（交通运输工程专业论文）城市道路旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计研究.pdf

摘要 本文通过对旧水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力和荷载应力的分 析，得出了加铺层厚度对各项应力的影响规律，同时通过对防止反射裂缝 的措施分析明确了设置防裂夹层的重要作用。在此基础上，结合城市道路 不同于公路的特点，提出了城市道路旧混凝土路面的沥青加铺层设计方法， 并在龙川路改造中进行实际应用，为城市道路中大量的类似工程改造提供 了设计经验。 关键词：水泥混凝土路面沥青加铺层温度应力荷载应力 a b s t r a c t b a s eo nt h ea n a l y s i so nt h et e m p e r a t u r es t r e s sa n dl o a ds t r e s so fa s p h a l t c o n c r e t e o v e r l a y , i t f i n d so u ti n f l u e n c er u l eo fs t r e s sw h e na s p h a l tc o n c r e t e o v e r l a yc h a n g e s t h i c k n e s s i td i s c u s s e st h em e a s u r ef o rp r e v e n t i n gr e f l e c t i o no f c r a c k i n g a n dc a r r i e so u tt h a ti s i m p o r t a n t t os e t i n t e r l a y e r o fp r e v e n t i n g c r a c k i n g t h e ni tr a i s e st h ed e s i g n a n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d so fa s p h a l tc o n c r e t e o v e r l a yo n o l dc o n c r e t ep a v e m e n ti nc i t y a tl a s t , t h ep r a c t i c ei ne n g i n e e r i n go f l o n g c h u a n r o a ds h o w se x p e r i e n c eo f d e v i c ef o rm a n yc o m p a r a b l ee n g i n e e r i n g i n c i t y k e y w o r d s ： c 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 eo v e r l a y s ， t e m p e r a t u r es t r e s s ，l o a d s t r e s s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：芝= 垂堑! 日期：翌竺：3研究生签名：孑、$ 矽、日期：哆3 东南大学学位论文使用授权声睨 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名： 蔓：垂兰：导师签名： 研究生签名： 望：垒翌：导师签名：日期：砂哆7 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 我国在五、六十年代城市道路建设中大量采用混凝土路面结构，一方蕊是因为当时 国产沥青质量不过关，沥青路面的寿命较短，比不上混凝土路面经久耐用，另一方面由 于经济实力有限，无法满足沥青生产和施工设备的高额投入，而混凝土施工设备简单易 行，同时施工方便，受季节温度的影响不大。但随着城市建设的发展，城市品味形象的 提升，对城市道路的景观性、舒适性要求越来越商，沥青路面造价低，养护方便，行车 舒适，施工周期短等优势便体现出来，特别是进口优质沥青和改性沥青的出现，大大改 善了沥青的路用性能，使沥青混凝土路面结构的应用呈现飞跃式发展，成为城市道路建 设的首选形式。 在城市建设中如何处理原有的大批混凝土路面，目前主要有两种方式。一是将原有 路面全部破除，重新建设，这样劳永逸，没有后遗症，但破碎混凝土板块对城市环境 的影响以及破碎后板块的弃置处理等等问题难以解决。二是采用沥青罩面的方法进行改 造。这在公路改造中采用的比较多，这样处理优点是工期短，经济节约，对城市环境影 响小，不存在破碎扳块的处置问题。但旧混凝土路面加罩沥青在城市中的应用刚开始， 没有成熟的理论和充分的实践验证。在加铺层技术方面，我国现行规范仅对f 日水泥混凝 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，对在水泥混凝土路面加铺 沥青面层的设计及施工等尚没有规定。公路中应用的实践既有成功的经验也有失败的教 训。因此通过对相关理论研究和设计实践的总结以及对试验路设计方案的深入研究，借 鉴公路工程中应用的理论研究成果和实践经验，结合城市道路改造工程中的一些技术特 点，提出城市道路旧混凝土路面沥青罩面设计的参数和方法，对于指导城市道路原有的 大量的旧混凝土路面改造方案设计，大量节约工程投资，缩短施工周期，减少对城市环 境的影响具有很强的现实意义。 1 2 国内外研究现状 国外对旧混凝土路面加罩沥青层的研究较早，研究的内容也较多。其中代表性的有 a r e ( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) 法，a i ( 美国地沥青协会) 法，a a s h t o 罩面设计方法 世 】一l 因旧路画扳的移动产生的拉应变 w o a r e 法提出了基于考虑了水平和垂直接缝位移产生的反射裂缝控制的设计方法。即 东南大学硕士学位论文 因温度下降产生拉 卜2 接缝两侧不同的竖向位移造成的剪应变 伸应力引起 的破坏和因交逶蘅载在接近裂缝处的不同位移产生剪切变形引起的破坏鼯神情况( 如图 1 - 1 ，卜2 ) 。通过力学分析模型计算罩面层中因旧路面板的水平移动产生的拉应变和因 接缝两边不同的竖向位移造成的剪应变。设计过程如下图： 图卜3a p e 设计方法流程示意 2 第一章绪论 a r e 罩面设计方法的力学概念简单明确，计算方便，对影响反射裂缝的各因素进行 了较系统全面的考虑。但该法中作了一些粗糙的假定使a r e 法不能准确的分析沥青罩面 层中的应力分布状况，也无法考虑接缝或裂缝处应力集中对罩面层反射裂缝的影响。 a i 法认为水泥混凝土路面上沥青罩面层开裂的主要原因有水平向温缩和热胀以及水 泥混凝土板块的竖向弯沉差，但后者危害更大。因为行车荷载的作用频率比收缩和热胀 要快的多，所以设计中主要控制容许垂直应力。该方法以弯沉差作为控制指标，旧水泥 渥凝土路面弯沉差应符合下列要求，否则需采取措施。如图1 - 4 所示，贝克曼梁所测弯 沉： d 1 d 2 0 0 5 r a m 平均弯沉：d 1 + d 2 o 3 6 m m 2 ( 1 1 ) ( 1 2 ) 该方法虽考虑了防反措施在减薄罩面层厚度方面 的影响，但没有给出定量的关系，同时也没有和罩 面后的路面使用性能联系起来。 a a s h t o 经验法是迄今为止较完善的设计方法。 通过“等效结构数”来确定加铺层厚度。具体包括 罩面可行性研究、原板块处理、防止反射裂缝措施 和罩面层厚度设计等。为满足将来的交通量要求， 所需的罩面层厚度由下式确定： d o ，= a ( d 广d 。) 式中： ( 1 3 ) 强t - 4 荷载产生的弯沉差 d 0 ，所需要的沥青混凝土罩面层厚度； a 旧混凝土板的厚度与沥青罩面层之间的等效系数； d f 承受设计交通量所需要的混凝土板厚度； d 。：厂旧水泥板的有效厚度。 a a s f f r o 经验设计法以新建水泥混凝土路面设计方法为基础，考虑旧混凝土路顽的剩 余寿命，对影响路面使用性能的其他因素作了全面的考虑，并引入了可靠度的概念。设 计概念明确，实现起来简单，易于操作。但它没有考虑防反措施对路面使用性能和罩面 层厚度的影响。 国内对旧混凝士路面沥青加铺层的研究多数集中在防止反射裂缝上面。同济大学 1 9 8 5 年运用s a p s 二维平面有限元程序分析了旧水泥混凝土路面上如铺沥青层的应力状 况，从理论上探讨了反射裂缝的形成机理；1 9 8 6 年采用三维空间有限元法对混凝土路面 上沥青加铺层的应力进行分析，提出了在加铺层与旧路面板之间设土工织物夹层以降低 加铺层荷载应力与温度应力，且在接缝( 或裂缝 处设置局部土工夹层效果更好。 西安公路交通大学也采用了三维有限元法对沥青加铺层结构进行了力学分析和室 内试验。重点考虑荷载应力作用下，接缝处沥青加铺层的剪应力和弯沉差，分析了临界 荷位和各参数的影响。 西安空军学院对温度应力所引起的反射裂缝进行了室内模拟试验研究，得到裂缝扩 展随荷载作用次数的关系曲线及裂缝发展规律，同时对各项抑制和防止反射裂缝措施的 实际效果进行了对比。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要通过对现有国内外设计理论及工程实践经验的总结，明确了影响沥青加铺 一 睢一 一 一、厶彳一 ( o 置簦 东南大学硕士学位论文 层厚度的各项因素及变化规律，探讨了防裂夹层在防止反射裂缝过程中的作用机理。分 析城市道路改造中旧混凝土路面沥青罩面设计的技术特点，通过对龙川路设计方案的研 究和技术经济评价，提出城市道路旧混凝土路面沥青罩面设计的参数和方法。 4 第二章沥青加铺层应力分析 第二章沥青加铺层应力分析 2 1板均匀收缩使沥青层产生的温度应力分析 2 1 1 、混凝土板温度变形分析 混凝土路面因温度变化产生的温度变形受到约束阻力而产生温度应力。其中路面板 与基础之间存在的摩擦阻力是一种主要约束。这种阻力，不同于一般所认为的面板底部 与基础表面之间的滑动摩擦。由于现场施工时水泥浆渗入基础，与基础表面材料粘结成 整体，当面板出现滑动趋势时，阻力来自基础材料内部的水平抗剪力。因此，这种摩擦 阻力在数值上远远超过一般的摩擦阻力。 当路面板的温度改变时，体积也随之变化，路面与基层之间的摩擦力对变形起抑制 作用，从而引起路面板内部的温度应力。如图2 - i 所示为一长为l 的混凝土路面板在温 度发生变化时，所产生的位移6 ，作用于板底的摩擦应力t ，以及混凝土板体内部应力 。沿板长l 的分布。 2 - i 降温时混凝土板的变化情况 ! b ! o _ - - _ _ - - - _ - - - - - - - 一 、bc d 盘穆 轭底摩 d 蒜应力 棍凝土 d 板应力 由上图可知，位移6 的分布，在板的两端最大，因为端部不受任何约束，从端部向 板中发展，由于累计的摩擦阻力逐渐增大，约束逐渐增大，则位移量逐渐减小，至b 、c 点以后，则完全没有位移发生。摩擦阻力的分布与位移的趋势有关，据调查，当位移的 趋势至少为i 5 m m 时摩擦应力才能发生。因此由面板端部至b 、c 点处t 是均匀分布的。 = ph f ( 2 1 ) 式中：t 路面板与基础之间的摩擦应力； p 混凝土的密度； h 路面板的厚度； f 摩擦阻力系数，取值为1 0 2 0 ，平均取1 5 ； 根据路面板的位移趋势与承受摩擦阻力的情况，可以将长度为l 的路面板分为滑动 区( a b 、c d ) 和固定区( b c ) 。在固定区内面板无位移发生，因而也不产生摩擦阻力。 在滑动区，面板产生不同程度的位移，同时存在摩擦阻力。 路面板内应力。的分布，对于鹾个不同的区段，可分别计算。在固定区b c 以内，面 板无位移发生，形似完全固端约束，其温度应力为： o = ne t 。 ( 2 2 ) 东南大学硕士学位论文 式中：t 。温差，通常可取施工温度与最高( 或最低) 温度之差。 在滑动区a b 、c d 以内，板体应力为： o = pf x ( 2 3 ) 式中：x 计算位置至端部的距离。 若将l ，代入上式，即可得到滑动区内最大的应力( b 点、c 点) ob = oc 2p f l 】 由于b 点c 点的应力与固定区应力是相等的，由上可得滑动区的长度l 。 l ，= 当( 2 4 ) 由该式可以看出，滑动区的范围l 1 与路面板的长度无关，并不同人们认为的板越长， 滑动的范围越大，滑动区范围的影响因素，除了混凝土本身的物理特性( a ，e ，p ) 之外，主要决定于t n 和f 。 对于端都a 、d 点的位移也可以进行估算，将完全处于自由无约束状态的路面板，因 温度产生的位移，减去约束力所抵消的那部分位移，即可得8 。 f 氏。= 二( 甜：) 2 ( 2 5 ) 上p j 由该式可知，路面板两端的最大位移量除了决定于混凝材料的物理特性之外，仍主 要决定于温差t n 和摩擦系数f 。取l = 1 0 ，f = 1 5 ，e = 3 0 0 0 0 m p a ，p = 2 4 0 0 k g r e 3 ，d = 1 l o “，可得6 。i - 4 2 m m 。 2 1 2 、沥青加铺层温度应力分析 1 、 基本假定 1 )加铺层与旧路面层间相对水平位移d u 与剪应力t 的关系符合g o o d m a n 假设。 t f = k a u( 2 6 ) k 为界面模量，单位为m p a 衄，界面模量是界面产生单位滑移时的剪切力，沥青 加铺层与水泥混凝土路面的界面剪切力由粘层油的粘结力和界面摩阻力组成。在室 内测定界面模量可取剪应力位移曲线上的割线模爨值。 2 ) 沥青面层与水泥混凝土板为线弹性体，其结构参数模量和厚度分别记为 e 。，h 。和e 。，h 。沥青面层的非弹性特性通过对e 。的修正予以考虑。 3 ) 路面温度沿深度线性分布。 4 )不计地基摩阻力。 2 、 计算简图 6 第二章沥青加铺层应力分析 3 、 边界条件 4 、 力学分析 截取d x 宽度作外力平衡分析 2 - 2 温度应力计算简图 a c 层 t 虻 ( 2 7 ) 自c 层微分单元计算图混凝土板微分单元圈 对a c 层有： z f x = 0 ( 仃。+ d c r 。) h o 一吒h 。一l 。d x = 0 兰生一堡：0 出 对混凝土板有： e f x = 0 ( 吒+ 打。) j t 一哝，t + f 。d z = 0 警+ f 1 = o 7 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 0 o i i i j 虬叱 q q l i = 口 c 甜 盯 也 | j 一一 工 j j，lj、1【 东南大学硕士学位论文 ：o a = 瓦占= 乜( _ d u 一a o a t ) a x 。誓= e 鲁 ( 2 1 0 ) 盯。= 疋嚣= e ( 华一a 。a t ) a x 则警咄争 ( 2 1 1 ) 分别将2 1 0 、2 1 1 式代入2 8 、2 9 式可得： 瓦擎专= o ( 2 1 n ) 酗鲁+ 去( u = 。 ( 2 1 3 ) 由2 6 式假设可知，当么u 在较小的范围内，应力与位移近似成线性关系，即满足下 式k = 七( 一虬) 因此2 1 2 式可变为： 亟一丛塾：丝2 ：o d x 2 e o h 。 令去码 则上式可变为： 警叫。”刚。= 0 ( 2 1 4 ) 鲁+ 去c u a - - u c 令三一= ，上式化简得： 乜，押 警抛z ( u o - - u , ) = o ( 2 1 5 ) 由2 1 4 式得吼氇驴 瓯婆：口，可d 2 u 。一百d 4 u ( 21 6 ) 吒钏：万一万 “ 将2 1 4 式x a 2 得： 吃警一q 0 1 2 d a + a i _ o 口2 粤一尝一o 1 0 f 2 3 c + a ! 万d 2 u c o 1 0 f 2 3 c+ q 吼：o 万一方一万- 吼。0 8 第二章沥青加铺层应力分析 二二二 化筒得- 出d 4 。u 。+ ( c z t + a 2 ) 警：。 即为；参唯心) 熹 ( 2 1 7 ) 其特征方程为： r4 ( 口l + 口2 ) r 2 ：0 r 2 ( ，2 一口l 一) = 0 _ = 吃= 0 吩= 丽 = ；鬲 故方程的通解为： 虬2q + c 2 x + c 3 已乒两+ c d 8 一丽 警= ( 喁+ 吼) 惮丽h 心+ 咄叫而” 鲍= 一婆 = 一1 軎 虬2 c 1 + c 2 x + c 3 e ( 扣”“k 唧卜厩h 一( 学c 3 e ( 嗣匕q ( m 叫嗣z 令。铜“= 爿则有： 。= q + c 2 x + c j 4 。+ c 4 ( 彳) 一。 ” 吖码蝎似厂吲( 州5 吲 删一邓妒号x c 3x,4-aj3 何= 口，d 、。 1z 一4 “ 吒2e 2 也e t i d u c 哎，) = e , ( c 2 + q = 再i p ( i 再) x - - c 4 厢p 一( 再画k 以丁 n ，r _ r 一 = 也( 乞+ 岛q + a 2 a 。一c 4 q + 吒彳卜砷一a o a t ) 代入边界条件2 7 式： u 。 。= 0 u 。| 。- o 。j f ，= o d 。 f ，= o 即可得： q 十c 3 + q = 0 c l + 岛+ c 4 一岛( 鱼塑) - c 4 ( 鱼! 鱼) = 0 也 吐 q 十吃l + c s p 再吲+ c 4 e 一丽一( 譬刍c 3 9 厕一岛( 型兰) 8 一丽：o 嘏， q + 岛厢嗣一0 1 , g v g = e 一嗣一，：0 解得： ( 2 1 8 ) 9 东南大学硕士学位论文 c 2 = 口。，+ ( 厢一隔7 + 厢厢) c 4 c 32 a t i i ( i x 乒而7 + ，五鬲( 去) + i a l4 l 詈弓) 7 q 2 鸭础再而再i ( 去) 7 + i a l 八鲁( 去) 7 令： 曰2 i l i a 。+ ，币i ( 予7 + 兰as _ 鲁( 争】 = 【，压i 7 + ，再i ( + 曼一旦( 】 u 26 1 2 故： c 4 = 一口。a t l b c 3 = 口。a t i b c 2 = a , a t + ( 五而。+ 五而r ) ( 二! ；里) = 口。a t 1 一f ( d 1 + a 2 x 4 一+ a 。) b 】 对于沥青加铺层而言，当x = l 时，即在混凝土板接缝处其应力最大，因此只需计算该 处的温度应力值。x = l 有： a a ：e ( 华一口。，) t a r = k ( u o 一虬) o a ：e o c 2 一型盟+ 型盟4 一一吼a 明 8 22 口一i j = 瓦【c 2 一! d 盟c 3 4 7 + ! 坚些盟c 4 a 一丁】 ( 2 1 9 ) 口20 2 f 韶= 一j 二【( 口l + 2 ) c 3 a + c 4 ( a 1 + 盘2 ) 爿一7 】 ( 2 2 0 ) a 2 5 、计算分析 利用上述理论计算公式，在e x e c l 电子表格中进行简单的计算，分析沥青加铺层内 的温度应力变化。 取计算参数为： 沥青模量 e a ：1 5 0 0 m p a 水泥混凝土扳模量 e c = 3 0 0 0 0 m p a 沥青层线膨胀系数n 。= 2 1 0 “ 水泥混凝士板的线膨胀系数a 。= 1 1 0 。5 c 水泥混凝土板尺寸l = 2 1 = 5 0 0 c m b = 4 5 0 c m 混凝土板厚度h c = 2 2 c m 沥青层厚度 h a 降温数值 t ：i o 第二章沥青加铺层应力分析 厚度 k = o 0 1k = 1 k = 1 0k = 1 0 0 h a ( c f l l ) 拉应力剪应力拉应力剪应力拉应力 剪应力 拉应力 剪应力 40 3 0 5 20 0 0 0 2 5 0 6 2 8 l0 0 2 4 51 5 6 9 50 2 3 0 83 9 4 0 31 9 4 8 4 60 3 0 3 50 0 0 0 2 50 5 4 3 l0 0 2 4 4 41 2 9 4 70 2 2 7 43 1 1 2 31 8 6 0 9 80 3 0 2 60 0 0 0 2 50 4 9 4 10 0 2 4 4 11 - 1 3 2 20 ，2 2 4 82 6 2 9 11 7 9 4 2 】o0 3 0 2 l0 0 0 0 2 50 4 6 1 9 0 0 2 4 3 91 0 2 2 10 2 2 2 62 3 0 5 51 7 4 0 3 1 20 3 0 1 70 0 0 0 2 50 4 3 9 10 0 2 4 3 70 9 4 1 40 2 2 0 82 0 7 0 81 6 9 5 l 1 4 0 3 0 1 5 0 0 0 0 2 50 4 2 1 90 0 2 4 3 50 8 7 9 10 2 1 9 31 8 9 1 31 6 5 6 1 1 6o 3 0 1 30 0 0 0 2 50 4 0 8 60 0 2 4 3 40 8 2 9 3o 2 1 7 91 7 4 8 71 6 2 2 ( i ) 加铺层厚度对温度应力和剪应力的影响 由上述计算结果绘图2 3 、2 4 可知( 界面模量k ：l 时) ，沥青加铺层的厚度直接影 响加铺层的温度应力和层间剪应力的变化。 由图中可以看出，加铺层的厚度变化对加铺层内的温度应力影响较大，随着加铺 层厚度的增加，温度应力o 。值减小，而层间剪应力随厚度的增加也有减小但幅度不大。 加铺层厚度从4 c m 增加到l o c m 时，温度应力下降2 6 5 ，层间剪应力下降0 4 5 ：从 1 0 c m 到1 6 c m 时温度应力仅下降1 1 5 ，层间剪应力下降0 2 1 。因此考虑经济效益， 加铺层厚度可控制在l o c m 左右，不过1 5 c m 。 图2 - 3加铺层温度应力一厚度关系图 图2 4 层间剪应力一厚度关系图 东南大学硕士学位论文 ( 2 ) 层间界面模量对加铺层不同厚度时层内温度应力、剪应力的影响。 图2 - 5 、2 - 6 、2 - 7 、2 8 显示了在不同的界面模量( k = 0 0 】，1 ，1 0 ，1 0 0 ) 下，加铺层 温度应力、剪应力随加铺厚度的变化情况。由图中可以看出，当界面模量较小时，加铺 层内的温度应力是产生裂缝的主要原因，因为此时层间接触情况近似光滑，层间剪应力 很小仅为温度应力的千分之一不到；随着界面模量的增加，接触条件变为连续时，混凝 土扳的位移大量传递到沥青层，层间剪应力的作用逐渐显现，特别是当加铺层厚度较大 时( k 2 1 0 0 ，h a ：1 6 c m ) ，剪应力的数值和温度应力基本相当，因此当层间接触条件较好时， 层间剪应力对裂缝的产生也是一个重要因素。 图2 - 5 加铺层厚度变化对应力的影响图 圈2 - 6 加铺层厚度变化对应力的影响图 图2 7 自日铺层厚度变化对应力的影响图 第二章沥青加铺层应力分析 图2 - 8 加铺层厚度变化对应力的影响图 2 2 沥青加铺层荷载应力分析 对于旧水泥混凝土路面上直接加铺沥青层路面结构，板接缝处是整个路面的薄弱环 节。在荷载作用下，接缝上面的a c 层会产生应力集中，反射裂缝容易由此产生。 一、计算模型假设 旧混凝土板上加铺a c 层路面结构，箕接缝处的计算模型既区别子弹性层状体系，也 不同于弹性地基上的板，采用有限元法计算时作如下假定。 l 、 水泥混凝土板与地基问光滑接触。 2 、 水泥混凝土板与沥青层问完全连续。 3 、 接缝考虑一定宽度，无传荷。 4 、 地基为弹性半空间地基。 5 、 各层材料具有线弹性。 二、临界荷位分析 普通混凝土板的临界荷位是轴载作用在纵缝边缘中部，这时板底产生最大应力。对于 混凝土板加罩沥青层，为控制反射裂缝的出现，应以沥青层内应力和板块位移差的不利 状态进行分析。具体加载位置考虑如下： 1 、 荷载作用在横缝中部 2 、 荷载作用在纵缝中部 3 、 荷载作用在板角 通过计算以及考虑荷载的作用机率，在实际应用 中将临界荷位确定于横缝中部。 三、应力与位移分析 取扳的平面尺寸为4 5 5 m ，沥青混凝土罩面 层模量e a = 1 5 0 0 m p a ，水泥混凝土板模量e c = 3 0 0 0 0 m p a ，沥青层厚设为k = 4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ， 1 6 c m ；水泥混凝土板厚度h o = 1 8 ，2 0 ，2 2 ，2 4 ，2 6 ， 2 8 c m ，土基模量e a = 1 0 0 ，1 2 5 ，1 5 0 ，2 0 0 ，3 0 0 m p a 。 计算结果分析如下： 口口 口口 2 9 荷载作用位置图 东南大学硕士学位论文 l 、 剪应力与加铺层厚的关系 如图2 一l o 所示，在混凝土板厚、土基模量不变的情况下，加铺层越厚，剪应力越小， 而且减小幅度由大变小，层厚超过1 5 c m 后，剪应力下降趋缓，增加加铺层厚度已不经 济，因此加铺层厚度一般不超过1 5 c m 。 2 、 剪应力与混凝土板厚关系 如图2 - 1i 所示，土基模量、沥青加铺层厚度( 1 0 c m ) 不变时，剪应力也随着混凝土 板厚的增加而减小，但减小幅度较小，基本呈线性变化，混凝土板厚对剪应力影响不大。 第二章沥青加铺层应力分析 3 、土基模量与剪应力关系 如图2 1 2 所示，当沥青加铺层厚度和混凝土板厚不变时，土基模量的变化也遵循同 一规律，即随着土基模量的增大，接缝处的剪应力逐步变小。在土基模量由5 0 m p a 增大 至3 0 0 m p a 时，剪应力下降很快，下降了7 4 ；随后下降趋势变缓。 东南大学硕士学位论文 第三章防止反射裂缝的措施分析 反射裂缝是旧混凝土路面加铺沥青层设计中最难处理的问题，是个关键的技术设 计。根据公路的研究成果和实践经验，已有的防反措施是在沥青加铺层和混凝土板之间 设置防裂夹层( 国外称为s a m i 结构，即应力吸收扩散夹层) 。一般可以用士工布、土工 格栅、改性沥青防水毡、改性沥青砂、改性沥青混凝土等。但公路的实践表明，如果防 裂夹层设置不好，反而可能加速裂缝的产生。因此研究防反措施可以避免设计的盲目性， 实事求是有针对性的解决问题。 混凝土板底压浆处理虽属于原有板块的补强处理，但这一措旎对防止或延缓反射 裂缝的产生也起到十分重要的作用。通过板底压浆，对混凝土板块进行整体强度补强是 防止反射裂缝各项措施的基础。 3 1 设置防裂夹层的作用 防裂夹层的主要形式很多，虽然夹层厚度不大但变化不小，可以是2 m m 的土工布， 也可蛆是2 - 3 c m 的沥青砂甚至是更大的沥青碎石。根据材料在路面结构中起的作用可以 将其分为两类：一类是改性沥青砂、沥青混凝士和沥青碎石等材料，具有一定厚度，在 路面结构中能保持自身的性质，可以作为各向同性的线弹性材料考虑，计算中是独立的 一层结构；另一类是土工布、土工格栅( 包括现在有的玻璃纤维格栅) 等厚度较小的材 料，不能作为独立的一层在结构中发挥作用，而是通过粘结、嵌挤等形式与沥青混凝土 结合在一起共同作用。这类夹层在力学上垂直方向的剐度小，一般不考虑在接促面内受 垂直荷载、剪力和弯矩，只考虑承受水平方向拉应力，在路面结构中只改变沥青层底部 水平方向的力学性能。两类防裂夹层的路面结构如下图。 a ce lu 1 夹层( eu h 2 p c ce 2u 2 地基 e 3u 3 图3 - l第一类防裂夹层路面结构示意图 1 6 第三章防止反射裂缝的措施分析 ! 姗 h la c e 1u 1 地基 e 3 u 3 图3 - 2第二类防裂夹层路面结构示意圈 对于第一类防裂夹层可以使用三维等参元进行计算分析，这里不作详述。本文主要针 对第二类防裂夹层进行简要分析，因为该类夹层施工简单，工期短，很适合在城市道路 改造中应用，前景广阔。 3 2 第二类防裂夹层结构的应力分析 由上述可知，第二类防裂夹层不能作为独立的结构在路面结构中发挥作用，它通过 与沥青混凝土的有效结台产生作爝，受力时不发生竖向变形，不受剪力、弯矩，仅在水 平方向受拉应力。因此实际上可以看成“改性沥青混凝土”，改变了沥青加铺层层底的 抗拉性能。也即设置该防裂层主要是为了控制因温度变形引起混凝土板块热胀冷缩而产 生的水平向的拉应力。 在第二章的温度应力分析中有一个参数k ，称为界面模量。事实上第二类防裂夹层 的设置樱当于改变了沥青加铺层和混凝土板块之间的界面模量，因此一个比较直观的分 析防裂夹层作用的方法就是通过试验测定有无防裂夹层时的层间界面模量，进而计算出 其对加铺层内应力的影响。本文采用玻纤格栅作为防裂夹层在位移u 1 c m 内测得有夹 层的界面模量k = o 9 3 m p a m m ，没有时k = 1 4 9m p a 衄。因此可得加铺层温度应力与剪应 力随层厚的变化曲线，如下图。 东南大学硕士学位论文 由图可知，没有玻纤格栅的沥青加铺层温度应力始终大于设置玻纤格栅的加铺层， 同样在层间剪应力上也是这样。这是因为玻纤格栅的水平抗拉作用分散了接缝处的应力 集中，阻挡、消化了旧混凝土板块变形对加铺层的影响，有效的改善了沥青加铺层底面 的应力状态，起到了抑制和延缓反射裂缝的产生和发展。所以在城市道路沥青加铺层设 计中采用该类防裂夹层是比较有效的技术措施。 3 3 混凝土板底压浆处理 旧混凝土路面在复杂的客观环境和反复的行车荷载作用下，板块和基础之间容易出 现脱空现象，混凝土路面的错台、唧泥都表明板底存在脱空。脱空对于路面结构来说有 很多危害，最主要体现在路面整体强度的降低和板缝弯沉差的增大。这对于沥青加铺层 的受力是很不利的，因此必须进行处理。 混凝土板底压浆处理主要作用如下： l 、改善层间接触情况，增大接触面，提高摩擦力，减小混凝土热胀冷缩产生的变形。 通过压浆，原有板块下的空隙被填满，板块与基层的接触面增大，提高了摩擦系数f ， f 由第二章公式氏。= = 兰：c a r ) 2 可知，板块的接缝处位移减小，有效的降低了沥青加铺 j 己礴 层底的拉应力。 2 、提高旧混凝土路面整体强度，避免板块在重复荷载作用下的断裂。板底压浆的最 直观的体现就是| 晶混凝土路丽的弯沉改善了。浆体材料经过复杂的物理化学反应后与上 下层的道路结构材料凝结在一起，提高了路基的强度，改善了混凝土路面的受力状态， 将脱空板块从受弯拉应力变为只受压应力，有效的传递荷载作用，延长了混凝土板块寿 命。 3 、减小接缝弯沉差，提高板块之间的传荷效率。压浆后接缝附近都会充满密实的强 度高的凝结材料，增强了扳块间的受力联系，明显使接缝处弯沉差降低。弯沉差的降低 意味着荷载作用下的按缝处剪应力的减小，对沥青加铺层十分有利。从理论上讲当板缝 弯沉差为零时，荷载作用下的接缝处就不存在剪应力了。 4 、板块的空隙被填满后减小了水的侵害，保护了路基，避免沥青面层的过早损害。 由此可见，板底压浆处理虽然属于原混凝土路面补强，但对沥青加铺层寿命有直接 1 8 第三章防止反射裂缝的措施分析 影响，应作为沥青加铺层设计的重要内容。 1 9 东南大学硕士学位论文 第四章沥青加铺层设计方法研究 4 1 城市道路中技术应用特点和原则 因为本课题是考虑在城市道路中应用沥青加铺层方法改造旧混凝土道路，因此必须 考虑城市道路的特点后再进行设计研究。与公路中采用沥青加镶层处理旧混凝路面技 术相比，城市道路采用这一技术有如下特点： 1 、交通荷载不同。公路与城市道路在设计规范中标准轴载都是b z z i o o k n ，但在实际 使用过程中有较大区别，公路交通荷载货车运输多，车辆轴载大，次数多，特别是超载 现象严重，超载2 0 0 到3 0 0 是普遍情况；而城市道路以小型车辆为主，轴载轻，货 车少，超载更少加上城市道路管理严格，绝大部分轴载都是中小型客车。这也是为什 么高等级公路施工质量比城市道路要求高但损坏却比城市道路厉害的原因。 2 、建设环境、周期不同。城市道路建设往往牵涉到方方面面，关注的人多，关注的领 导多，工程变化的内容多；同时建设难度大，因为城市道路的施工受的干扰太多，沿线 城市居民、企业单位的出行，各种公用管线的施工等等都影响着道路的施工；另外工期 紧张是比较突出的问题。城市道路建设往往都是“政治任务”，牵涉到百姓利益，政府 形象，雨工程往往因拆迁、管线迁移等问题延误开工，因此城市道路建设的一个特点就 是有竣工日期无开工日期，两头压缩后留给施工的时间很少，典型的工程一般就5 - 6 个 月。公路情况要好些，野外作业干扰小，工期相对也较长。 3 、工程建设对环境的影响不同。城市道路建设因与居民日常生活息息相关，备受关注， 工程建设过程中废土废料等的弃置、施工机械的噪音都对周围的环境造成影响。往往为 民造福却变成“滋扰民生”。公路大都野外作业，对环境影响不大，扰民也少。 4 、技术水平不同。大部分的城市道路现在的施工水平相对较低。一方面是旆工机械不 足，设备陈旧落后，更新慢；另一方面技术人员因缺乏课题研究，技术创新能力较差。 而公路则不同，特别是高等级公路技术研究课题多，时间和经费充裕，新工艺、新材料、 新技术不断得以应用。这一点可以从技术规范的更新速度中看出：市政工程的检验评定 标准还是十几年前的而公路上技术规范已更新好多次了。当然这也是由工程的规模和特 点决定的。 考虑这些特点对沥青加铺层的设计具有重要的指导意义，在具体设计时可以参考以 下原则： 1 、设计方案安全可靠。 2 、技术参数简单易行。 3 、旌工方法成熟稳妥。 4 2 旧混凝土路面沥青加铺层的设计 4 2 1 原有路面的评价 为了合理的确定旧混凝土路面的沥青加铺层设计，原有路面的情况调查和评价十分 重要，为确定补强处理措施、范围、深度以及进行罩面设计提供依据。 ( 1 ) 路面结构状况调查 1 1 旧混凝土弯拉强度和弯拉弹性模量 旧混凝土弯拉强度可采用钻孔取芯试件进行劈裂试验，按下式确定： 厶= o 6 2 1 厶+ 2 6 4 ( 4 1 ) 式中厂栅1 日混凝土的弯拉强度( m p a ) ： 第四章沥青加铺层设计方法研究 厶旧混凝土的劈裂强度( m p a ) 。 旧混凝土弯拉弹性模量按下式计算： 1 1 0 4 e e2 丽懑0 9 6 3 4 2 | e 。 式中e 旧混凝土的弯拉弹性模量( m p a ) ； 厶旧混凝土的弯拉强度( m p a ) 。 1 2 旧混凝土路面面板厚度 旧混凝土路面面板厚度h 。应根据板边、钻孔取样得到的圆柱形试件量取的高 度，可按下式计算： 吃= 见一s ( 4 3 ) 式中吃旧混凝土路面面板厚度的平均值( 锄) ： s 旧混凝土路面面板厚度量测值的标准差( e r a ) 。 1 3 旧混凝土路面强度 旧混凝士路面强度可以采用轮隙回弹弯沉值来表征，因为弯沉试验简便快捷直观， 同时可以检测相邻板块( 横缝) 之间的弯沉差。检测结果将作为沥青加铺层设计的重要 依据。 1 4 旧混凝土路面基层顶面模量 混凝土扳块下基础模量有两个参数：& 和e 。e t 是基础顶面当量回弹模量，可由承 载板试验直接测定；e 。是基础顶面计算弹性模量，是在应力计算中使用的表征基础刚度 的弹性参数。两者关系： 瓦= 丹- e s ( 4 4 ) 其中：n 是模量修正系数，在荷载应力计算时， 器= 1 7 1 8 x 1 0 。3 ( he e ) 0 3(45o 在实际应用时，因为不便开挖在基层顶面直接进行承载板试验获得b ，所以多使用 下式进行反算： 厂f、5 写= 1 雨皇知l ( 4 6 0 0 1 7 1 8 h olo 8 辟8j 其中e t 。可以参照公路水泥混凝土路面设计规范中规定采用试算法确定。但根 据相关研究表明该式在应用中范围有限，计算结果往往超出常规，必须进行修正。有关 研究提供了如下的回归公式： e , = 0 4 5 h c - - 志 ， ( 2 ) 路面损坏情况调查 水泥混凝土路面损坏可分为裂缝类、接缝类、变形类、松散类和其它等类型。裂缝 主要指级、横、斜向裂缝；变形主要指唧泥、错台、拱起；接缝主要指纵缝和横缝的损 坏；松散指坑洞和层状剥落；其它包括修补后的再损坏。损坏的分类分级表如下： 水泥混凝土路面损坏分类分级表表4 1 损坏类型l 损坏特征分级标准l 奠 单l 损坏类型l 损坏特征分级标准 l。誊平l 东南大学硕士学位论文 轻缝隙宽小于3 m 的细缝 边缘有中等或严重破碎， 纵向、横 面板断裂成两 由 缝宽小于2 5 w ，两边高差 米或块 向及斜向裂 块小于1 3 哪的裂缝 缝 重 缝宽大于2 5 n , m 或缝两边 高差大于1 3 m m 的裂缝 破碎板或 面板断裂成3 轻 面板裂成3 块或4 块 面板裂成5 块以上或被 米或块 交叉裂缝 块以上 重 中等裂缝分为3 块以上 缝隙宽小于3 m m 的细裂 裂缝垂直遥 轻 缝 底，从角隅到断边缘有中等或严重破碎， 板角断裂裂两端的距离等 由 缝宽小于2 5 龇，两边高差米或块 于或小于板边长小于1 3 m m 的裂缝 的一半 缝宽大于2 5 咖或缝两边 重 高差大于1 3 咖的裂缝 接缝或裂缝两轻错台量6 1 2 矾 错台 处 边出现高差重 错台量大干1 2 m m 荷载通过时板 发生弯沉，接缝 唧泥或裂缝附近有污 不分等级 条 染或沉积着基层 材料 轻剥落发生在边角8 c m 内 邻近接缝6 0 c 舶剥落范围大于8 c m ，碎块 内或板角1 5 c m中 松动，但不影响行车安全 边角剥落 处 内混凝土开裂或或不易损伤轮胎 成碎块剥落 影响行车安全或易损伤 重 轮胎 约1 3 缝长出现损坏，水 接缝材料 填缝剂剥落、 轻 和杂物易渗入或进入 挤出、老化和缝 大于1 3 缝长出现损坏， 条 破损 内无填缝料重水和杂物自由进入，需立 即更换填缝料 砸板出现巾 坑洞 2 5 1 0 c m 深 不分等级 块 1 2 - 5 c m 的坑洞 轻仅四周有轻微剥落 面板损坏修补 由 四周中度剥落且修补中 修补损坏 部出现裂缝 块 后再次损坏 四周严重剥落、修补损 重 坏、需重新修补 第四章沥青加铺层设计方法研究 横缝两侧板体 拱起不分等级处 发生明显抬高 表面裂纹 路面表层有网 轻 面积2 0 板块面积 状浅而细的裂纹 块 与层状剥落重面积 2 0 板块面积 或层状剥落 ( 3 ) 路面现状的评价 路面现状的评价可以用路面状况指数( p c i ) 来进行。数值范围0 1 0 0 ，数值越 大，路面状况越好，其计算公式为： ”埘， p c ：1 0 0 一yy 北嘭， ( 4 8 ) 胃簧 ” 式中i ，j 分别为损坏类型和严重程度； n 损坏类型总数； m ；i 类型的严重程度等级； d p ；。i 类损坏j 种程度的扣分值，是损坏密度d 。，的函数， 暇= 岛d u b # ( 4 9 ) d ；。i 类损坏j 种程度的损坏数占路段内板块或裂缝总数的比例( ) ； 系数a i j b i j 严重程度轻中 重轻中重 损 纵、横、斜裂 3 0 26 2 79 3 5 o 5 50 5 2o 5 4 坏 交叉裂缝、破碎 8 4 41 0 3 o 4 90 4 2 类 板 型 板角断裂 4 9 27 2 59 4 5 o 7 60 6 4o 6 l 错台、拱起 6 0 7 9 2 40 6 10 5 3 接缝碎裂 2 3 0 3 0 o5 0 80 8 10 6 lo 7 l f2 5 x 岛 吩 0 2 ：1 0 5 + 0 6 8 5 7 ( r m o 2 )o 2 r o 5 5 ( 4 3 1 0 7 4 + 0 2 8 x ( r ，一o 5 5 。0 5 5 毛， 0 810)0 7 40 2 8 5 5 ) 5 5 8 ”9 i( 玛一o 10 8 1 + 0 9 5 x ( 岛一0 8 )嘞0 8 式中 r 各单项扣分值占总扣分值的比值，即： r 。些( 4 1 1 ) 玛= 百产 l 4 1 1 ) 评价指标： f 优8 5 路面状况指数( 尸a ) = 睾i ：凳 ( a 他) l 差 5 0 东南大学硕士学位论文 该指标是公路养护技术规范中提供的，可以借鉴用于沥青加铺层设计。对于城市道 路而言，p c i 的值大于7 0 时进行加铺层设计是适宜的，随着混凝土路面状况的下降，大 量的修理补强工作会使罩面设计变得不经济，不如全部挖除后改为柔性路面设计。因此 在加铺层设计过程中一般可以利用p c i 指数作为方案决策的依据之一。 路面状况指数计算较复杂，一般可以编程计算。 4 2 2 原有混凝土路面的补强处理 a ) 对原有破碎板块进行凿除，清理基坑，检查路基情况，重新浇筑混凝土。破碎 板块清除后其相邻板上的拉杆、传力杆缺损的应按原构造要求补设。 b ) 原板缝的处理。已损坏的胀缝可在缝两端各切除4 0 c m 后重新浇筑混凝土，两端 切缝作为施工缝处理。其他接缝应将缝内杂物清除，采用改性沥青重新填缝。 c ) 板底压浆是原混凝土板块处理的关键。压浆可以采用水泥浆，也可以采用水泥 粉煤灰浆，后者收缩性小，具体可通过试验确定。压浆工艺应确保解决所有的 板