（道路与铁道工程专业论文）城市道路旧水泥混凝土路面加罩沥青面层技术研究.pdf

摘要 摘要 水泥混凝土路面是我国公路和城市道路发展初期的主要路面类型，随着经 济技术不断发展，城市发展过程中，沥青路面由于其良好的行驶舒适性已经逐 渐替代水泥混凝土路面成为主要路面类型。 i 口水泥混凝土路面改建的一般可以采用三种方法：即，加铺沥青混凝土面 层、加铺新水泥混凝土面层和翻修重建，其中以沥青层加铺为主要改建方法。 城市水泥混凝土路面改建与公路有着不同要求。除了“白+ 黑”工程的通常要求， 城市水泥混凝土路面上加铺沥青层还需要考虑不中断交通、保护路侧绿化等要 求。 本文研究城市道路水泥混凝土路面加铺沥青层的若干技术问题。从城市道 路“自+ 黑”工程的要求、复合式路面结构力学响应、旧水泥混凝土板综合整治 和防反技术、沥青加铺层的设计及施工要求等方面进行了探讨。并结合昆山震 川西路改建工程进行了实践。 本文首先根据城市道路交通荷载及周围环境特点讨论了城市道路“白+ 黑” 工程的特点与要求；接着分析了复合式路面的荷载型结构响应和温度型结构响 应；并在考虑城市道路特点后提出了相应的水泥混凝土路面整治及加铺层防反 措施；同时也提出了沥青加铺层配合比及施工控制要点。最后依托实体工程对 本文所提到内容进行验证。 关键词：道路工程，城市道路，旧水泥混凝土路面，沥青罩面，反射裂缝 a b s t r a c t a b s t r a c t 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 nt y p eo fp a v e m e n ti nt h ee a r l yy e a ro f p a v e m e n td e v e l o p m e n ti nc h i n a a n dn o w , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m i ca n d t e c h n o l o g y , a s p h a l tp a v e m e n ti st a k i n gt h ep l a c eo fc e m e n tp a v e m e n tb e c a u s eo fi t s c o m f o r t a b l ef o rd r i v i n g m e t h o d so fr e h a b i l i t a t i o no fc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta r e ：1 ) t h ec o n s t r u c t i o no f a s p h a l tp a v e m e n ta sa no v e r l a y ；2 ) t h ec o n s t r u c t i o no fc e m e n tp a v e m e n ta sa no v e r l a y ； 3 ) r e c o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n ta sa no v e r l a yi st h ec o m m o n m e t h o di nc h i n a t h er e q u i r e m e n t so fr o a dr e h a b i l i t a t i o nf o rh i g h w a y sa n dm u n i c i p a l r o a d sa r ed i f f e r e n t t h er e q u i r e m e n t sf o rm u n i c i p a lr o a d sa r et op r o t e c tt h eg r e e na n d t ok e e pt h et r a f f i cf l o wm o v i n g i nt h i sp a p e r , s o m et e c h n i c a lq u e s t i o n so ft h ea s p h a l to v e r l a yo nc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t ( a c + p c c ) a l ed i s c u s s e d i ti n c l u d e s r e q u i r e m e n t so fa c + p c cf o r m u n i c i p a lr o a d s ，m e c h a n i c sb e h a v i o ro fa c + p c c ，t r e a t m e n to fo l dp c c ，m e t h o d so f a n t i r e f l e c t i o nc r a c k s ，a n do t h e r sc o n c e m e d a l lt h o s ew h i c hw e r es t u d i e di nt h i s p a p e rh a v eb e e nt a k e ni n t op r a c t i c ei nt h ep r o j e c to fz h e n c h u a nr o a di nk u n s h a nc i t y f i r s t l y , r e q u i r e m e n t so fa c + p c cw e r el i s t e da c c o r d i n gt oc h ，a r a c t e r i s t i c so f m u n i c i p a lr o a d s s e c o n d l y , m e c h a n i c so fa c + p c cw e r es t u d i e d t h et r e a t m e n to fo l d p c cw e r ep r o p o s e db yc o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u n i c i p a lr o a d s t h ec o n t r o l p o i n to ft h ea s p h a l tm i x t u r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o nw e r ea l s op r o p o s e d i nt h ee n d ， t h er e s u l t sf r o mt h i sp a p e ra let e s t i f i e db yar e a lp r o j e c t k e yw o r d s ：r o a de n g i n e e r i n g ，o l 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 tc o n c r e t e o v e r l a y , r e f l e c t i o nc r a c k s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：砖招佥 朋毯年【b 月如e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：鼢p 会 洲态年tb 月d 日 第l 章绪论 1 1问题的提出 第1 章绪论 我围水泥混凝二e 路【斫始建于上t i = 纪6 0 年代中期，自上世纪8 0 年代以来，水 泥混凝上路面在全围迅猛发展。总里程由1 9 8 0 年的1 6 0 0 k m ，飞速上升到1 9 9 3 年的2 8 0 4 9 k m 。而在这一时期修建的城市道路大多足以水泥混凝上路面为主。以 昆山i l j 为例，昆山的城市主干路前进西路为水泥混凝土路面，其路龄已有十年以 上，而震川西路也t b 于路龄较长而混凝土板的损坏率较高。 凶此若以设计年限1 5 年计，现有的水泥混凝土路面，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，但由于交通量剧增，汽车轴载同益重 型化或设计、旖工等方面的原因，而出现路面损坏、断板率增高、使用品质下降 的情况，影响了道路的使用功能，面临着修复工作。而与沥青路面相比，水泥混 凝土路面的修复比较困难，可采用的大修措施一般可分为三种：加铺沥青混凝土 面层、加铺新水泥混凝土面层和翻修重建。 l f l 水泥混凝十路面加锱沥青混凝土是目前采用的比较广泛的旧混凝土路面 改建方法。采用这种方法能够快速恢复路面使用性能，对道路交通的影响较小， 施工封闭道路时问短。采用这种方法能充分利用原有混凝土板块作为沥青加铺层 的下承层。这种路面结构沥青层下承层模量较大，保证沥青层底不承受较大的弯 拉应力，然而，这种路面结构的薄弱位置是混凝土板块接缝位置处，处于接缝位 置处的沥青面层容易在车辆荷载作用下产生反射裂缝，进而大大缩短了加铺层的 使用寿命，因此如何延缓反射裂缝的发生，是延长“白+ 黑”型路面寿命的关键 f u 】题。也足“自+ 黑”型路面需要解决的关键问题。 城市道路水泥混凝土路面改建工程有着与其他公路水泥混凝土路面改建工 秤不同的特点： ( 1 ) 城市主干道交通流量较大，交通封闭时间不宜过长。 ( 2 ) 交通荷载对旧路补强的扰动影响。 ( 3 ) 中央绿化带植被的保护 目前国内很多城市的市政道路水泥混凝土路面正处于维修、待修状态，旧水 泥混凝土路面行车舒适性差是目前急需解决的问题。本文依托工程昆山前进西 路、震川西路水泥混凝上路面改造工程，针对城市道路水泥混凝土路面加铺改造 ：j 二程特点，分别从水泥混凝上路面加铺沥青层力学响应分析；旧水泥混凝土路面 整治、补强原则：反射裂缝形成机理及防止措施：加铺层沥青混合料选择与性能 筑l 审哳沦 测试| 【 力 l 究适川0 二城i i i 道路水泥混；疑l 路血j j 铺沥菏断层的综合技术，为今 后城市道路“向+ 黑”工程提供参考。 1 2 国内外研究现状i m i 1 3 7 i 即丫j 水泥混凝上路面沥青加铺层工程中，要解决的关键技术问题就是如何减 少产，卜于沥青加铺层底与水泥混凝土板接缝处的反射裂缝问题，这主要是混凝土 扳块之f u j 由于错台造成的，困内外对防治沥青加铺层反射裂缝进行了大量的理 论、试验研究和工程实践，提出了各种防治反射裂缝的措施，开发了不同种类的 防治反射裂缝工程材料，建立了一些防治反射裂缝措施效果评定的试验室方法， 形成了堆f 经验的或力学一经验的沥青加铺层设计理论和方法。综合概括下来有 以f j l 个方面： ( 1 ) 反射裂缝产生机理及力学分析研究； ( 2 ) 反射裂缝处理措旌研究； ( 3 ) 沥青加铺层厚度设计方法研究。 1 2 1 反射裂缝力学分析及产生机理研究现状 i 卜确了解旧水泥混凝土路面上的沥青层受力状态足准确阐述反射裂缝产生 机理的前提条件。对于旧水泥混凝t 路面沥青加铺层力学分析研究有很多，比较 典型f l j f l - ：静力分析法、有限单元法和断裂力学法 ( 1 ) 静力分析法 1 9 7 7 年，奥斯汀工程研究所( a r e ) 在简单的静力平衡基础上提出了一种 分析反射裂缝的应力和应变的方法。该方法考虑了两种破坏模式。一为张丌模式， 由温度f 降引起下卧层( 水泥混凝土板) 的水i f 位移诱发。无钢丝加固层的接( 裂) 缝处或有钢丝加固层的接( 裂) 缝的水平位移均能计算。二为剪切模式，这种模 式是【b j 二车辆驶过不连续处接裂缝i 丐侧产7 e 的弯沉差引起。a r e 在建立静力平 衡力学模墨! 时，作了如下假定：1 ) 材料是线弹性的；2 ) 旧路面板内温度变化是 均匀一致的；3 ) 板的移动在板长方向是整体、连续的。 ( 2 ) 电算法( 有限单元法) 【 际上，自2 0 世纪7 0 年代以来，许多人分别采用各种有限元程序对接缝附 近沥青加钠层的荷载应力、温度应力大小和分布及反射裂缝产生机理进行了探 i 寸。圈内，2 0 世纪8 0 年代中期开始，同济大学姚祖康、倪明、周德云、于宝明、 周京杰和李淑明等，长安大学胡长顺、曹东伟等曾先后采用有限元方法对沥青加 铺层中的应力以及各种措施的防治反射裂缝的效果进行了分析。 第1 常绪论 o s u 分f j i 方；土足1 9 7 7 ；i - 山炎斟俄亥饿州立人掌的m a j i d z a d e h 等人提出的， 考虑了温度变化引起水泥混凝土板的水平移动和翘曲变形西种情况下加铺层的 疹! 力分布，亨 ：绘成诺谟图来估剪沥青加铺层中因温度变化引起的应力值。o s u 榄型j 训 j l - - 圣i - 。白瞅元技术米研究接缝的移动对加铺层应力的影响，加铺层中的应 力川 自限元程j i e i ；t 。算得到，已制成诺谟图方便应用。 c o c t z e e 和m o n i s m i t h 利用有限元方法( a n s r i 程序) 获得有无橡胶沥青膜 ( s a m i ) 的加铺层巾裂缝附近的应力分布。对于直接作用在裂缝上方的加铺层 灰嘶上的某一倚载，分析了许多变量对应力的影响，包括：橡胶沥青层的厚度和 劲度：沥占混；疑土加铺层的厚度和劲度；旧开裂层的劲度；i 口表面的裂缝宽度， 还计算了加铺层表面温度减少2 2 2 时裂缝附近的应力。其假设沥青混凝土的劲 度是一定的，估计了温度变化引起的应力，得到了有无橡胶薄膜夹层时的有效应 力分布，绘出了加铺层厚度对有效应力的影响图和加铺层的劲度与下卧材料的劲 度之比对有效应力的影响图。 m i n h o t o 等人应用三维有限元方法，考虑路面主要病害反射裂缝，分析了温 度变化对加铺层寿命的影响，表明温度变化对影响加铺层寿命预估的温度应力有 盟著的影响，提出了带裂缝的考虑铺面温度状况和交通荷载综合作用的加铺层结 构三维有限元分析模型来预估其寿命，结果表明，以铺面初始温度为函数的温度 变化对丌裂层和加铺层部有影响，此外，对交通荷载和温度变化各自作用下的加 铺层寿命进行了比较，最后，预估了橡胶沥青和常规沥青混合料加铺层的疲劳寿 命，当加铺层设计考虑温度效应( 温度变化) 时，同常规沥青混合料加铺层相比， 橡胶沥青加铺层的疲劳寿命更长。 1 9 8 5 年倪明运用s a p 5 结构分析程序，平面有限元计算模型，根据g o o d m a n 假设建立旧路面与加铺层f h j 结合条件，计算分析了具有接缝( 或裂缝) 的旧水泥 混凝+ 卜路面上沥寿混凝土加铺层在行车荷载和温度变化作用下的应力位移状况， 分析了反射裂缝产生发展的主要影响因素，以及加铺层厚度和应力消散夹层防治 反射裂缝的作用。 1 9 9 0 年周德云采用三维有限元法分析了旧水泥混凝土板沥青加铺层结构在 行车荷载作用和温度变化影响下的应力状况，并对反射裂缝产生机理以及设置应 力应变消散软夹层的阻裂效果进行了深入的探讨；同时他还应用三维有限元方法 对土工织物合理铺筑方式进行了研究，结果表明：旧路面接缝处铺没有限宽度的 土工织物央层，既能利用土工织物的低模量，又可以不使路面结构的整体性连续 性受到破坏，从而达到降低加铺层温度应力和荷载应力的目的。 于宝明采用彳j 限元半解析法分析加铺层应力状况，对橡胶沥青的合理布置方 式进行了探索：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， 筇1 嚣锗论 影i 们温皮掣反! ；i j 裂缝的i ：婴i 久l 索足i u 路l m 加铡j 上；i 叫的粘结状况、加铺层厚度、 i 只路【而板的长度、缝宽以及水泥混凝土的线收缩系数。沥青混凝土与水泥混凝土 的模旱：时加铺层中温度犁反射裂缝的形成也有一一定的影响，旧水泥混凝十路i ! f f i 板 的厚度、基层模量及其线收缩系数等其他冈索的影响足完全可以忽略的。 1 9 9 3 年倪明采用半解析单元方法建+ 讧路面力学模型，计算分析了混凝土路 m i 上沥青加铺层在温度和行车荷载作用下的三维应力状态，通过与平面应变模型 结果对比，表明三维半解析解与平面应变解具有相同的规律，在数值上，平面应 变解夸大了荷载作用，认为偏荷载应力是加铺层产生反射裂缝的重要因素之一， 层问结合条件对加铺层衙域应力影响加大，不容忽视。 ( 3 ) 断裂力学分析法 沥青加铺层中反射裂缝的发展过程分为三个阶段：裂缝起裂、扩展和贯通。 传统的分析方法和极限强度理论集中于研究裂缝起裂阶段，而加铺层裂缝扩展和 贯通阶段的研究可用断裂力学来分析，采用p a r i s 的裂缝疲劳扩展方程来预测裂 缝在加铺层中的扩展速率，o d e ( o v e r l a yd e s i g ne q u a t i o n s ) 分析模型即为此类。 其难点是需要知道裂纹的位置和形状( 平面裂纹、空问裂纹) 。另外，结构复杂 时，应力强度因子( 张丌型、剪切型) 幅值难有解析解，只得借助有限元数值解。 r a s h i d 最先倡导采用钝滞断裂带理论分析裂缝问题，他认为，裂缝不是直线 向上扩提的，其扩展路径使i 纠绕集料左右曲线阳 二发展的。裂缝尖端的应力集中 是一个区域而不是一点，并用均质连续体来代表。在进行有限元分析时，网格的 尺一、j 要夫f 几个集料粒径之和，否则是没有意义的。r i g o 、h a a s 等人在理论和 试验方嘶的研究工作促进了该分析方法在研究反射裂缝问题时的进一步发展应 用。钝滞断裂带理论分析方法在把三维的路面结构简化为二维平面应变问题时， 作了如下的假定：1 ) 在对l l j 路面现场观测的基础上，假定横缝的平均间距为1 2 m ； 2 ) 加铺层与旧路面之间的粘结是良好的、均匀一致的：3 ) 加铺层与旧路面之日j 粘结强度大f 加铺层本身的强度；4 ) 路面各结构层具有相同的温度收缩系数， 假定为2 7 x 1 0 6 ；5 ) 根据能量准则，假定裂缝带宽度为3 0 r a m 。 对于反射裂缝产生原因，普遍认为是温度变化引起水泥混凝土板收缩、翘曲 变形，以及交通车辆驶过接裂缝产生挠曲和剪切变形，使得接缝附近沥青混凝土 产生应力集中所致。反射裂缝的发生是由温度应力和荷载应力耦合作用的结果。 ( 1 ) 路面运营过程中，温度应力可以分为因热胀冷缩产生的温度胀缩应力 以及温度梯度产生的温度梯度应力。温度下降引起水泥混凝土板收缩，而沥青加 铺层与旧水泥混凝土路面得粘结作用，在接裂缝附近的加铺层界面上产生温度收 缩应力，温度收缩应力超过沥青混凝土的强度则诱发裂缝，断裂力学认为这种由 温度卜降诱发的裂缝为温度张开型反射裂缝；温度住水泥混凝土路面板厚方向 4 翁i 节绪论 韶均0 j 分佑引起扳的温度翘曲m j 导致接裂缝处沥? i i f z i j j ：温度翘曲应力过火而厅 裂产生温度翘曲型反射裂缝。温度型反射裂缝通常产生于加铺层的底部，而后逐 渐向卜- 扩展j i t i 】n 铺层顶i mr i c ojm 等人应用s a p l l 5 程序模拟温度应力作用下 反射裂缝的扩展路径，认为几乎足垂直山底部向上方。腱的。b u t t o n 等人的“罩 阿试验”结果表l j 】：当气温非常低时，裂缝产生舀：加铺层的顶面和低面，而后向 加铷从的i 1 部扩醒。 ( 2 ) 车辆荷载驶过接裂缝，对接裂缝附近沥青加铺层产生拉伸和竖向剪切 作用， 覆应力和剪切力超过沥青混凝土材料的强度( 抗弯拉、抗剪切) 时产生张 开型和剪切型裂缝并扩胜，相应地将这类由交通衙载引起的裂缝统称为荷载型反 射裂缝。正荷载作用下对应的张开模式反射裂缝产生于加铺层的底部，在重复荷 拔作明下垂直向上扩展，b r o w n 和c a l l a b i a n o 等人的室内试验证实了这一 点。偏倚载作用下，反射裂缝以剪切模式在加铺层中向上扩展，r i g ojm 等人认 为裂缝沿4 5 度的方向向上扩展。正荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合 罩面结构时，r i g ojm 等人分析结果显示裂缝扩展介于偏荷载与温度应力单独作 用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作用时的裂缝扩展路径更垂直一些。实际上， 沥青加铺层裂纹扩展路径与所处应力状态有关，沿加铺层厚度方向扩展的同时， 还沿着横向或纵向扩展，只不过沿两个方向的扩展速度、程度不同而已。 由儿种应力祸合在一起的，并随周期性温度变化和交通茼载晕复作用，接缝 附近沥占加铺层界面某一处或几处结构应力超过沥青混凝土极限强度而萌生裂 缝并逐渐扩展，形成综合型的反射裂缝。 1 2 2 反射裂缝处理措施研究现状 在几十年地防治反射裂缝的研究和实践中，困内外进行了大量的试验，尝试 了各种措施，大致+ “丁分为三类：改善沥青混凝土加铺层性能；设置中间夹层；处 治旧路面板。具体措施包括，沥青加铺层上剧切横缝；加厚沥青加铺层；增设裂 缝缓解层；破碎和固定旧混凝土面层；设置夹层 ( 1 ) 沥青加铺层上剧切横缝 采用这种措施可以减少反射裂缝处的边缘碎裂，但必须作好接缝的养护工 作。适用于旧路面结构状况良好( 或对损坏板以进行处理) ，接缝处板边弯沉量 较小的j 昆凝上路面。 ( 2 ) 加厚沥青加铺层 增加加铺层厚度一方面可以减少旧面层的温度变化，降低加铺层的拉应力， 另一方面可以增加路而结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪 应力。同时，对于厚加铺层，裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离， 5 即j 以延长其使j f j 寿命。美酗地泐 | f 队会( a ij 试验发现增加加铺层厚度i 以降 低旧路i 而接缝或裂缝处的弯沉量，每厘米厚的沥青混凝士加铺层可降低2 的弯 沉( 最久可达到4 ，。5 ) ，但当需要降低的弯沉帚超过5 0 时，仅用加厚层的办 法足一i 经济的。另外，加铺层大f2 0 0 2 5 0 m m 时，还会引起纵坡、路肩、净空 等一此问题。 ( 3 ) 设置裂缝缓解层 该措施可以提供缓解作用，使旧面层板接缝处的弯沉差难以影响到沥青加铺 层的，t - _ 层，从而减少反射裂缝的产生，但由于采用开级配的沥青碎石混合料 ( a t p b ) ，含有大量扎隙，必须改计相应的路面排水系统，保证a t p b 层内没有 水分滞留，同时增设土工布包边，防止泥土堵塞a t p b 空隙。 ( 4 ) 破碎和固定旧混凝土面层 在旧混凝土路血的结构损坏较，疆重，断板率较高，对损坏板进行修复后再采 取其它措施已不经济时，可以对旧路面板进行破坏和固定。应用混凝土破碎机， 将路面分解成尺寸为6 0 m m x l 0 0 m m 左右的碎块，随后用重型轮胎压路机在碎石 上碾压数遍，使之牢固地坐落在基层上，与基层顶面之间无空隙。板块尺寸的减 小，使得温度下降后的收缩位移大大降低，从而也降低了加铺层的拉应力。同时 也可以降低接缝和裂缝两侧板块的弯沉量和弯沉差，但旧面层的结构刚度也大大 降低，使破碎混凝土层的性状处于柔性与半刚性之间。破碎和固定技术在美国已 使用了3 0 多年，但对其使用效果仍有争议。1 9 8 7 年美国联邦公路局的调查报告 指出，此项措施在最初几年内有效地减少反射裂缝，但4 5 年后反射裂缝仍会大 量出现。 ( 5 ) 设置夹层 设置夹层可以使沥青加铺层底面的应力或应变因离开应力集中的接缝( 或裂 缝) 端部而降低，同时也可改变加铺层结构( 包括夹层) 的抗拉和抗剪能力。可 以在旧混凝土路面上设置一层高弹性低劲度的橡胶沥青软夹层，厚度为1 5 m m ， 模量约为1 0 1 0 0 m p a 。降低旧路面与加镝层之i b j 的粘附阻力，使二者易于蠕动 滑移，从而减少温度下降引起的反射裂缝：同时，由于隔开了接缝( 裂缝) 端部，它也可以降低加铺层地面的荷载应力。所采用的夹层主要有以下三种： 1 ) 应力消散( 吸收) 夹层。f r a n c k e n 认为软夹层对距面层地面3 - 5 c m 以上 的加铺层，以及位于接缝( 裂缝) 之间的加铺层的荷载应力具有不良影响，使其 应力和应变比不设夹层时反而增大。b l a n k e n s h i p 等采用一种由高沥青含量、高 聚合物改性沥青、细粒碎石组成的热拌沥青混合料做应力消散央层，厚2 5 m m ： 这种；昆合料具有在弯拉应变为2 0 0 0 9 e 在荷载下经受住1 0 0 0 0 次重复作用的抗弯 瞄疲劳的能力以及透水性小的特性。m o l e n a a r 认为s a m l 应具有下列性能： 6 第l 绪论 q j s a m 【与| j 路血以及加钉翦j 三：1 1 i j 的朴层油的抗必性能：! c ij 果抗剪强度过低，使得 s a m i 过早的：i ；现分层现象，造成加铺层很快断裂：( g ) s a m i 的劲度：夹层的劲 度与夹层的模帚、厚度有关如果夹层的幼疙很低那么存加铺层的底部引起很 人的j 追变，从而导致加铝b 层的，j 1 ：裂。与此耷l i 反，如粜央层的劲度过高，或者央层 特别簿温度j 移力将1 0 0 的传递剑加铺层中，起不到防治反射裂缝的效果： s a m i 的沏度：如聚s a m i 的切皮太低，那么裂缝将很容易在s a m i 中扩展， 使得s a m i 没有防治效果或者只有部分的效聚。 2 ) 土工织物央层，用于央层的材料主要包括聚内烯或聚酯织物和聚乙烯、 聚丙烯或聚酯无纺织物。无纺织物的厚度约为0 4 - - - 4 m m ，模量约为1 0 1 6 0 m p a ， 临界应力5 - 2 0 m p a ，临界应变4 0 - - - 1 4 0 m p a 和8 1 5 。无纺织物夹层的主 要作刚与橡睃沥青应力吸附夹层相似，而织物由于模量稍高，可对加铺层起少量 加劲作用。 3 ) 格栅包括聚丙烯或聚酯土格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅的 厚度约为0 8 1 1 m m ，模量约为9 0 0 - - 2 5 0 0 m p a ，临界应力和应变与织物相近。金 属格栅的厚度约为2 - - 4 m m ，其模量可达8 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 m p a ，刚度大的夹层对于降 低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，但对于降低荷载 产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。采用复合式夹层( 下层为应力吸收层， t 层为会属格栅) ，虽然可以像软夹层那样介绍温度引起的反射裂缝，但仍保留 了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。 1 2 3 加铺层厚度设计方法研究现状 旧水泥混凝土路面沥青钿铺层设计方法分为两类，一为经验法，一为力学一 经验法。经验法采用补足厚度缺额的概念，利用实验验证结果建立经验厚度关系 式。力学一经验法则以弹性地旌板或弹性层状体系理论为基础，利用钻孔和弯沉 测定得到的结构参数进行分析，利用试验验证结果进行修正，并按沥青路面的设 计标准确定所需厚度。 经验法 ( 1 ) 美国沥青协会( a i ) 的弯沉法。 美国沥青协会认为旧而层接缝( 或裂缝) 处的弯沉量和弯沉差是引起沥青加 铡层丌裂的e 要原因，因为轮找的臆加速度远高于温度变化产生的面层板伸缩位 移的速率，因而，此方法以控制接缝或裂缝处的板边平均弯沉量和弯沉差为设计 要求。其标准为： 接缝( 或裂缝) 两侧的板边弯沉差( w l 一、砌) 0 0 5 r a m 接缝( 或裂缝) 两侧的板边平均弯沉差( w l + w u ) o 3 6 m m 7 筑i 节锗诊 ( w l 、u u 为受甜板和二t b - 受衍板的扳边。- 。3 f j l 值，由8 0 k n 轴钱和! ! 克曼梁测 定) 对1 ：连 羹配筋混凝一i ：而层，其弯沉黾的控制标准为不大于0 o l5 r a m 铺筑沥l i 朋铀层，叮以降低l u 面层接缝或裂缝处的弯沉量，每厘米密级配沥 青混；疑t 加钔层约可降低2 弯沉量，当需璎降低的弯沉最过大( 超过5 0 ) 时， 采j 1 j 脬j j i l 铝u 1 , ：是不经济的，这时，应采取其它措施提高接( 裂) 缝处的路面结构 刚度，以降低旧面层的弯沉量。沥青协会建议的沥青加铺层厚度，随旧混凝土面 层扳的长度和当地的年平均温度差而变化。并且对于一定的加铺层厚度也需采取 一定的措施，以提高道路及其设施的性能。 ( 2 ) 美囤陆军工程师部队( c o e ) 的补足厚度缺额法。 c o e 采川补足厚度缺额，依据强化试验路的观测和分析结果，于5 0 年代中 期提出了旧水泥混凝土面层上加铺沥青层的经验厚度设计公式。 k = 彳( 矾一k ) 式中：红，按现有地基承载能力和未来交通要求，由新建混凝土路面设计方 法确定的单层混凝土面层所需厚度( c m ) ； 见。旧混凝十面层厚度( c m ) ； g 旧面层板的状况系数，含细微的初始裂缝时取1 0 ，含多条裂缝或 角隅断裂时取o 7 5 ； a 混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数，取2 5 ，f a a 在1 9 8 8 年的 设计手册中提高到3 0 ； 卜控制i u 面层板在加铺后裂缝进一步发展的程度的系数，随交通和路 基强度变动于0 乱1 o 之间。以路表弯沉未出现小于o 4 缸o 6 5 c m 2 碎块的完全破 坏为枷：准。 c o e 在强化试验期间观测到，沥青加铺层下的混凝土板在荷载作用下逐渐 歼裂，并继续发展到板碎裂成为0 4 6 m 2 - - 0 6 5 m 2 的小块。随后，路表弯沉随荷 载作用而急剧增长，并在地基内出现剪切破坏。设计公式以未出现小于上述尺寸 碎块的完全破坏为标准。为此，在公式中引系数入f 。 ( 3 ) 美因a a s h t o 经验法。 美国a a s h t o 的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层 的啄度，但放弃了f 修正系数的考虑，即不考虑加铺后旧混凝土面层板的进一步 了f ：裂。设计公式为： k = a i 吃一b ) 8 第1 章7 沦 式中：忆，九与前式相l r d ； h 叮= c 畸c 。c 吁h “ c 加考虑损m ：接缝和是芒；修复的系数； 气，考瞧l f l 嘶层是甭存以：耐久性问题的系数 c 。考虑疲多：损坏 l 、! 度的系数： a 混凝上层脬与沥青层厚的当篮转换系数，是混凝上厚度缺额的函 数。 力学经验法 力学经验法是根搬力学汁算结梁，通过数理统汁回归方法，进行野外现场改 计参数的标定，确定路面加铺层厚度的一种方法，以下简述几种。 d eb o n d t 的加筋沥青加铺层设计是在野外测量、室内测试、理论发展和数 学模拟的基础上形成的。其改计思路为：应用自限元方法，采用断裂力学理论处 理加筋沥青加铺层问题，设计模形考虑裂缝接缝间断的存在，能预测交通荷 载、温度下降和不均匀的土壤运动的影响；裂缝在加铺层中的扩展；道路结 构的层间滑动；加铺层底加筋的作用。d eb o n d t 等人用截面单元模型模拟旧 路面就够的裂务剪接缝行为，裂绀接缝的界面剪切劲度d u 必须来自野外记录的 裂缝的相对运动，其值代表特定环境的接裂缝的性能。通过大量研究发现，f w d 是目前测量裂缝相对运动最合适的工具。d eb o n d t 等人的设计方法，能够评估 各类加铺层的寿命，所需数抛可以通过实地评估和以材料为主的试验得到。 r o b e r tl l y t t o n 于1 9 8 9 午基f 对弹性地基梁模型的断裂分析，提出了沥苛 加铺层在交通荷载作用i 型和i i 型裂缝盈利强度因子的计算式，以及温度荷载作 用下i 型应力强度因了的计算式，建立了加筋材料受力模型，引入加筋对沥青加 铺层丌裂的影响。在此基础上，结合p a r i s 疲劳断裂共识，提出沥青加铺层的厚 度设计方法。在设计用：l ：工织物加筋沥青臃铺层时，必须选择加铺层厚度d o ， 织物或格栅承受的最大拉力，条形织物宽度和所用枯层油的数量。由于这些参数 选择相互影响，可以通过迭代过程进行加铺层优化设计。 m o l e n a a r 等人于1 9 9 6 年提出一种等效模型，即将开裂层以下部分结构层、 开裂层所含结构层及其加铺层分别有效为一种材料，确定其当量模量，然后按双 层体系进行结构分析，根据p a r i s 公式提出加铺层设计方法。等效层的模型可分 为两种情况：第一种情况，将所有整体性结构层结合作为一个结构层，裂缝已从 原旗层扩腱到原晴i 层，为便九 算，必须将趣i 铺层、原面层和原基层弹性模量等 效成译的当量模碴e 。第：一种情况，歼裂层下为无结合料基层，裂缝由原而层 9 第1 章绪论 戚， ：( t - 许已贫穿j 整个血j 二：厚度，此时应将加铺j 2 - 羁i 原曲i 层弹性模醚等效成单一 的当鼠q t 模量e ，而将原无结合料集料基层和路基弹性模量等效成单一的当量模蕞 e s 。f ? 述两种情况下，均将l 口路面产乍裂缝的整体件结构层厚度作为裂缝的长度 c 。凶为路i j 结合形式多种多样，如何确定各结构层的当量模量将是讨论的重点。 s o u s a 等基于旧路面裂缝处反射裂缝问题，在试验事和现场研究了密级配热 拌沥f 譬混合料和丌级配橡胶沥青混合料加铺层，推导了加铺层设计必须的力学关 系和统汁研归方程，分析采用模拟现场实际情况的三维有限元程序s a p 2 0 0 0 ，跟 踪观测了分设于美国a r i z o n a ，c a l i f o r n i a 州和葡萄牙( p o r t u g a l ) 的数个现场试 验段，认为其他热拌沥青混合料加铺层可通过校正后使用他们推荐的方法设计， 但是，添加了其它物质的混合料的相应属性和应用地区的气候环境条件必须事先 确定，研究的两种混合料主要用于美国a r i z o n a , c a l i f o m i a 州的西南沙漠地区。设 计采用e x c e l 电子表格簿形式，带有一个方便应用的基于v i s u a lb a s i c 语言编程 的宏命令。 1 3 研究内容与技术路线 本文依托工程昆山市前进西路、震川西路，前进西路为昆山城区交通主干道， 震川幽路为城市交通次干道，两条路交通量十分繁忙，公交车甚多且无法改道， 改建工程需要在不完全中断交通的情况下实旖，因此需合理选择施工时机，并确 定适合工程特点的旌工工艺，特别是震川路作为昆山市滨江景观带的组成部分同 时还耍兼顾道路中央绿化带及两侧人行行道树等植被保护，因此工程具有一定的 操作难度。因此本文就该两个工程若干技术问题做深入研究，以求得到较为合理 的解决方法，并为今后软土地区类似项目的实旌提供标准化参考。因此依托这项 工程有其工程必要性和先进性。同时本人有幸参与整个工程其中。 本文的主要研究内容和技术关键如下。 1 3 1 研究内容 本研究的目的是通过理论和机理分析，选择合理可靠的沥青加铺层设计方 案，提出适合昆山市实际情况的水泥混凝土路面加罩沥青层工程技术标准和施工 工艺，本文研究的主要内容有： ( 1 ) 水泥混凝土路面沥青面层复合结构受力分析 ( 2 ) 黑白复合路面结构影响因素 ( 3 ) 旧水泥混凝j t 路而补强技术 ( 4 ) 沥青面层防止反射裂缝技术 i o 编i 章绪论 ( 5 ) 玛i 仃道路绿化带保护技术 ( 6 ) 沥青加铺层设汁与施- 丁技术 1 3 2 技术关键 ( 1 ) 现自水泥砼路面剩余价值许定及整治补强技术和工艺； ( 2 ) 接( 裂) 缝修补及防反技术措旋： ( 3 ) 适川于昆山f i m ，j 水泥混；疑一l ：路面加罩沥青层工程技术标准和施工工艺。 筑2 币城市道路“白+ 黑”t 捍特声j 哽求 第2 章城市道路“白+ 黑 工程特点与要求 城开i 道路水泥混凝土路面罩面沥青层工程和高速公路相比有着联系也存在 彳：同。i f 确认识两者的联系与区别才能在工程实施过程中更加具有针对性。一方 面，城市道路的交通倚载条件与公路不同，交通轴载的组成相异。城市道路以大 小型客车为主，尤其是主干路由于交通繁忙鲜有货车。而公路则相反，货车占到 交通衍载的比例很大，同时对道路损害的贡献也很大。因此两者在荷载上有着不 同。另一方面，两者在植被要求上也不同，城市道路尤其足主干路，对分隔绿化 带内的植被的美观要求很高。同时需要所栽种植被能够降低噪音并吸收灰尘，显 著改落空! i 质量。而高速公路则要求相对较少。其主要侧重的足植被对道路边坡 坡面稳定的维护，同时拥有强大的根系，防止水土流失。 本章将首先分析市政道路和公路交通荷载的特点，比较两者区别，确定合理 的分析倚载。同时考虑到市政道路施工条件提出市政道路施工时的要求。最后提 出对城i 矗道路对植被保护的要求及措施。 2 1 交通荷载特点 2 1 1 道路交通荷载换算 交通荷载是在进行路面设计时的重要指标，等效荷载作用次数是评价路面所 承受交通荷载程度的直观表征。大部分路面厚度设计方法采用设计年限内的累积 荷载作用次数作为路面设计的主要依据。因此需要对道路的交通状况做出合理评 价。 不同级位的轴载对路面产生不同程度的损坏作用。假定标准轴载作用n 。次 路面达到损坏标准，其他轴载在同一路面结构上作用n i i 次路面达到相同损坏标 准。将其他轴载达到损坏标准时的作用次数与标准轴载相比，便可得到该级轴载 相对于标准轴载的当量轴载换算系数l e f g ： 呼等= g l 协， 式中：1 ”一种轴型i 级轴载的轴重； 只标准轴域轴重，我国为1 0 0k n ； 1 2 第2 母城计j j 造路“i ，l + 黑”t 陧特 j 眨二 之 口、，? ! 路l f ：【j 结构、轴轮类型有关的系数。 存我围市政道路交通倚载累积作用次数计算方法与公路有着不同。在计算 理论j ：，两抒 8 j 以不同荷载作用下的等效疲劳累积作川次数之和作为标准轴次， 即，m i n e r 定律。然而，具体的方程参数考虑到不可的交通倚钱情况而有所不同。 ( 1 ) 公路交通荷载计算方法 设计年限内一个方向个车道的累计当量轴次是确定设计交通量的依据。它 是根掘i ：同公路等级的设计年限、第一年双向同平均当最轴次( n 1 ) 、年平均交 通量增长率、年道系数及该公路交通特点计算的，按公式( 2 2 ) 计算： 肫：堕型型n 。- r ( 2 2 ) 7 式中：，设计年限内一个方向e 一个车道的累计当量轴次( 次) ； t 设计年限( 年) ； m 路面营运第一年双向同平均当量轴次( 次1 3 ) ； ，设计年限内交通量的平均年增长率( ) ； 刁车道系数 沥青路面时，车道系数r 按照表2 1 选定，若公路无分隔时，路面窄宜选高 值，路面宽宜选低值。 表2 1 车道系数，7 ( 沥青路面) 车道特征车道系数 双向荤乍道1 o 烈向两7 f 道 0 6 o 7 舣i - - 1 四乍道 o 4 o 5 双向入车道0 3 o 4 双向八1 i 道0 2 5 0 3 5 水泥混凝士路面时，选取交通量方向分配系数，一般情况可以采用0 5 。根 据设汁公路车道数，参照表2 2 确定车道分配系数。 表2 2 交通量车道分配系数 单向车道数1234 ，| ：逆分配系数1 o0 8 1 00 6 0 8 0 5 o 7 5 埝! 簪坝市道路“【l + 黑”i 特点。j 整求 现fj ：路面改汁l 览范规j 在计算设汁交通鼙时，将f i 卜d 轴重的各种l 三，舳换算成 b z z 一1 0 0 标准轴罩的：_ 毒；轴次。标准轴载当鼍作用次数是根据不同的设计阶段采 f j 不h 的计算方氍。 沏i i 路衙分为：按敬汁弯沉值和沥青层层底j 童应力为指标、以半刚性材料层 的拉澎力为设计指标。 ( 1 ) 当i 殳计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各种车辆的前、后轴均 应按公式( 2 - 3 ) 换算成标准轴载p 的当量作用次数n i 。 2 蚤c l c 2 一( 秒5 ( 2 - 3 ) ，= i 1 i ，- j 式中：n 标准轴载的当量轴次( 次r ) ； n ，各种被换算汽车的作用次数，( 澍r ) ： p 标准轴载( k n ) ； p i 各种被换算车型的轴载( 1 州) ； c i 轮组系数，双轮组为1 ，单轮组为6 4 ，四轮组为0 3 8 ； c 厂轴数系数； 当轴问距大于3 米时，应按一个单独的轴载汁算：当轴间距小于3 米时，双轴 或多轴的轴数系数按公式( 2 - 4 ) 计算。 c 2 = 1 + 1 2 ( m 1 ) ( 2 4 ) 式中：叶一轴数。 ( 2 ) 当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各种车辆的前、后轴均应 按公式( 2 5 ) 换算成标准轴载p 的当量作用次数n 。 = 善kc t l c 2 姒争l 协5 ) 2 善2 以( 节) - 、 式中：乙- 轮组系数，双轮组为1 0 ，单轮组为1 8 5 ，四轮组为o 0 9 ； a 幸由数系数。 以拉应力为设计指标时，双轴或多轴的轴数系数按式( 2 6 ) 计算。 t = l + 2 ( m - 1 ) ( 2 6 ) 水泥混凝土路面按照各种轴型不同轴载级位的标准轴载当量换算系数按式 ( 2 7 ) 计算确定。 铲4 j f ，l 1 吖o o ) ( 2 7 ) 1 4 谚2 带城d i 道路“ ，i 黑”i 哆特 0 畿求 式i | j ：