（森林工程专业论文）楚大高速公路沥青路面开裂研究.pdf

摘要：路面开裂是沥青路面的主要病害之一，它几乎伴随着沥青路面的整个使用期， 并随着路龄的增长丽加重。由于环境、温度、交通荷载等因素的影响，沥青路面中已 有裂缝将会逐渐向上扩展到路表。如何正确认识沥青路面开裂机理、阻止或延缓裂缝 的发展，延长沥青路面的使用寿命，是一个值得关注的世界性的难题。 目前，沥青路面设计方法是建立在层状弹性理论基础上的耐久性设计方法，但沥 青路面仍然存在着设计年限内由于各种原因而发生的早期破坏。尤其是近年来随着公 路交通事业的迅猛发展，交通量迅速增长，载重车辆增加，车辆超载现象严重，致使 一些路面使用质量和寿命达不到应有的使用年限。 自从人们在道路上开始使用沥青路面结构以来，就开始了对沥青路面破坏形态及 其原因的探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面结构破坏进行研究， 并提出相应的抗裂设计方法。目前国内外广泛采用基于断裂力学的疲劳寿命预测方 法，但总体上来说，关于沥青混合料特性、沥青路面结构层厚度及上下结构层材料性 能差异、结构层闻联结状态等因素对影响沥青路面裂缝扩展的机理研究尚不系统，来 提出合适的沥青混合料断裂韧性参数等材料性能指标以及沥青路面抗裂设计方法，有 关的试验测试方法也不成熟，所以需要进一步更深入研究。 由于路面在重载交通作用下产生的内力超过了材料自身的应力、应变极限要求， 容易造成路面开裂。高速公路“渠化交通”使各车道具有了事实上的明确分工，在于亍车 道内产生的裂缝明显多于其它车道。本文把重交通荷载作为研究的对象之一。 另外由于沥青混合料的粘弹性质，在温度变化过程中，虽然路面中产生的温度收 缩应力小于沥青混合辩的抗拉强度，路面不会立即开裂。但每次温度收缩应力的循环 都将在路面材料内部造成一定程度的温度疲劳损伤，随着温度收缩应力循环次数的增 加，温度疲劳损伤将逐渐积累，终将导致路面的温度疲劳开裂。 本文在前人对沥青路面开裂研究成果的基础上，通过广泛收集楚大高速公路的资 料；深入研究断裂学理论与有限元法在沥青路箍开裂方面的理论知识：学习沥青路藕 材料的热粘弹性理论与方法，运用有限元法来计算楚大高速公路沥青路面在不同交 通荷载作用下产生的应力与温度周期性变化产生的温度应力。 文章计算结果表明：运用有限元法来分析交通荷载作用下沥青路面的开裂破坏是 可行的；另外，根据沥青壬才料的热粘弹性质，用有限元法计算沥青路面在温度周期性 变化下产生的应力也能反映路面材料受温度变化而产生破坏的规律。 关键词：沥青路面，半刚性基层，开裂，研究，有限元法 a b s t r a c t ：c r a c k i n go fr o a ds r i a c ei so n eo f t h em a i nf a i l u r e si nb i t u m i n o u sp a v e m e n t i t a l m o s to c c u r st h r o u 醢t h ea l lp e r i o do f t h ep a v e m e n lw h i c hi su s e d a n dw i l lb e c o m em o r e s e r i o u s1 v i mt h ei n c r e a s i n go ft h eu s et i m e b e c a u s eo ft h ee f f e c to ft h ee n v i r o n m e n t 、 t e m p e r a t u r e 、t r a f f i cl o a da n ds oo n ，t h ee x i s t i n gc r a c k i n gi nt h ep a v e m e n tw i l le x t e n dt ot h e s u r f a c ec o u r s e i ti saw o r l d - w i d e a t t e n t i o nd i f f i c u l tq u e s t i o nh o wt ou n d e r s t a n dt h e c m c k i n gm e c h a n i s ma n ds t o po rd e l a yt h ee x t e n d i n go f t h ec r a c k i n ga n dp r o l o n gt h eu s i n g p e r i o do f t h eb i t u m i n o u sp a v e m e n t a tp r e s e n t , t h ed e s i g nm e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n ti st h eo n eo fd u r a b i l i t y , w h i c hi s b a s e do nt h ee l a s t i cm u l t i l a y e rt h e o r y b u ti ti ss t i l lh a ss o m ee a r l yf a i l u r e sd u r i n gt h e d e s i g nl i m i t e dp e r i o d e s p e c i a l l y , w i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to f t h em a d 自m 艏c t h e f a s ti n c r e a s i n go f 【r a f f i ev o l u m e ，t h er a i s i n go f h e n r yc a rl o a d 。a n dt h es e r i o u sp h e n o m e n o n o fs u p e r c h a r g e ，t h eq u a i l t ya n dt h el i f eo f s o m ea s p h a l tp a v e m e n tc o u l d n ta r r i v et h eu s i n g l i f e s i n c ep e o p l eh a v eu s e dt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n ts t r u c t u r eo nt h er o a d ，t h e yb e g a nt o m a k ea ni n q u i r yi n t ot h ef a i l u r ep e t t e ma n dr e a s o nf o rt h eb i t u m i n o u sp a v e m e n t a n d s t u d i e do nt h ef a i l u r eo f t h eb i t u m i n o u sp a v e m e n ta c c o r d i n gt ot h eu n d e r s t a n d i n gl e v e la n d m e t h o dw h i c hp e o p l eh a da tt h a tt i m ea n dp u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gc r a c k i n gr e s i s t a n c e d e s i g nm e t h o d s t h e s ed a y s , a l m o s ta l lt h ec o u n t r i e sa d o p tt h ew a yb a s e df r a c t u r e m e c h a n i c sf a t i g u e l i f e - p r e d i c t i n gm e t h o d b u ta saw h o l e ，t h es t u d yo nt h ec r a c k i n g d e v e l o p m e n t m e c h a n i c s n o w i sn o ts y s t e m i ca b o u t t h e f a c t o r s o f a s p h a l t m i x t u r ec h a r a c t e r , s t r u c t u r el a y e rt h i c k n e s s ，s t r u c t u r el a y e r s m a t e r i a lp r o p e r t yd i f f e r e n c e s ，c o n n e c t i o n ss t a t e b e t w e e ns t r u c t u r e s i nb i t u m i n o u sp a v e m e n t ar e a s o n a b l eb i t u m i n o u sm i x t u r ef r a c t u r e t o u g h n e s sp a r a m e t e ra n do t h e rm a t e r i a lp r o p e r t yt a r g e ta n dac r a c k i n gr e s i s t a n c ed e s i g n h a v en o tb e e np u tf o r w a r d c o r r e l a t e de x a m i n a t i o n sa n dt e s t sh a v en o tb e e np e r f e c t s oa d e e ps t u d yo nt h es u b j e c tn e e d st ob ed o n e p a v e m e n tc r a c k i n ge a s i l yh a p p e n sb e c a n s et h es t r e s s ，w h i c hw a sm a d eb yt h eh e a v y t r a f f i cl o a d e x c e s s e st h em a t e r i a l ss t r e s sa n ds t r a i nl i m i t n l ec r a c k i n go nt h ed r i v i n g l a n e sa r cm o r et h a no t h e r s f r e e w a y 憾cc h a n n e l i n g ”m a k e sa l ll a n e sh a v ed i f f e r e n t f u n c t i o ni nf a c t t h e r e f o r e ，t h eh e a v yl o a db e c a m eo n eo ft h eo b j e c t i v e ss t u d i e di nt h e a r t i c l e i na d d i t i o n ，d u r i n gc h a n g i n go f t h et e m p e r a t u r e ，b e c a u s eo f t h ev i s c o e l a s t i cc h a r a c t e r n o fb i t u m i n o u sm i x t u r e , t h ep a v e m e n tw i t ln o ti m m e d i a t e l yu r a c ke v e nt h o u g ht h e t e m p e r a t u r es h r i n ks u e s si sl e s st h a nt h es t r e n g t ho fs t r e t c ho ft h eb i t u m i n o u sm i x t u r e e v e r yc i r c l eo f t e m p e r a t u r es h r i n ks t r e s sw i l lm a k ei n t e r i o rt e m p e r a t u r ef a t i g u ef a i l u r eo f p a v e m e n t m a t e r i a l w i t h t h e i n c r e a s i n go f t h en u m b e r s o f t h ec i r c l eo f t e m p e r a t u r es h r i n k s t r e s s ，t h et e m p e r a a a ef a t i g u ef a i l u r ea c c u m u l a t e sg r a d u a l l ya n dc r a c k i n gw i l lc o m eo u ta t i a s t b a s i n go nt h ep r e d e c e s s o r ss t u d y sf r u i to nt h ec r o c k i n gi nb i t u m i n o u sp a v e m e n t ， t h r o u g ht h ed a t e sc o u e e t e de x t e n s i v e l y , c a r e f u l l ys t u d y i n go nf r a c t u r em e c h a n i c sa n df i n i t e e l e m e n tt h e o r ya b o u tc r a c k i n gi nb i t u m i n o u sp a v e m e n t , l e a r n i n gt h et h e r m a lv i s c o e l a s t i c t h e o r ya n dm e t h o d ，t h ea a i e l ec a l c u l a t ec h u - d ae x p r e s s w a yb i t u m i n o u sp a v e m e n t ss t r e s s u n d e rt h et i t l el o a d se n dt e m p e r a t u r es t r e s su n d e rt h ep e r i o d i ct e m p e r a t u r ec h a n g eu s i n g f i 出t ee l e m e n tm e t h o d 。 t h er e s u l t so ft h i sp a p e ri n d i c a t e ：i ti sf e a s i b l et oa n a l y z et h ec r o c k i n gf a i l u r eu n d e r t r e 幅cl o a d su s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ea s p h a l tm a t e r i a l s t h e r m a lv i s c o e l a s t i cp r o p e r t y , b i t u m i n o u sp a v e m e n t ss l l 屯s su n d e rt h ep e r i o d i ct e m p e r a t u r e c h a n g eu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o da l s oc l r lr e f l e c tt h e f a i l u r e r u l ep r o d u c e db yt h e p a v e m e n tm a t e r i a l s t e m p e r a t u r ec h a n g e k e yw o r d s ；b i t u m i n o u sp a v e m e n t , s e m i - r i g i db a s ec o u r s e , c r a c k i n g ，s t u d y f i n i t ee l e m e u tm e t h o d 1 t l 声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得西南林学院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：! 互! ：盎： 日期： w 口* ，go 关于论文使用授权的说明 本人同意：西南林学院有权保留论文的复印件，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文：提交论文一年后，允许论文被查阅和借阅，学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：! j ! 盔导师签名：盎垒：遑日期 j “4 - 当 1 绪论 1 绪论 沥青路蕊在使用期间开裂是世界各国普遍存在的问题路面开裂的危害在于不断 进入水分使沥青剥落，由于水分f # 用还会使集料和细料从裂缝中排挤出来，产生空洞 使路面逐渐形成坑陷：水分进入基层使基层甚至路基软化导致路面承载力下降、产生 管浆、台除、网裂，加速路面破坏。因此研究路面的开袈机理是沥青路面的重要课题。 1 。1 前言 沥青路薤以其表厦平整度好、振动小、行车舒适、养护维修方便等优良性能新得 到了广泛的应用。据统计“1 ，我国的高速公路9 5 以上的路面均为沥青混凝土路面。 目前，我国的沥青路蕊设计方法是建立在层状弹性理论基础上的耐久性设计方法，但 沥青路面仍然存在着设计年限内由于各种原因而发生的早期破坏。沥青路面的早期破 坏是指：沥青路面在设计寿命期的前1 4 至1 3 期间内，所发生的过早的各种形式的 路面破坏，如：沉陷、开裂、拥包、车辙、冒浆、松散、坑塘等痛害。2 0 世纪8 0 年代初期，我国一些新建或改建的沥青路面大都发生严重的过翠破坏的现象，有的馒 用不到1 年就开始大面积破坏，有的使用2 3 年就开始明显破坏。尤其近年来随着 公路交通事业的迅猛发展，交通量迅速增长，重载车辆增加，车辆超载现象严重，致 使些路面使用质量和寿命达不到应有的使用年限。路蕊的早期破坏既影响了公路的 交通运输，又造成匿丈的经济损失。 1 2 沥青路面开裂研究概述 沥青路面开裂是世界各国沥青路丽使用中均会遇到的主要瘸害之一，其分布十分 普遍，无论是冰冻地区，还是非冰冻地区，只是各自豹裂缝严重程度不同蔼已，初期 产生的裂缝对行车并无明显影响，但随着雨水的浸入，在大量行车荷载反复作用下 会导致路醣强度明显下降，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，加速沥青路稀的 破坏，影响沥青路面的使用性能。 1 ，2 1 国外研究状况 自从人们在道路上开始使用沥青路面结构以采，就开始了对沥青路面破坏形态及 其原因的探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面结构破坏进行研究， 并提出相应的抗裂设计方法。 楚大高速公路沥青路面开裂研究 目前，关于沥青路面结构开裂研究领域主要集中在应用疲劳断裂力学理论与方法 来进行研究。由于沥青路面结构始终处在交通荷载和温度荷载的循环作用下，其破坏 主要体现为疲劳破坏特征，因此，应主要研究沥青路面内裂缝的疲劳扩展规律。现在， 人们已公认，沥青路面结构的疲劳破坏可以分为两个阶段，即传统的无缺陷的疲劳起 裂阶段及其后考虑裂缝的疲劳断裂阶段。关于前者，人们已经做了大量的疲劳试验与 结梅分拆，积累了相当多的经验，其所得成果至今仍在沥青路面结构设计方法中沿用。 而后者，主要围绕疲劳断裂规律性展开研究。其中牵涉到材料的疲劳断裂规律的数学 模型的建立及其描述、模型参数的测试与确定、沥青路亟结构疲劳断裂分析与结构简 化模型的建立及相关计算方法、以及各类影响因素及其对模型与计算方法的影响修正 等。利用疲劳断裂力学方法分析沥青路砸疲劳开裂，可以获得有价值的结论，用于指 导工程实际或有助于沥青加铺层设计公式的提出。由于沥青混合料性质的复杂性，至 今关于沥青混合料及沥青路面疲劳断裂的研究仍在进行中，欲提出成熟的抗裂设计方 法仍然存在较大的差距0 3 。 最近，有部分学者与研究部门开始重新应用疲劳损伤力学分析沥青路面疲劳破 坏。以前应用疲劳力学理论时，是基于m i n e r 线性累积损伤理论，认为沥青材料损 伤过程中疲劳损伤参数不变化。而实际上，沥青混台料属于一种记忆型材料，其受力 变形历史肯定对其即时力学特性及力学响应存在影响，不同的荷载施加历史会产生不 同的损伤影响，即体现出损伤的非线性叠加特征。并且沥青属于高分子材料，在使用 中暴露在自然环境下，存在老化现象，将使沥青混合料疲劳损伤所涉及的力学性能参 数发生变化，这必然对其疲劳损伤过程造成不利的影响。因此，也开展关于沥青混台 料及沥青路面结构的疲劳损伤破坏研究。 随着人们对沥青路面结构开裂问题研究工作的深入，认识到交通荷载导致沥青路 面的开裂体现为剪切型开裂，但更主要的是温度等非荷载型因素引起沥青路面的收缩 张开型开裂，因此，现在研究重点是沥青路面的温缩型裂缝”。关于因温度变化引起 的沥青路面开裂问题的研究始于2 0 世纪6 0 年代，但直到今天国内外工程界仍然十分 关注这个领域的研究与发展。从已有的成果来看，早期的工作主要集中在低温开裂方 面，重点是温度直力的计算方法以及沥青混合料低温抗裂性能的试验研究。2 0 世纪 8 0 年代后期至9 0 年代初期，许多国家致力于旧路改造方面的工作，因此，温缩型反 射裂缝的研究受到了前所未有的重视。 低温开裂，到目前为止，在温度皮力的计算方面影响最为深远的研究应首推 h i l ls 和b r i e n 的工作。他们假设路面为一无限长的受约束条带，采用准弹性梁的力 l 绪论 学模型提出了著名的路面温度应力近似计算公式 0 a 也) = a p 弦( ，丁) 丁 ( 1 ) 毛 式中：d t ) 表示在一定的降温速度下，温度从降至d 时的累计温度应力： 口仃) 表示沥青混合料随温度r 面变化的温度收缩系数； 瓦初始温度； l 降温终了对的温度； s ( f ，r 卜一表示温度为t ，加载时间为址时，沥青混合料的劲度模量； r 表示对温度过程进行离散时的温度间隔。 尽管公式( 1 ) 对沥青路面温度应力的计算做出了重要贡献，但所存在理论上的不 足也是不容忽视的。其中，最根本的问题是他们所采用劲度模量的概念实际上是一种 蠕变试验的割线模量，将其用作表征沥青混合材料的应力应变关系是一种准弹性假 定，而事实上沥青混合材料是一种热粘弹性材料。随着研究工作的不断深入，人们对 于沥青混合材料热粘弹性本构关系的定量描述也越来越准确。 温度疲劳开裂，是由于路面昼夜温差的循环所致，有研究表明，温度疲劳是引起 路面温度裂缝的主要原因，也是沥青路面破坏的最初形式。关于路愿温度疲劳开裂的 研究始于2 0 世纪7 0 年代。当时，在西德克萨斯的沥青路面中发现大量的裂缝。而这 地区的气温并不太低，于是，美国道路工作者对这一地区的环境、气候、路面对温度 的敏感性及路面开裂机理等方面的问题进行了一系列的研究。研究成果使得人们认识 到，开展沥青路蔼温度疲劳开裂的研究具有非常重要的工程意义及学术价值。 在1 9 7 6 年，m a j i d z a d e h 就提出了可以通过线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损 伤过程加以描述，他将路藤的疲劳破坏过程分为三个阶段”1 ，即；裂缝初始化阶段、 裂缝扩展过程及极限断裂过程，并采用断裂力学方法对裂缝的扩展过程和极限断裂过 程进行了模拟。其后l y t t o n 和s h a n m u g h a n 以及l y t t o n 、s h a n m u g h a n 和g a r r e n t 以断 裂力学为基础对路面的温度疲劳开裂进行了预估，他们在s h a h i n 和m c u l l o u g h 工作 的基础上，提出了种在2 5 以下温度循环引起的路面温度疲劳开裂的预估模型。 温缩型反射裂缝，由于反射裂缝对沥青面屡造成破坏的严重性与广泛性，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。其目的， 一是为了系统地揭示反射裂缝产生的力学机理，二是为了寻求阻止反射裂缝发生、发 展的方法与措施。温缩型反射裂缝的研究通常是和交通荷载引起的反射裂缝的研究同 楚太高速公路沥青路面开裂研究 时进行的t 就其研究内容而言，可以归并为两大课题，印计算机模拟分析与室内模拟 试验。 在2 0 世纪五、六十年代，人们就开始尝试应用织物、橡胶沥青砂等软弱夹层材 料来防止或延缓沥青路面或沥青加铺层出现裂缝。后来，随着材料工业的发展，又研 究采用格栅类材料对沥青路面加筋处理。通过大量的工程实践、试验和理论研究，认 清了各类工程抗裂措施的作用机理以及制约条件，总结并提出了许多沥青路面工程抗 裂措施。其中最为突出的是自8 0 年代以来，美国就广泛开始了加强沥青材料的应用 研究，并在纤维加强沥青路面方面作了大量的工作，并且卓有成效。美国、加拿大等 国已乖j 用纤维加强沥青路面修筑了高速公路及其他大交道量的公路。通过观测和讲 究，纤维加强沥青路题可以改善沥青路蕊的高温稳定性，疲劳耐久性，并且具有低温 抗裂和防止反射裂缝的性能。 法国、瑞士、荷兰等国在沥青路面开裂的研究中，大约有7 0 8 0 9 6 是以流变学为 基本理论，从理论上探讨其力学特性与使用性藐，如麦克斯韦尔模型、泽纳模型、 圣维南模型等，并在此方面取得较多的成果。此外，值得一提的是美国s h r p 计划 中的沥青研究项目( 1 9 8 8 1 9 9 3 年) ，它采集了3 2 种沥青、1 1 种集料和8 2 种改性荆 并分九个合同束研究沥青混合料路面性能，共取得2 2 项研究成果4 1 。 沥青路面的早期破坏现象日趋严重，成为一直困扰着工程技术人员的一个主要问 题。所有的研究结果表明，沥青混合料疲劳破坏机理极其复杂，影响疲劳寿命的因素 众多，并且各因素之间相互作用。国外研究者波尔等早在5 0 年代就曾指出，沥青路 面寿命后期出现的裂缝与行驶车辆产生的弯曲应力超过了材料的抗弯拉强度有关，裂 缝是疲劳的结果，取决予弯沉的大小和行车荷载重复作用的次数，因而在一定程度上 能反映出不同材料的疲劳特性。 目前，国外对沥青路蕊出现裂缝采取的措施者以下几个方面。3 ： ( 1 ) 半刚性基层预切缝：德国1 9 8 6 年设计规范规定，当沥青罩面的厚度小于或等 于1 4 c m 时，不管基层厚度多大，只要基层抗压强度超过1 2 m p a ，基层必须预先切纵 缝和横缝。 ( 2 ) 预制微裂纹：在基层中制造微裂纹的目的是降低其收缩性，同时水硬性结合 料稳定基层内的均匀细裂缝有很好的传荷能力，对该层的永久承载力有利。 ( 3 ) 中间屡：俄罗斯在1 4 l o c m 厚的沥青混凝土下设黄乳化沥青处理集料防裂中 间层或集料中间层。 ( 4 ) 设嚣应力消解屡：如英国采用高抗拉强度的聚合物网作为半刚性基层与沥青 l 绪论 层的中间层以延缓缝向上传播。有些国家使用土工织物或橡胶沥青中间层以减少路面 裂缝。 ( 5 ) 提高沥青路面厚度，选择模量低的沥青混凝土和提高沥青混凝土抗剪疲劳强 度等措施以减少半刚性路面裂缝。 ( 6 ) 提高基层材料强度。 1 2 2 国内研究状况 目前，国内对沥青路面开裂的研究很多，但主要集中在半刚性基层沥青路谣典型 结构设计、沥青材料的瘟用研究、沥青路面的施工以及路面透水性等方面。如1 9 8 6 年陕西公路局在西包线上开展的沥青路谣开裂的试验研究；1 9 8 5 年同济大学在福厦 线上路面裂缝的治理研究；湖北省宜昌市公路局对土工网在沥青路面中的应用研究： 大连黄海大道采用多功能土工格栅治理纵缝研究；以及最近辽宁省高速公路局在沈 阳铁岭高速公路路面采用玻纤网的试验；同济大学的沥青路蕊典型结构研究等等。 关于沥青路面断裂分析及抗裂设计，早期的研究大多基于经验公式或传统的层状 结构力学计算方法。由于计算模型上的缺陷。这些方法难以正确地预估沥青路面疲劳 开裂寿命。目前国外已广泛采用了基于断裂力学的疲劳寿命预测方法，我国也开展了 相应的研究工作。但总体上国内外关于沥青混合料特性、沥青路面结构层厚度及上下 结构层材料性能差异、结构层间联结状态、不同抗裂措施等因素对影响沥青路面裂缝 扩展的机理研究尚不系统，也未提出合适的沥青混合料断裂韧性参数等材料性能指标 以及沥青路面抗裂设计方法，有关的试验测试方法也不成熟。关于沥青路面断裂分析， 应包括线弹性断裂力学分析、疲劳断裂力学分析、粘弹性断裂力学分析等几方面工作， 每一方面的工作均有些问题尚需进一步深入研究。 我国对路面温度场的研究始于上世纪的八十年代初期。同济大学严作人n ”等人在 层状体系结构的基础上，从传热学和气象学的基本理论出发，用解析的方法对水泥混 凝土路面一维温度场进行了较深入的研究，并从理论上分析了不同基层材料对路面温 度场的影响。文献 1 1 根据实测的路面温度场随深度的变化特征，提出了指数型衰减 的温度场分布的数学模型。吴赣昌等人则采用了三维层状体系模型，提出了一套计算 路面温度场的方法，其研究工作比较系统，但由于采用了二缍模型，计算过程复杂， 故一直未在工程部门得到推广应用。 我国在半刚性沥青路蕊裂缝方面也做了不少工作，如八五交通部重点科研项目： 半剐性基层沥青路面的研究中，研究半刚性基层材料开裂机理、温缩与干缩规律 提 楚大高速公路沥青路面开裂研究 出了抗裂性能的评价方法，材料的最佳组成设计和改善措施；研究沥青面层低温缩裂 机理，提出了开裂温度的预估方法，沥青材料抗裂性能的评价方法和集料的合理组成 等。就目前来看我国防治反射裂缝方法主要有以下三方面： ( 1 ) 改善沥青混凝土面层性能，如增加沥青层厚度、加筋罩面层、使用改性沥青 等： ( 2 ) 设置应力、应变吸收薄膜夹层，如采用土工织物、土工布、土工网格、粘接 间断层等； ( 3 ) 是针对基层材料本身，选择抗冲刷性好、干缩系数和温缩系数小和抗拉强度 高的半刚性材料。 虽然以上各种措施都在实践中得到了应用但目前各类措施的防范效果在定性、 定量上很不一致，一方面表明应对各种措施进行系统评价，另一方面也表明目前各种 措施的防范效果都十分有限。沥青混凝土是温度敏感性材料，其模量、强度与温度密 切相关，同时每一防范措施自身性能也受温度影响，因此，今后对各种措施进行不同 温度下防止开裂效果的系统评价是非常重要的。 1 3 楚大高速公路沥青路面开裂研究的意义 1 3 1 楚大高速公路沥青路面结构 楚大高速公路某路段的沥青路面结构为：表面抗滑层a k 一1 3 a 厚3 c m , 中粒式沥 青混凝土a c 一2 5i i 厚4 c m ：粗粒式沥青混凝土a c 一3 0i 厚5 c m , 基层为半刚性材料，即 水泥稳定集料厚3 5 c m 底基层为级配碎石厚l s a m 。半刚性材料对温度和湿度变化比 较敏感，在其强度形成过程中以及营运期间会产生干缩裂缝和温度收缩裂缝。在路面 交通荷载重复作用下，半刚性基层的这种干缩裂缝和收缩裂缝会扩展到沥青面层形成 反射裂缝。路面裂缝不仅影响路面美观、降低平整度，而且会削弱路面的整体平整度。 特别是路面开裂后水分通过裂缝渗到路面基层、底基层甚至土基，削弱基层、土基的 强度，从而加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。 1 3 2 楚大高速公路沥青路面开裂研究的意义 根据2 0 0 2 年1 月至2 0 0 3 年3 月对楚大高速公路5 0 k m 路段的病害调查资料分析， 其中开裂( 横、纵向裂缝) 累计长度为4 3 1 4 m ，开裂病害成为楚太高速公路沥青路面 的主要破坏形式之一，而且沥青路面开裂会导致其他更为严重的破坏形式，严重影响 6 1 绪论 了高速公路的使用年限及行车的舒适性与安全性，这就有必要对该高速公路沥青路面 开裂进行研究分析。因此，探讨楚大高速公路裂缝的形成机理，采取切实有效的技术 措施防止或延缓沥青路砸开裂和裂缝的产生，并对已发生的裂缝进行治理，使半刚性 基层沥青路薤真正体现“优面强基稳定土基”的路面结构组合原则，使其在技术上更 合理、经济上更有效。 1 4 本研究的主要内容 本研究的任务首先是消化与吸收前人对沥青路面开裂研究的成果，深入学习研究 断裂学理论与有限元法在沥青路面开裂方面的理论知识。然后。收集整理设计时的一 些原始资辩及现场测定沥青面层的弯沉值及目弹模量。取路基土样傲土工试验取得路 基土的各项指标，并分析所用沥青材料的性能。在此基础上，分析楚太高速公路沥青 路面开裂的原因，最后再运用有限元法分别从交通荷载作用下与利用沥青材料的热粘 弹性性质在温度荮载作用下来模拟分析楚大高速公路沥青路蘸各结构层受力变形情 况。 本研究应进行的工作有以下几个方面： ( 1 ) 收集原始设计资料 ( 2 ) 调查路况、钻芯取样分析路面结构破损情况 ( 3 ) 测定沥青路面的弯沉值、综合回弹模量，测定路基土、沥青的各项指标及基 层无侧限抗压强度测试 ( 4 ) 沥青材料性能及应力分析 ( 5 ) 得出半刚性基层沥青路面开裂机理与原因 ( 6 ) 用有限元方法模拟分析交通荷载作用下路面受力变形破坏状况 ( 7 ) 利用沥青材料的粘弹性性质分析沥青路面在温度周期变化下温度收缩开裂 堑丕塞蕉垒堕塑壹壁耍茎型堑塞 2 资料收集整理 2 1 工程概况 楚雄至大理高速公路是国道主干线3 2 0 国道( 上海一昆明一瑞丽) 云南境内的重 要路段，是昆明至楚雄汽车专用公路的延伸，是从省城昆明通往滇西地州的主要经济 干线，也是云南与周边国家的重要通道。楚大公路全长1 7 8 7 7 9 k m ，基本沿着原3 2 0 国道两侧布线，起讫里程桩号为k 1 7 l 十7 6 0 k 3 5 9 + 1 1 2 5 1 2 ，起点为楚雄的达连壤， 经南华( 南) 、沙桥、龙汤、下庄、样云( d e ) 、小官普、九顿坡垭翻、小江西、大风坝 垭口、大理( 福星村) ，沿西洱河止子大理平坡。新线比老线缩短4 7 8 k m ，为4 车道， 设计行车时速平原微丘区l o o k m h ，山岭重丘区6 0 k m l h ，1 9 9 5 年1 1 月8 日开工，1 9 9 8 年7 月1 8 日建成通车“”。 2 2 路况调查 为了正确地认识楚大公路沥青路面产生开裂的原因，需要对楚大公路沥青路面开 裂及破损状况进行调查分析，采取抽样调查的方式，主要围绕以下凡方面进行调查。 2 2 1 地质状况调查 本次调查主要对楚大高速公路某5 0 k m 路段进行调查，该路段沿线地质情况复杂， 属“慎中红层”，砂泥岩互层，泥岩强度较低、易软化，地表较大深度范围为强风化 膨胀：路基填筑土绝大部分采用砂泥岩风纯材料，而且风化程度不等，刚歼挖出的 泥岩土强度较高，用于填方碾压后密实度较差，孔隙率大，压实难度大。 2 2 2 裂缝外观形状调查 本次调查发现楚大公路沥青路面裂缝外观主要呈现为三种形状：一是纵向裂缝， 平行于行车方向，如图1 所示：二是横向裂缝，垂崖于行车方向，如图2 所示；三是 网状裂缝，如巨3 所示。 裂缝分布的主要特征：纵向裂缝主要发生在行车道中的车轮行驶轨迹上，以及超 车道右侧附近；横向裂缝主要集中在行车道，一般没有伸入超车道，问距大约为1 5 m 不等；网状裂缝主要集中在行车道及超车道右划线附近区域，裂缝小且分布较广。 8 2 资料收集按理 图1 纵向裂缝 c h a r t1l e n g t h w l s cc r a c k i n g 圈2 横向裂缝 c h a r t2c r o s sc r a c k i n g 图3 网状裂缝 c h a r t3n e ts h a p e dc r a c k i n g 2 2 3 水对沥青路面裂缝的影响 本次调查历时l o 个月，分s 在雨天与晴天进行。据统计，5 月至l o 月份为裂缝 高发期。蕊水天气中裂缝发展迅速，雨话天晴时裂缝呈现特别明显的性状，且裂缝处 楚大高速公路沥青路面开裂研究 会出现一些白色泥浆( 如图l 图3 所示) ：在雨天出现的裂缝( 缝宽1 2 r a m ) ，待晴 天再去观察时，裂缝基本上看已不出来，自已愈合了。另外，在填方路段出现的裂缝 又明显少于挖方路段，可能是因为填方路段的排水条件要比挖方路段好。填方路面的 雨水可以很快通过填方边坡及排水沟流走；而挖方路段内地下水位高，并且路表水很 难通过排水沟及时排走。在雨水天气与晴天、在填方路段与挖方路段出现裂缝的差异 性，说明了水对沥青路面裂缝发展的影响很大。 2 2 4 其它瘸害 在调查过程中发现，部分路段出现车辙、凹陷、唧泥( 图4 ) 、坑塘( 图5 ) 等病 害。行车道部分路段有较明显车辙和凹陷，车辙是由于行车荷载作用、路表开裂后的 渗水引起的不可恢复的永久性变形引起的。唧泥、坑塘是在车辙的位置，经荷载反复 作用，雨水浸入造成。由于裂缝的存在，给水制造了进入面层、基层及路基的机会， 使基层和路基含水量增大，强度降低，从而导致路面结构的破坏，致使路面承载能力 下降。在车辆、水分等因素的综合作用下，沥青表面沿着裂缝边沿出现骨料或小块沥 青剥落现象。 图4 唧泥 c h a r t4s q u e e z eo u ts l u r r y 2 3 相关试验 2 3 1 测定路面弯沉值 图5 坑塘 c h a r t5 h o l l o ws p o r 沥青路面设计时，是以双圆垂直均布荷载作用下的弹性层状体系理论为基础，以 路表容许值作为路面整体强度的控制指标来确定路面类型厚度和基层类型厚度“。 2 资料收集整理 所以，通过弯沉检测可以估计出由于交通荷载引起的路面破坏情况。 路表弯沉的变化是一个多因素综合作用的复杂过程，它与路基路面的材料性质、 压实度、干湿状况、路面结构类型、气候水文条件、交通量及其组成以及施工质量等 有关。回弹弯沉值越大，承载能力越小，反之则越大。我们所说的回弹弯沉值是指标 准轴载轮隙中心处的最大回弹弯沉值“”。在路表测试弯沉值，反映了路基路面综合的 承载能力。 采用5 4 m 贝克曼梁弯沉仪测定路面回弹弯沉，按照公路路基路面现场测试规 程j t j 0 5 9 9 5 规定o ”的弯沉测试方法进行测试。 ( 1 ) 在车轮行驶轨迹处路面测点的回弹弯沉值按照式( 2 ) 计算。 乓= ( 一岛) 2 ( 2 ) 式中：厶在路面温度t 时的回弹弯抚值( 0 。0 1 “瞄： 厶车轮中心临近弯沉仪测头时百分表的最大读数( 0 ，0 1 m m ) ； 厶汽车驶出弯沉影响半径后百分表的终读数( 0 0 1 m m ) 。 本次弯沉测试在该路段车轮行驶轨迹带取2 0 个有代表性的点进行测试，测试结 果觅表1 。 表1 实测回弹弯沉 t a b l elf i e l dm e a s u r e m e n tr e b o u n dd e f l e c t i o n ( 2 ) 计算标准差s s 。座垫二垡 v n 一1 ( 3 ) 楚大薅速公路沥青路面开裂研究 式中：s 回弹弯沉测定值的标准差( 0 0 1 r a m ) ； 厶各测点弯沉值( 0 o l i n ) ； 工测定路段回弹弯沉的平均值( 0 o l m b ； 测点总数。 经计算得s = o 0 6 8 r a m 。 计算代表弯沉值 l = l + z o s ( 4 ) 式中：，评定路段拇代表弯沉值( o o l i n ) ； 评定路段弯沉的平均值( o 0 1 r a m ) ： s 回弹弯沉测定值的标准差( 0 o l ) ； z 与保证率有关的系数，高速公路、一级公路取值为2 0 ，二级公路取值 为1 6 4 5 ，二级以下公路取1 5 。 经计算代表弯沉值，= 工十z o s = 0 2 9 7 + 2 0x0 0 6 8 = 0 4 3 3 m m ，小于容许弯沉值 o 4 8 l 曲。 2 3 2 测定沥青路面的回弹模鲎 采用贝克曼梁测定路面回弹模量，按照公路路基路面现场测试规程j t j 0 5 9 9 5 规定的回弹模量测试方法进行测试。 ( 1 ) 各测点回弹弯沉值计算方法同公式( 2 ) ，同时用这然点来计算回弹模量。 ( 2 ) 计算各测点的平均值 上：萼 ( 5 ) 式中：厶各测点弯沉值( o o l m m ) ： 三测定路段回弹弯沉的平均值( o o l r m ) ； 测点总数。 ( 3 ) 计算标准差s ，同公式( 3 ) ，s = o 0 6 8 m m 。 ( 4 ) 计算代表弯沉值 l 。= l + s( 6 ) 式中：厶评定路段的代表弯沉值( 0 0 1 r r ) ； l 评定路段弯沉的平均值( 0 0 l i i 】i n ) ； 2 资料收集整理 s 回弹弯沉测定值的标准差( o 0 1 r a m ) 。 经计算代表弯沉值厶= l + s = o 1 2 5 + 0 0 6 8 - 0 1 9 3 n a 。 ( 5 ) 计算路面的综合回弹模量 e ：三孚( 1 一： 上1 式中：占路面的综合回弹模量( m p a ) ； p 测定车轮的平均垂直荷载( m p a ) ：0 7 j 测定用标准车双圆荷载单轮传压面当量圆的半径( c m ) ； 测定层材料的泊松比；0 2 5 口弯沉系数，为0 7 1 2 厶代表弯沉值，0 1 9 3 m m 根据公式( 7 ) 计算得沥青面层综合回弹模量e = 1 0 3 1m p a 。 2 3 3 土工试验 根据公路土工试验规程j t j0 5 1 9 3 的规定o