产生反 射裂缝。正是由于反射裂缝广泛存在，并进一步引发更严重的病害，自2 0 世纪 7 0 年代以来，国内外的道路工程界对于反射裂缝的研究一直十分活跃。研究主 2 武汉理工大学硕十学位论文 要集中在以下三个方面【3 1 ：( 1 ) 反射裂缝产生和发展的力学分析及开裂机理研 究；( 2 ) 反射裂缝防治措施的研究；( 3 ) 评价防治反射裂缝措施效果的试验研 究。这里就介绍国内外国内外对沥青加铺层的力学分析现状。目前沥青加铺层 结构有许多力学分析方法，这些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。 ( 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 ) ， a r e 法采用弹性理论分析反射裂缝，考虑路基路面的两种破坏形式：张开型和 剪切型。此外，刘悦、胡长j i l 哽e 6 1 采用解析法分析了旧水泥混凝土路面接缝处沥 青加铺层的温度应力和层问剪切应力。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，但这种方法容易掌 握，比较容易形成设计方法。 ( 2 ) 有限元分析方法 有限元法是一种有效实用的计算方法，目前在各个领域都得到了广泛的应 用。这种方法能考虑各种实际的边界条件和荷载情况，容易求出各点的应力和 位移。d i y a rb o z k u r t l 7 1 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 f m c c u l l o u g h 8 】 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 铺层的结构应力状况。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的有限元计算模型，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 1 9 1 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d i ：i f i t i 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 t 4 1 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】b 2 采用有限元法对有央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、许志测1 0 】 的采用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【1 3 】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 单因素和多因素综合影响。周志刚、张起森、郑健龙【1 4 】利用基于线弹性断裂力 武汉理工人学硕七学位论文 学的平面应变的有限元法，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果进行了 分析。 ( 3 ) 断裂力学方法 断裂力学是2 0 世纪后半期固体力学和材料科学领域发展的重要成就，它己 经广泛应用在航空结构、机械制造、压力容器等各重大工程中。根据断裂力学 和疲劳断裂力学的观点，可以认为沥青加铺层的破坏是因为旧水泥混凝土路面 裂缝( 或接缝) 这种原始缺陷的存在，进而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或结构抵抗破坏的容许值时，就会 导致沥青加铺层裂缝的产生和发展，最后导致路面结构的破坏。目前国外的一 些学者，如m a j i d z a d a l l k 1 1 5 l 提出了通过线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损 伤过程进行了描述。在国内，张起森、郑健龙、周志刚【1 6 1 1 1 t i t l 8 1 等人己经把断裂 力学应用于路面裂缝的计算。郑健龙、王秉纲【1 7 】对沥青路面温度收缩开裂的热 粘弹性进行了研究。周志刚、张起森【1 8 】应用疲劳损伤力学理论研究了沥青路面 疲劳破坏机理和各类抗裂措施( 如加筋) 的抗裂机理。 1 2 2 玻纤格栅在旧水泥混凝土路面加铺沥青层中的应用 国外由于修筑高等级公路的历史比较长，许多发达国家早已形成了完整的 公路网，公路行业的工作重点已经转移到旧路的养护和维修上。所以他们在旧 路改扩建技术上积累了丰富的经验【1 9 】，在改扩建过程中应用加筋材料来增强路 面结构和改善路用性能的技术也比较成熟。1 9 8 2 年英国伦敦附近的c o n v e y 岛 在开裂的水泥混凝土路面上加铺沥青面层，为了控制反射裂缝首次采用双轴向 硬格栅加筋沥青混凝土，共修筑了1 0 0 0 0 平方米。2 0 世纪8 0 年代初，英国诺 丁汉大学布朗教授经过三、四年的试验和研究将塑料格栅应用于沥青路面。他 通过对比认为加铺比未加铺土工格栅的沥青路面可以推迟疲劳裂缝出现达1 9 倍，可以减少车辙5 0 。 1 9 8 6 年l o 月，s f b r o w n 教授在中国交通部与英国运输部等联合主办 的“北京中英公路与城市交通会议 上发表论文，第一次向我国介绍了塑料格 栅在沥青路面结构中推广应用的效果。它可使车辙减少5 0 ，有效地防止反射 裂缝；可延长疲劳寿命达1 - 9 倍；沥青层可减薄3 6 。如此高的经济效益引起 了中国同行的关注。1 9 9 3 年我国便引进国外的设备生产了塑料格栅，并开始在 4 武汉理上人学硕士学位论文 公路工程中应用。但是塑料格栅的感温性差、延伸性大，施工工艺不成熟，所 以在路面工程中应用不多。当时加拿大出现了新型的带有自粘胶的玻璃纤维格 栅，不仅具有较好的力学性能及耐高温性能，而且很好地解决了施工工艺问题， 但价格不适合中国国情。 随后中国根据国外的玻璃纤维格栅进行自行研究，从而大大的提高了玻璃 纤维格栅在国内交通行业中的应用。国内在防止裂缝、增强路面结构和改善路 面使用性能等方面作了很多的研究，做的比较好的有哈尔滨建筑工程学院道路 研究所，对土工格栅进行了大量的室内室外试验；长沙交通学院与湖南省公路 局承担的土工格栅在道路工程中的应用研究，尤其是近几年我国开始在一些路 面加铺项目中开展了土工格栅材料对路面防裂、防车辙等技术的研究，并修筑 了许多试验段。 国家对于新材料和新工艺在公路建设中的应用研究非常重视【2 0 1 。交通部“十 五”期间“公路交通技术创新重点 中对于加筋材料在道路工程中的应用提出 了明确的要求，其中在第二条( 开发玻纤格栅，研究玻纤格栅在沥青路面中的 低温抗裂性能，设计方法及施工技术，提高沥青路面的低温抗裂性能。) 和第四 条( 研究开发复合式路面和纤维混凝土路面，重点研究二者的路面结构、设计 方法及施工工艺。) 中都做了较为明确的要求。这必将促使路面加筋技术的研究 上升到一个新的台阶。 玻纤格栅是一种新型土工材料【2 l 】【2 2 11 2 3 1 。近几年已经广泛的应用在全国几十 个省市的国家重点工程、高速公路、一二级公路、市政道路上，并取得了良好 的经济效益和社会效益。玻纤格栅应用于沥青罩面中，与沥青混合料结合成一 体，具有抑制沥青混合料流动、防止车辙、延缓裂缝的效果；应用于路基中， 具有增强路基整体强度，提高路基稳定性，防止路基沉降不均，防止裂缝的反 射的作用。从经济方面分析，玻璃纤维土工格栅与其它材料比，具有功能价格 比优良，延长道路使用寿命，减少维修费用，同时还可适当减薄沥青混合料面 层厚度，用于路基可增加3 0 的载荷强度，节省土石方，减少施工运输等费用 等，具有较好的推广应用价值。 1 3 本文研究内容 裂缝对加铺层本身影响不大，但是在车载作用或温度荷载作用下，裂缝会 逐渐张开，在多雨地区随着雨水渗入老路面和基层，道路的损害是非常严重的。 5 武汉理工大学硕士学位论文 同时随着交通量及车载逐年的递增，中国的旧公路即将进入新的大修期。所以 本文运用层状弹性体系力学、数值有限元技术研究了复杂环境下沥青加铺层设 计及应用问题，比较深入地研究了玻纤格栅对路面反射裂缝的抑制原理及理论。 主要研究内容如下： ( 1 ) 对路面的结构状况和承载能力给出了评定方法，对反射裂缝的各种防 治措施进行了分析比较，对各种应力吸收层材料的优缺点进行了对比，选择最 适合本公路的改造方案。 ( 2 ) 运用层状弹性体系力学理论进行分析，四层弹性体系的理论解和弹性 半空间地基上的三层板的理论解，得出沥青路面各层的应力和位移。 ( 3 ) 利用a n s y s 有限元软件建立合理的公路三维模型，输入几组对比参 数进行分析比较，最后确定一些参数，并计算出公路的应力和位移。 6 武汉理丁大学硕士学位论文 第2 章复合式路面的病害处理和应力吸收层的选取 本文为了方便，把在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层后的路面叫复合式路 面；把介于刚性路面和柔性路面之间的路面叫半刚性路面。在加铺沥青层之前 先要对旧路面的土基层和混凝土层进行分析和处理。对于土基层需要它的回弹 模量、公称粒径等达到要求；对于混凝土层需要经过裂缝处理，增加补强等措 施；加铺沥青层之前先要铺设应力吸收层等等。 2 1 反射裂纹的产生机理和扩展方式 2 1 1 反射裂纹的产生机理 由于旧路面或新建基层的开裂，接缝( 或裂缝) 不能很好的传递拉应力和 剪应力，使基层失去抵抗应力作用，当旧路面或基层由于长期的温度影响和重 复的交通荷载作用下产生水平位移或竖向位移时，在裂纹的尖端会造成应力集 中。通常我们把温度变化引起的反射裂缝称为温度型反射裂缝f 4 s 】，把行车荷载 引起的反射裂缝称为荷载型反射裂缝。 ( 1 ) 温度型反射裂缝 季节性温度变化时在沥青面层中引起的拉应力由三部分组成：首先是基层 的收缩变形在面层的裂缝处产生拉应力；然后是沥青面层也会因低温产生收缩， 其长度有减小的趋势，在裂缝的正上方，面层的收缩抵制基层在此处的产生裂 缝，这样就会在面层中产生附加应力；最后当基层或旧路面与沥青面层没有完 全粘结在一起时，前面两部分产生的拉应力要产生应力松弛，导致应力减小。 沥青面层中的总应力由这三部分的应力叠加，若总应力超过沥青面层的抗拉强 度，道路面层就会产生裂缝。 r 气温变化也会在面层中产生应力，虽然f 1 气温变化小，但变化频率高。 日气温变化时会在基层中产生温度梯度，傍晚气温降低时，上部受外界影响快， 温度低，下部受外界影响慢，温度高，上部收缩更加厉害，因而产生翘起变形， 导致裂缝加剧扩展。 ( 2 ) 荷载型反射裂缝 武汉理工人学硕十学位论文 行车荷载经过裂缝( 或接缝) 的过程分为三个过程：1 ) 荷载位于裂缝( 或 接缝) 一侧时，裂缝( 或接缝) 两侧产生较大的相对位移，在沥青面层中产生 剪切应力；2 ) 荷载位于裂缝( 或接缝) 正上方时，裂缝( 或接缝) 两侧相对位 移儿乎为零，沥青混凝土面层主要承受弯曲拉应力作用；3 ) 荷载驶离裂缝( 或 接缝) 时，在沥青面层中产生与第一次相反的剪切应力。在整个过程中，面层 受到两次剪切一次弯拉作用，结果导致反射裂缝，荷载因素为主要因素。 2 1 2 反射裂缝的扩展 沥青罩面层的反射裂缝从产生到整个路面出现裂纹，要经历个裂缝扩展 阶段，这个扩展阶段分为在其表面的横向扩展和厚度上的纵向扩展两部分。 根据断裂力学理论，裂缝纵向扩展的运动方式有三种：张开模式( a 型) ， 剪切模式( b 型) 和撕开模式【2 4 1 ( c 型) ，见图3 1 。温度应力对应着张开模式( a 型) ，行车荷载对应着张开模式( a 型) 和剪切模式( b 型) 。荷载位于裂缝正上 方时，以张开模式引起反射裂缝，在裂缝两侧，则以剪切模式引起反射裂缝； 撕开模式中基层作平行运动，这种情况很少见，只在侧向不稳定时才会发生。 一晦回 图3 1 裂缝模式图 对于薄沥青罩面层，温度型反射裂缝通常产生于面层底部，然后逐渐向上 发展到顶面；当沥青面层较厚且气温较低时，裂缝由面层底面或顶面产生，再 向顶面或中间发展，形成对应裂缝。行车荷载对应的张丌模式产生的裂缝亦由 下向上发展。在偏荷载作用下，其对应的剪切模式产生的裂缝在面层中沿4 5 0 角 的方向向上扩展。在偏应力与温度应力共同作用下，裂缝介于二者单独作用时 的扩张路径之间，比偏荷载作用时更为垂直。 对于横向扩展情形，反射裂缝不可能瞬间贯穿整个路面宽度，裂缝首先在 武汉理工大学硕十学位论文 路表某些部位产生，然后横向向两侧扩展，一般反射裂缝多出现于轮迹处，这 与温度对裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，并与荷载在路面上随机分 布有关。 由于各地区的温度状况不同，交通量及路面材料结构的差异，反射裂缝有 可能主要由温度引起，也可能主要由荷载引起，或者是二者都有。因此对反射 裂缝的成因有不同的观点。有关实验资料表明，反射裂缝的成因除了与各地区 的温度状况，交通量及路面材料结构有关外，还有一点，也是经常被忽视的一 点，就是基层或原有路面在接缝处的传荷能力。如果接缝或裂缝宽度大，表面 较平整，则传荷能力小，荷载不能及时传递下去，在反射裂缝形成过程中也是 主要因素；如果接缝或裂缝宽度小，表面凸凹不平，则传荷能力大，荷载较快 传到下面的结构层中，对反射裂缝形成的贡献较小，此时温度是主要因素( 接 缝处的传荷能力的具体评定方法将在后面会介绍) 。根据这种观点，半刚性基层 反射裂缝主要由于温度产生，而旧的水泥路面上加铺沥青罩面层荷载则是主要 因素。因此，分析反射裂缝时，这两种裂缝形式应加以区分。 此外，基层或旧路面与面层的粘结力、环境因素( 主要是水温状态) 等也 是不可忽略的因素。 除以上三种裂缝外，还有路基冻胀及收缩产生的开裂，以及由于各种因素 的综合作用产生的裂缝。 2 2 反射裂缝的危害 反射裂缝会对路基路面的性能和耐久性产生不利的影响。这些不利影响包 括： ( 1 ) 使道路的防水性降低。路表出现任何裂缝( 或接缝) ，都会使路表的 水有机会进入路面结构内部，甚至进入对湿度敏感的路基土中。 ( 2 ) 引起路基过大压应力。由于存在裂缝( 或接缝) ，造成路面板体的不 连续，在行车荷载作用下将加大板体边缘的变形，从而在裂缝处传递过大压力 至路基顶面。 ( 3 ) 增大路面应力和变形。上述的路面结构板体的边缘变形，会在道路结 构内( 尤其是基层) 产生很大的应力和变形，在行车荷载和温度荷载作用下将 缩短这些结构层的寿命。 ( 4 ) 磨耗层沿裂缝的破坏。在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下，磨 9 武汉理工人学硕十学位论文 耗层常会沿裂缝发生骨料或小块沥青的脱落。 反射裂缝不仅使路面使用性能老化速度加快，影响行车舒适性，而且会导 致路表的水向下浸，影响到路基的强度与稳定性。更重要的是，在行车荷载反 复作用和周期性变化环境温度的影响下，常常使得裂缝迅速向四周扩展，很大程 度地缩短了罩面层的使用寿命。因此，反射裂缝是公路沥青路面所面临的一大 技术难题。影响半刚性基层沥青路面开裂的因素很多，各种因素之间的相互作 用也十分复杂，只有经过大量的实验分析和实践总结，才能找到原因，并有针对 性地进行防治。 2 3 预防半刚性基层沥青路面反射裂缝的主要措施 目前国内外对减少半刚性路面裂缝的主要思路是1 4 0 1 ：( 1 ) 使用防裂效果更好 的面层或基层材料；( 2 ) 通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝；( 3 ) 从结构本身入手防止和减少半刚性沥青路面基层的反射裂缝。在沥青面层和半 刚性基层之间铺设一层弹性模量低、韧性好的材料作为应力吸收层，这种方法 是目前工程实践中用得较多的一项工程措施。针对半刚性基层沥青路面反射裂 缝国内外【2 5 1 采取的具体措施如下： ( 1 ) 增加沥青面层的厚度 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 【4 9 c m 。增n ；：9 i n 层厚度，一方面可以减少旧面层的温度变 化产生的应力，并降低加铺层的拉应力；另一方面可以减小车辆荷载引起的路 基路面的应力：同时，还可以延长路面的疲劳断裂寿命。 但是只是通过增加加铺层厚度的方法存在着很大的局限性：首先增加加铺 层厚度可能会对路面标高有所影响；其次增加厚度还必将增加路面造价，而且 在夏季高温时沥青混合料高温蠕变容易产生车辙，同时还会削弱由于旧水泥混 凝土板作基层产生的强基薄面的优势【2 6 】。 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路面有明 显的改善，但是，随着路面厚度的增加车辙也随之增加，例如广深高速公路， 路面总厚度为1 0 0 1l o c m 。从现在的情况来看，表面车辙严重，下雨后唧水， 出现大面积松散，返修率高。从车辙调查来看，这条路上车辙最大深度达到1 7 m m ， 平均车辙深度为l o m m ，其主要原因是沥青层太厚影响了路面的高温稳定性和混 泥土的强度。由上可以看出，通过较厚的沥青面层来防止和减少反射裂缝，在经 l o 武汉理工大学硕士学位论文 济上不合算，还可能导致其他路面病害的发生。 ( 2 ) 进行半刚性材料的合理组成设计 通过进行半刚性基层材料的合理设计，例如调整结合料用量与比例，增加 粗骨料含量并严格按规范设计级配，以尽量减小其温缩和干缩系数，增加半刚 性基层材料的抗裂性能，但是这种方法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。 ( 3 ) 在面层与基层之间增加级配碎石层 采用一定厚度的优质级配碎石作为上基层，用半刚性材料作为下卧层，这 种上层是柔性层而下层是刚性层的“组合基层”能够有效地防止和减少半刚性 基层反射裂缝，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 是由特粗式级配沥青碎石混合料所组成，有2 0 - - - 3 5 的空隙率，它提供了一种 散逸运动的方式，能够把因交通荷载与环境温度所引起的原水泥混凝土路面板 产生的运动消散掉。目前国内把级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中 间层的设计应用还比较少见，但是在美国、澳大利亚以及南非己作为减少复合 路面反射裂缝的措施得到了较多的应用，而且效果比较好。但是和其他方法相 比，增加级配碎石层的成本要更高些【5 0 】。 ( 4 ) 加铺土工织物或格栅 在混凝土面层和沥青面层之间设置各种土工合成材料，可以提高沥青混合 料的抗拉与抗变形能力【4 8 1 。土工织物中间层对沥青面层底的箍固作用很大程度上 增强了沥青面层的抗裂强度 2 7 1 ，土工织物中间层自8 0 年代以来在国外得到广泛使 用，大多充当存在严重裂缝旧沥青路面或水泥路面上加铺新沥青面层的中间防 裂层，土工织物品种多为编织尼龙、无纺聚丙烯和玻璃纤维几种，其中无纺聚 内烯效果更好，总的研究结果表明防裂效果有好有坏，一般来说土工织物中间 层对于垂直位移和水平位移较大( 温缩严重) 的情况效果不大，另外它的防裂 效果可能较短暂。 格栅的弹性模量比土工织物的要大很多【2 8 】。对于降低加铺层内因温度变化产 生的应力和应变的作用刚度大的夹层不如软夹层，但对于降低荷载产生的应力 应变的作用则远大于软夹层；采用复合式夹层( 下层为软夹层，上层为金属格 栅) ，虽然可以像像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝，但仍然不能消除软 夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。 因而，在选择夹层类型时，应对导致产生反射裂缝的主要原因以及不同夹 层减缓反射裂缝的效果进行具体分析。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 基层预切缝 基层预切缝的方法是在加铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯 缝，且设法让这种裂缝仅保留在基层，而不反射到面层。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，且国外应用也 比较早，例如德国1 9 8 6 年的设计规范规定，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；前苏联 为了避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的紊乱的裂缝反射到沥青面 层上，也为了减少裂缝的破坏作用，建议在水泥土基层上每隔8 一- 1 2 m 作一假缝， 深为6 一- , 8 c m ，缝宽为l o b1 2 m m 。 它的防裂原理主要是通过锯缝改善基层约束条件，从而在一定程度上释放 初始应力和温度应力来达到防裂目的。同时，在锯缝防裂基础上铺设一定宽度 土工织物或格栅，既起到了防渗作用，又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层 应力集中，从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生。 2 4 路面结构性能评定指表 要防治旧水泥混凝土路面加铺沥青层所产生的反射裂纹，首先要对旧水泥 混凝土路基路面的结构性能进行评定。了解了路面的损坏状况调查和评价方法， 以及路面的结构状况和承载能力试验测定和评定，就可以判断是否需要对旧水 泥混凝土路面进行补强设计，并为合理评定路面使用状况及合理补强设计提供 理论依据【4 。 为了全面真实地评价旧混凝土，水泥混凝土路面使用状况评价应分成两部 分：使用性能和结构性能。路面使用性能的考察范围是行车舒适性和安全性， 主要是表面功能，采用的是服务能力指标；同时，路面使用性能的评价着重于 工路的使用功能，即行驶车辆或乘客对道路使用功能的满意程度，因此，路面 使用性能是针对道路使用者而言的。而路面结构性能评价则强调结构的承载能 力以及结构的受力状况，采用受力分析评价，这一方面是我们设计和施工所关 心的。因此这里就主要介绍路面的结构性能评测。 路面结构性能评定主要是评定公路结构的承载能力。评定的目的是了解路 面的物理性能或结构状况，判断路面结构的损坏程度和损坏发展的速度，评定 它对当前和以后使用要求( 承载能力和使用寿命) 的适应程度，从而合理地评 定路面的等级，从而确定需要采取修复措施的路段和方案，并为补强设计提供 1 2 武汉理- 丁大学硕+ 学位论文 依据和数据。 水泥混凝土路面结构评价的技术指针有：整体弯沉、接缝传荷系数和地基 弹性模量。使用性能评价的指针有：平整度、路面破损率、构造深度等。这里 就介绍路面的结构评价。 2 4 1 弯沉测定方法 弯沉测定是一项无破损试验，对路面结构没有什么破坏，对交通没有什么 影响，而且测点数量可以自己根据需要确定，因此它被广泛地应用于路面结构 性能的评定【4 6 l 。 道路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，而且与路面状态有着密切的联系，是路面设计的一个重要指标。路面结 构的破坏可能是由于过量的竖向变形所造成的。对于道路的弯沉量，采用最大 弯沉值表征结构承载能力较合适；对于道路的弯沉曲线，则采用路面弯沉盆的 曲率半径表现它的承载能力更为准确。因而，最理想的弯沉测定应包括最大弯 沉值和弯沉盆两个方面。 弯沉检测技术的发展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四种：( 1 ) 贝克曼梁( b e n k e l m a n b e a m ) 弯沉仪；( 2 ) 自动弯沉仪；( 3 ) 稳态弯沉仪：( 4 ) 脉冲弯沉仪。前两种 为静态弯沉仪，可以得到路表最大弯沉值；后两种为动态弯沉仪，可以得到最 大弯沉值和弯沉盆。 b e n k l e m a n 梁式弯沉仪从5 0 年代中期开始广泛应用在道路检测中，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。但它也很多缺陷，比如很难得到一个固定不动的基准点，只能 测得单点最大弯沉值，不能模拟汽车荷载实际情况、人工操作、测速慢、精度 低等。为了提高弯沉测定精度、效率并使测定的加载方式更接近于车辆荷载的 情况，人们又发明了自动弯沉仪、稳态弯沉仪和脉冲弯沉仪。其中，7 0 年代开 发的落锤式弯沉仪( f a l l l n g w e i g h td e f l e c t o m e t e r ) 【2 9 】，作为脉冲弯沉仪测定设 备的代表，受到了人们的关注和重视。国外自7 0 年代以来对f w d t 3 0 l 进行了大 量的研究，目前己有5 0 多个国家和地区对f w d 测试方法进行了规范化、标准 化工作，并将f w d 广泛应用于道路和机场的质量检测评价。 由于f w d 能较好地模拟行车荷载作用，并能快速、安全、准确地采集到大 武汉理工大学硕士学位论文 量的路面在荷载作用下变形的信息，目前己成为路面弯沉测试和结构性能评价 的理想测试设备。因此，建议在有条件地区采用f w d 设备进行路面结构性能 测试和评价。 由于我国的f w d 测试设备还没能普及，而且以往对路面结构承载能力的评 价标准采用b e n l d o n a n 梁测定的静弯沉指标，为使新的测试方法与原有的 b e n k l e m a n 梁弯沉标准衔接，国内多家单位进行了f w d 和b e n k l e m a n 梁测定弯 沉指标进行对比研究。其中，长安大学郝大力博士【4 2 】通过1 4 9 组弯沉数据对比， 经过误差分析后进行回归，得到如下关系式： l s s = 0 8 4 6 2 ，肿一0 4 7 9 5 ( 2 一1 ) 式中：i b b d e n k l e m a n 梁弯沉测定值( 1 1 0 0 m m ) ： - - d y n a t e s t 8 0 0 0 f w d 荷载作用下，荷载中心的弯沉( 1 l o o m m ) 。 在水泥路面的弹性地基板模型中，面板的模量基本稳定，地基模量是评定 刚性承载力和进行加铺层设计的重要参数。地基承载板试验，由于梁式弯沉仪 的固点，费时费力，而且精度不高。 从现场快速评定的角度出发，东南大学唐伯明博士研究生通过有限元理论 分析，建立了地基综合评定模型： 砌e = 5 3 9 0 8 4 1 2 7 1 7 4 1i n h 一1 4 2 7 8 n ，肿 ( 2 2 ) i n k f = 1 5 0 1 0 3 - 2 2 6 7 4 5 砌日- 1 4 2 7 8 觑，肿 ( 2 3 ) 式中：巨，足，一分别为板中荷载作用下地基回弹模量和地基反应模量( 1 0 5 p a ) ； h 一面板厚度( c m ) ； ，f 粕一5 0 k n 的f w d 荷载作用下，荷载中心的弯沉( c r n ) 。 通过式( 2 2 ) 可以很容易求出地基回弹模量，可以不用破坏路面。大量实 测结果发现，板中f w d 荷载所评定的地基回弹模量e 与地基顶面承载板测定 结果相比，增长了大约3 倍左右，即： e i 嗍n = 3 e i 因此对于旧水泥混凝土路面，参考现行规范土基回弹模量的指标，提出如 下旧水泥混凝土路面板下地基回弹模量评价标准，见表2 1 。 等级优良 由 次差 e i 1 2 0 9 07 05 0 1 的情况，这在实际中目前还难以解释，有待进一步 研究。如果使用接缝两侧弯沉差( , 5 1 。= i 彬一呒1 )