（工程力学专业论文）碎石过渡层在半刚性路面裂缝预防方面作用研究.pdf

碎石过渡层在半刚性路面裂缝预防方面作用 摘要 高速公路路面经历柔性路面和刚性路面，现在已向半刚性沥青路面快速发 展。目前甚至有些低级路面也采用半刚性材料做基层。由于半刚性材料易于就 地取材、工艺简单、强度和刚度好，造价又低，故这种刚柔结合的半刚性路面 结构已形成一种普遍使用的形式。目前我国在高等级公路建设中大量使用半刚 性沥青路面结构，但同时由于半刚性路面裂缝严重，容易导致路面反射裂缝破 坏。这是因为半刚性基层材料对温度和湿度反应敏感。在环境和重复交通荷载 作用下，基层容易产生干缩和低温缩裂裂，半刚性基层这些裂缝会扩展到面层， 形成反射裂缝。 横向裂缝是半剐性沥青路面面层破坏主要形式，这种破坏主要由基层和面 层温度收缩，干燥收缩和行车疲劳荷载作用产生的。本文特别针对温度和行车 荷载两种情况下，讨论路面结构内力分布情况。方法是采用a n s y s 对加设级配碎 石基层半刚路面结构进行多种参数模拟计算，通过改变结构材料厚度、模量等 观察基层和面层应力变化，研究碎石基层怎样调整结构应力而防止了温度和行 车荷载产生的过大拉应力，避免基层产生内部裂缝。本文还研究了级配碎石路 面各结构层的厚度、模量参数组合对于外界各类荷载承受能力，为路面结构方 面设计提供一些参考数据。 关键词：碎石过渡层；半刚性路面；反射裂缝；温度裂缝；疲劳破坏。 g r a v e h yi n t e r l a y e r s p r e v e n t i o n i ns e m i - r i g i d i t yp a v e m e n t sc r a c k i n g a b s t r a c t t h eh i g hg r a d ep a v e m e n th a se x p e r i c e dt h r e ec o r s ef r o mf l e x i b l ea n dr i g i d o n et os e m i r i g i d t yq u i c k l y ，e v e ns o m el o wg r a d ep a v e m e n tt a k e st h es e m i r i g i t y m a t e r i a la si t sb a s e t h a n k st ot h es e m i 。r i g i t y m a t e r i a l s e a s yo b t a i n i n g ，s i m p l e t e c h n i c s ，h i g hr i g i t y a n d i n t e n s i t y , b u t l o wp r i c ，t h e s e m i - r i g i d i t yp a v e m e n t h a s b e c o m eak i n do f m a i nf o r mi nc h i n e s e h i g hg r a d ep a t h w a y 。h o w e v e r ，t h ep a v e m e n t i se a s i l ys p o i l e db yr e f l e c t i v ec r a c k i n gf r o ms e m i r i g i d i t yb a s e 。b e c a u s es e m i r i g i d i t y b a s ei s s e n s i t i v i t y t ol o wt e m p e r a t u r ea n dl i t t l e h u m i d i t y ，s ot h r o u 曲a d v e r s e c i r c u m s t a n c ea n dr e d u p l i c a t ev e h i c l el o a d ，t h eb a s ec a nh a v ee a s i l yr u p t u r eb ym u c h d r y n e s sa n dl o wt e m p e r a t u r e t h e nt h e s ei n t e r i o rf r a c t u r e sw i l le x t e n dt o e x t e r i o r a s p h a l t t r a n s v e r s ef r a c t u r ei sal e a d i n gf o r mo f p a v e m e n t sb r e a k a g e i tm a yb em a d e b y s t r u c t u r e st e m p e r a t u r ec r a c k i n g ，d r y n e s sc r a c k i n ga n dt r a f f i cl o a d h e r ea i m i n g a t t e m p e r a t u r e a n dt r a f f i cl o a df a c t o r s ，h a v eas y s t e m i cs t u d ya b o u ts t r c t u r e ss t r e s s d i s t r i b u t i o n p l a ni st om a k eu s eo f a n s y s t oc a l c u l a t ep a v e m e n ts t r u c t u r e sd i s t o r t i o n w i t hf u l lg r a d eg r a v e l l yi n t e r l a y e rc a r e f u l l yt h r o u g hc h a n g i n ge a c hl a y e r st h i c k n e s s a n d m o d u l e n e x t ，a n a l y s i z es t r e s sa m o n g b o s o mo fs u r f a c ea s p h a l tl a y e ra n dt o po f s e m i r i g i t i d yb a s e l a s t l y , m a k e ac o n c l u s i o n ：h o wt od i s t r u b es t r e s sa n ds t r a i n a b o u tt h es t r u c t u r ea f t e ra d d i n g g r a v e l l yi n t e r l a y e r i no r d e r t oa v o i d i n gi n t e r i o r f r a c t u r e ，i ti sac r i c t i c a lt h a tb a s e ss t r e s si sb e l o w t h em a t e r i a l si n t e n s i t yl i m i t b a s i n g 0 1 2i t ，m a k ea p o s s i b l e c o m b i u a t i o n a b o u tm a t e r i a l st h i c k n e s sa n dm o d u l e t op r e d i c ti t sc o m p a c i t yt oo u t s i d el o a d i tc a nd os o m ew o r kf o r d e s i g no f p a v e m e n t s t r u c t u r e k e y w o r d s ：g r a v e l l yi n t e r l a y e r ；s e m i - r i g i d i t yp a v e m e n t ：r e f l e c t i v e c r a c k i n g ： t e m p e r a t u r ec r a c k i n g ；f a t i g u er u p t u r e 。 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。 据我所知，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，也不包含为获得合肥工业大学或其他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 并表示谢意。 学位论文作者签名：王i 庄稗签字日期：舢垆年朋7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒g b 工些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权合 蟹王些盔芏可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王睦赤 导师签名 签字日期：j 甜降s 月勺日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 乏慧 签字日期：o 。斗年，月7 日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，谨向我的导师王慧教授表示最真诚的感谢和敬意! 在近三年的研究生学习生活及论文撰写期间，王慧老师给予了我无微 不至的关怀和精心指导。对我论文的选题、修改直至定稿倾注了大量的心 血，提出了很多宝贵意见。不仅如此，王慧老师渊博的知识、孜孜不倦的 求学态度、热情谦逊的人品、平易近人的作风都给我留下了深刻的印象， 是我以后工作和生活中的楷模，使我终生受益! 感谫f 土木建筑学院的老师三年来给我大量学术指导! 感谢我的同窗好友在三年来对我生活学习上的照顾! 最后，深深感谢我的父母二十多年对我的培养。二十多年来，他们勤 劳朴实的高贵品质值得我终生敬仰；他们的牵挂和鼓励催我奋进! 作者：王继林 2 0 0 4 年3 月2 9 日 第一章前言 1 1 半刚性路面概述 用石灰、水泥稳定土或处治碎石以及各种含有水硬性的无机结合料工业废 渣修筑成的基层，在前期具有柔性路面的特性：当环境适宜时，其强度和刚度 会随着时间增长逐渐增大，但其最终抗弯拉强度和弹性模量还是远较刚性基层 为低。因此有人把这类基层称为半刚性基层，而把含有这类基层的路面结构称 为半刚性路面。 1 1 1 半刚性路面优点 半刚性路面经常用于重交通路面“。，其主要优点表现在：基层具有较高 的承载能力和分布荷载能力。一般来说，半刚性基层材料具有较高的抗压强度、 抗压弹性模量和抗弯拉强度，并且具有良好板体作用。因为他们都具有随龄期 不断增长的特性，所以半刚性沥青路面通常具有较小的弯沉。目前，国内外大 多数高速公路路面结构在使用期内不同时期代表弯沉均在2 0 ( 1 l o o m m ) 以内， 因此，半刚性沥青路面完全适宜于重交通道路要求。半刚性基层刚度大，使 得其上沥青面层最大弯拉应力值较小，从而提高了沥青面层抵抗行车疲劳破坏 的能力，甚至可认为半刚性基层上的沥青面层不会产生行车疲劳破坏。也就是 说，半刚性基层沥青路面的承载能力可由半刚性基层满足，沥青面层的厚度对 半刚性路面的承载能力无太大影响，这就鼓励人们去减薄面层。厚半刚性材 料可抵消土基强度的巨大差别，最大者是最小者的2 3 9 倍，铺筑5 0 c m - 6 0 c m 的半刚性材料层，除个别可能由于施工原因，路表的弯沉是接近的。 由于半刚性沥青路面强度、平整度及抗行车疲劳性能较好，实际上它已成 为高等级路面主要结构形式。现在我国绝大多二级以上公路沥青路面基层和底 基层都采用半刚性材料，而作为半刚性材料的石灰、粉煤灰稳定碎石( 二灰碎 石) 等以其强度高、水稳定性好、抗冲刷能力强、施工工艺简单等优点，得到 了广泛采用。随着二灰碎石普遍使用以及科研工作不断深入，半刚性路面结构 在工程实际中应用更趋普及。 1 1 2 半刚性路面缺点 然而，随着半刚性沥青路面大量使用，逐步发现半刚性沥青路面也存在着 一些严重的问题，主要表现在以下两方面。 一方面半刚性沥青路面裂缝严重”1 。国内外已建高速公路使用调查表明， 半刚性沥青路面裂缝问题日益突出，并己成为半刚性路面结构主要病害。不论 南方还是北方，通车后一年最迟第二年均出现大量裂缝。沈大高速公路沈鞍段 1 9 8 6 年竣工，1 9 8 7 年3 月在一段8 5 4 m 长路面上出现裂缝1 0 条。沪嘉高速公路 1 9 8 8 年底竣工，1 9 9 0 年2 月即发现裂缝，至1 9 9 4 年1 6 公里道路发现裂缝1 2 6 7 条。广佛高速公路1 9 8 9 年7 月竣工，1 9 9 0 年2 月全线1 5 公里共发现裂缝3 1 8 0 条。由此可见，不论是北方冰冻区还是南方非冰冻区，半刚性沥青路面裂缝严 重性都是一致。通过现场钻芯取样观察表明，裂缝中相当数量是半刚性基层先 开裂而导致沥青面层开裂，这一比例已超过5 0 ( 尤其是温度、湿度变化剧烈 区) 。裂缝的产生，在一定程度上导致了结构强度的消弱，经过对裂缝的调查研 究，我们发现可将裂缝分为以下几种形式：铺筑在未开裂的半刚性基层上厚 沥青面层的裂缝，主要是沥青的温缩裂缝。铺筑在未开裂半刚性基层上薄沥 青面层裂缝，既有沥青的温缩、干缩裂缝，也有半刚性基层的反射裂缝。在不 利情况下，反射裂缝可能占5 0 。铺筑在开裂半刚性基层上的沥青面层，反 射裂缝不可避免。而且沥青面层越薄，反射裂纹越多。本文假设施工时半刚基 层无裂缝，主要针对第二种可能裂缝进行防治。 另一方面半刚性沥青路面结构条件排水差。半刚性路面众多的裂缝为雨 水进入路面结构提供了通道，这些水部分可能顺着基层裂缝继续下渗继而软化 土基，而大部分水分由于缺少适当的通道而滞留于基层与面层问，在高速行车 下造成极大的动水压力而冲刷基层造成面层失去基层支撑以及基层与面层之间 丧失连接，从而导致沥青面层网裂破坏。 1 2 国内外研究现状 导致沥青路面裂缝主要有三种外部原因，即行车荷载型、温度型、干湿型。 表现为路面破坏形式有沥青面层低温缩裂干裂、半刚性基层反射裂缝，少数情 况有面层行车疲劳破坏。造成半刚性沥青路面裂缝因素是复杂的，众多试验表 明：半刚性基层材料在外界温度、湿度变化下产生温缩裂缝和干缩裂缝，具有 裂缝的基层在干、温收缩应力进一步作用下，裂缝顶端产生较大拉应力集中是 造成基层裂缝沿面层底部向上反射直至贯通的主要原因。各类半刚性基层在最 不利温度段( o 一1 0 。c ) ，平均温缩系数口变化于( 5 3 5 ) 1 0 一，如以抗温缩最 好二灰沙砾( 沙砾含量7 5 ) 而言，温差2 0 。c 时在温缩作用和干缩作用就足易 使基层材料开裂。 随着半刚性沥青路面使用过程中裂缝问题日益突出，国内外学术界、工程 界对此问题积极予以重视。从多年来的研究成果来看，沥青路面开裂方面研究 主要有三个方向：以断裂力学为基础，开发有关沥青混合料断裂力学参数测 试方法，建立重复荷载作用次数与应力强度因子之间的关系，进而提出沥青混 合料的疲劳破坏准则试验研究。这类研究大多以沥青混合料内存在初始裂缝为 先决条件。以沥青路面为研究对象，假设路面中存在某种初始裂缝，然后用 断裂力学理论与方法计算裂缝深度不同时，实际路面结构在荷载作用下应力强 度因子，进而根据p a r i s 疲劳破坏准则预估沥青路面疲劳寿命。以基层开裂 的沥青路面为研究对象，用实践或理论分析方法研究反射裂缝的扩展规律以及 止裂措施对于反射裂缝止裂作用，旨在提出沥青混凝土罩面设计方法或罩面疲 劳寿命预估方法。国内在最近几年修建高速公路时对这一问题作过一些试验工 作，铺筑了一些试验路。如“七五”国家攻关项目惠州试验路土工布夹层防裂 对比研究，河北正定试验路改性沥青应力吸收膜中间层及级配碎石基层防裂对 比研究，西安试验路级配碎石基层防裂对比研究，沪宁高速公路无锡试验路级 配碎石基层防裂对比研究，宁连一级公路淮阴试验路级配碎石基层及土工格栅 夹层防裂对比研究。人们已从这些试验路研究中认识到级配碎石基层在延缓和 减少半刚性路面反射裂缝方面有较好效果。但是，目前这些研究研究几乎全部 留在试验路观测上，并未将研究深入到理论力学范畴领域去。 1 - 3 本文主要研究内容 事实上国内近几年建成的高速公路半刚性沥青路面结构，沥青面层厚度大 多在1 2 1 5 c m 以上，如沪嘉高速公路沥青面层1 7 c m ，广佛高速公路1 5 a m ，沈大 高速公路1 5 c m ，京津塘高速公路2 0 2 5 c m ，但是就是这样厚的面层仍然不能很 有效的延缓和减少半刚性沥青路面裂缝。另外国内一些试验路还表明，在沥青 面层厚小于等于1 8 c m 时，半刚性沥青路面裂缝仍较为突出。 半刚性基层沥青路面一般基层先开裂，并由此形成反射裂缝导致沥青面层 逐渐开裂破坏，这已是人们的共识。在第十八届世界道路会议上，半刚性路面 的裂缝问题已成为专题进行报道。 为了防止半刚性基层开裂，国际上的经验是将沥青面层增加至1 5 2 5 c m ，而 不是按疲劳应力分析那样只需8 - l o c m 较薄面层。然而，若通过设置较厚沥青面 层来延缓和减少裂缝，这在经济上又不合理。 现在有些研究人员通过进行半刚性基层材料合理组成设计。如调整结合料 用量与比例，增加半刚性基层材料抗裂性能”“。这种理论认为：二灰碎石混合 料中石灰和粉煤灰具有较集料大的多的温缩和干缩系数，因而二灰碎石基层收 缩可以认为是由二灰收缩导致的。二灰碎石混合料集料有以下两种组织形式。 集料处于压实状态：此时集料颗粒间相互嵌挤，形成稳定框架，而分布于其 空隙间的二灰则以独立的形式存在，相互间互不接触。当二灰发生收缩时，仅 限于集料空隙间产生收缩应力，而其变形受集料框架限制，集料稳定框架承受 了二灰产生的收缩应力，框架结构不受影响。因而在这种情况下二灰碎石不会 因二灰收缩而发生收缩变形。集料隔离状态：此时，当二灰发生收缩变形时， 此时没有稳定框架来抵消二灰引起的内部应力，从而引起整个二灰混合料内部 位移，因此二灰受到较大应力应变。当拉应变超过二灰极限拉应变时，二灰开 始开裂。由此可见减少二灰碎石基层的收缩裂缝可通过减少各集料隔离层间二 灰体积措施来实现。但是这样做，仍不能从根本上消除半刚性材料的开裂。 阻止沥青路面开裂措施另一种方法是在半刚性基层和沥青路面层之间加铺 一应力吸收薄层( s a m i ) “”。，也就是本文采用的方法：加铺密级配碎石过渡 层等。特别是对旧水泥混凝土路面上加铺沥青罩面时，在一定环境条件下采用 下列措施可延缓反射裂缝及对应裂缝。1 5 c m 以上厚层优质沥青罩面层。蓬) 9 c m 厚密级配沥青混凝土底层混合料。用金属或玻璃丝网等加强沥青混凝土抵抗 差动位移，同时用优质沥青做沥青罩面层。随着现代交通对路面质量要求越来 越高，寻找一种能更有效的延缓裂缝的产生，同时在经济上考虑又比较合理的 方案显得越来越重要。国外在采用土工合成材料加筋沥青方面作了不少工作。 根据我国岩石资源丰富，所以因地制宜，过渡层材料采用的是优质碎石，发现 同样能很好减缓路面裂缝产生。 为了防止因为半刚性基层开裂而导致沥青表层开裂的反射裂缝，根据已建 高速公路试验路调查研究，采用设置级配碎石中间过渡层以消化吸收半刚性基 层过大应力，防治沥青面层的反射裂缝。 由于行车荷载是一个动力荷载，而沥青、碎石、半刚性基层材料又具有很 强的动态性，所以研究路面模型有必要从其动态方面着手进行计算。为准确取 用材料参数，本文第三章着重调研路面材料在动态和温度因素下的劲度、强度 等。拟用有限元三维动态方法分析研究路基路面各结构层在行车动荷载下内力 分布规律，重点对路面的面层与基层应力加以研究，探求其应力弯沉与碎石层、 面层以及半刚性层关系。 同时因为路面都是处于野外，完全赤裸在天然环境下，受温度、湿度影响 很大，所以必须注意模型在各种不利温度环境下缩裂强度。相对来讲由于路面 防水较方便，而防温却很难做到。本文抓住主要矛盾，忽略干湿对路面影响条 件下研究计算路面在温度荷载作用下性能。具体是用有限元平面模型根据路表 代表性温度特征，分析路面结构内部每个季度代表性温度场分布，同时根据当 地气候情况，对半刚性路面在这种动态温度场作用下应力进行分析模拟。整理 路面结构各代表点应力沿深度以及沿时间的变化规律，揭示碎石基层有效防止 路面反射裂缝产生力学机理。 基于以上两种行车与温度因素分析后，可以清晰了解碎石基层在路面结构 中扮演的应力调整重要角色。另外还对多种条件参数仿真模拟，可以为防治荷 载、温度生产的反射裂缝设计提供一些参考意见。本文遵循以上观点展开论文， 目的在于改进目前半刚性沥青路面设计与施工方面不足，使路面在结构和功能 上更趋于完善。 4 第二章通过试验路观察碎石过渡层半刚性路面裂缝情况 在路面结构设计与施工运营过程中，半刚性沥青路面出现了大量裂缝。从 调查可知，由于路面设计和施工原因，结构层本身强度不足，不适应日益增长的 交通量及轴载作用而产生的荷载型开裂，最初一般表现为纵向开裂，然后发展 成为网裂，这一类由衙载产生的裂缝在我国中低级公路及一些超载严重高等级 公路行车道中常见。对于我国大多数高等级公路来说，由于普遍采用半刚性基 层，有足够强度，这一类荷载并不是主要的。相反另一类裂缝即非荷载型裂缝 普遍存在却引起极大关注。非荷载型裂缝，即不是由行车荷载引起，而主要是 由于温度引起的裂缝。 高等级路面的半刚性基层开裂破坏是路面的一种主要破坏形式，由基层开 裂引起反射裂缝已成为半刚性路面主要病害之一。基层开裂后不仅本身强度降 低，性能不稳定，而且对整个路面的正常使用性能造成严重危害。基层开裂的 结果对刚性面层容易导致错台断板等破坏，对柔性面层则以产生反射裂缝，造 成路面结构破坏而缩短路面的设计使用寿命。为治理路面结构源于半刚性基层 的裂缝而起的反射裂缝，通过试验段采用设置密级配碎石过渡层发现效果较好。 以上分析主要是基于试验测量结果，为了更细致分析结构内部机理，这里有必 要从其工程应用、受力机理加以研究。 为处治这些由于半刚性基层开裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝，本文采 用设置级配碎石中间层办法来缓和半刚性基层应力1 ，防止半刚性基层过大 应力造成基层自下而上开裂引起沥青面层反射裂缝。首先，论文下面从全国近 年来几条高速公路在这方面试验方案着手展开调研工作。 2 。1 试验路目的与星标 首先对具有级配碎石过渡层路面结构防裂效果及抗疲劳性能进行综合观测 与分析，从试验路角度探求合理的碎石过渡层结构。这样，不仅能有效延缓和 减少半刚性基层反射裂缝，同时也具有较好的抗疲劳性能幢。 2 2 现场试验调查与分析 由于级配碎石更多的是用在柔性路面下基层，故对级配碎石要求不严，这些 标准范围较宽，并不一定适合作为优质级配碎石过渡层。设置优质碎石过渡层 效果如何，这种结构对环境因素，特别是对于连续降温和日温差影响下温缩裂 缝防止，以及重交通下保持无疲劳裂缝能力，这是我们最关心的问题。本文借助 近两年国内试验路结果的科学材料级配设计，准确取用各材料结构参数，为理 论计算提供精确数据。下面，本文对极具代表性的沪宁高速公路无锡试验路， 河北正定试验路进行了资料调查分析。 2 2 1 沪宁高速试验路观测与分析“ 沪宁高速路面结构试验路工程是为沪宁高速路面结构服务试验工程，试验 路除主要研究以沪宁高速公路路面结构为背景的半刚性沥青路面外，特别将具 有优质级配碎石过渡层的结构作为对比，以研究碎石过渡层延缓反射裂缝的效 果。试验路位于江苏无锡至江阴一级公路青阳段，里程桩号为k 1 9 + 2 0 0 - - k 2 1 + 6 0 0 ，全长1 9 0 0 m ，该线现有混合交通量1 3 0 0 0 辆日。试验路所在地区为艮江 下游南岸，该地区年平均气温 1 5 0 c ，年最高温4 0 7 0 c ，月平均最低气温 2 。c 且 日温差不大，但该地区地处江南，地下水丰富，故湿度变化较突出，试验路容许 弯沉5 1 ( 1 l o o m m ) 。试验路路面结构以不同半刚性基层( 二灰碎石和水泥碎石) 上不同厚度的沥青面层为主，同时插入两段优质级配碎石过渡层结构。通过试 验路裂缝综合观测可得到以下结论：两次裂缝出现的时问均为当年夏秋交替 季节，而不是冬季，由此可以认为左右南方非冰冻区沥青路面反射裂缝的因素 是因湿度变化而产生半刚性基层干缩而引发反射裂缝，因低温收缩产生的温缩 应力并不是主要矛盾。厚级配碎石段裂缝率为零，明显小于半刚性基层对比 段。这是因为设置级配碎石过渡层有利于减少面层底部应力集中现象，减少反 射开裂。另一方面，级配碎石过渡层大大改善了其下半刚性基层之水温状况， 使半刚性基层遭受湿度变化的幅度大为降低，因而在相当程度上消除了半刚性 基层的干缩裂缝。因此，设置级配碎石过渡层对延缓和减少因半刚性基层干缩 开裂而引起沥青面层反射裂缝是有效的。级配碎石过渡层结构弯沉比典型半 刚性结构平均值高8 7 1 0 7 ( i l o o m m ) ，但就绝对值而言远小于容许弯沉，约 相当于容许弯沉值得2 6 ，并且通车两年近千万次行车作用后，弯沉保持稳定 不变，因而从承载能力上看具有足够的储备。所以对于行车荷载，此结构不会 产生反射裂缝。厚度小于1 8 c m 沥青面层对消除反射裂缝无效。观测表明，沥 青面层厚度1 2 一1 8 的典型半刚性结构，裂缝率相近。 2 ，2 z 京石高速正定试验路观测与分析“ 正定试验路共1 5 种不同路面结构和材料类型，其中3 段为设优质级配碎石 过渡层结构，其余为典型半刚性路面结构，半刚性基层为水泥碎石、二灰碎石 和灰土碎石三种。正定试验路沥青面层厚度为6 - 1 5 c m ，除1 5 c m 面层按三层铺筑， 其余均为中粒式上面层，粗粒式下面层，另外1 6 一1 8 段设置了0 5 c m 应力消减 模中间层。 竣工后经过连续两个冬季降温作用，根据各段统计得到一些不同结论。 经过两年冬季降温作用，沥青面层出现了不同程度的裂缝，相同厚度沥青面层 的裂缝率大小与基层有关。一般是干、温缩系数大的石灰土基层段裂缝最多， 水泥碎石次之，而二灰碎石最小。这说明北方冰冻区由于半刚性基层温缩而导 致的反射裂缝仍是裂缝的主要形式。正定试验路连续两个冬季裂缝观测还表明 面层厚度小于等于l o c m 时，裂缝率几何没有区别，而当面层厚度大于等于 1 2 1 5 c m 时，裂缝率有所下降。设置级配碎石过渡层的三段路经过两个冬季考 验，裂缝率为零。表明厚度1 2 c m 的级配碎石对延缓和减少半刚性基层反射裂缝 有较好的效果。就国内普遍采用的半刚性沥青路面结构而言，由半刚性基层 干缩、温缩开裂导致的沥青面层反射裂缝仍很突出，有时甚至是主要的。通常 南方非冰冻地区由基层湿度变化引起的反射裂缝相对突出，而北方冰冻和季冻 区则以基层温缩引起的反射裂缝相对突出。 对于半刚性基层上沥青面层，其厚小于1 8 c m ，对减少面层裂缝没有显著效 果。因此若仅依靠增加面层厚度来减少裂缝，此厚度估计要大于1 8 - - 2 0 c m 才会 有较明显的效果。1 0 c m 、1 2 c m 、1 3 c m 、1 5 c m 、2 0 c m 几种厚度的级配碎石对于延 缓和减少6 - 1 2 c m 厚沥青面层裂缝具有较好效果。因此从延缓和减少面层裂缝这 一角度出发可认为厚1 0 2 0 c m 的级配碎石是可行的。而面层厚度则需同时从减 少反射裂缝和抗荷载疲劳特性两方面综合考虑，而不是传统意义上只为针对防 止疲劳行车荷载所需面层的6 - 1 2 c m 。 2 3 试验路调查分析结论 综合上述调查分析可以认为：优质级配碎石过渡层沥青路面结构不仅能在 功能上较为有效的起到延缓和减少反射裂缝的作用，同时能够适应重交通抗疲 劳、温缩干缩等要求，从而进一步改善高等级沥青路面的使用功能。目前设计 的二灰碎石抗裂组合基层结构，基本上有二灰碎石+ 石灰土：级配碎石+ 水泥 碎石：级配碎石+ 二灰碎石；水泥碎石+ 石灰土等。二灰碎石一般为：石灰： 粉煤灰：碎石- - - - 6 + 5 ：1 3 5 ：8 0 ，水泥碎石为6 剂量之水泥稳定碎石，级配碎 石为优质石灰岩密级配碎石。上柔下刚式“倒装结构”，由于下卧层刚性大，级 配碎石易获得高密实度，同时较高刚度的下卧层有利于其上碎石基层非线性特 性充分发挥，使得在完成合理结构厚度设计后，结构能够较好承受温度、湿度 缩裂作用和重交通疲劳作用。本文主要讨论路面在行车荷载和北方温度影响下 的使用情况。 第三第四第五三章将主要从力学角度分析路面结构在设置过渡层前后半刚 性基层在荷载型和非荷载型应力影响下，面层基层应力变化情况。非荷载型因 素主要考虑温度对于路面材料缩裂作用。汽车荷载采用动态荷载，由于路面承 受荷载表现为动态行为，材料也必然呈现明显非线性。所以第三章讨论材料动 态参数和热工参数，第四章讨论荷载作用下面层、基层应力变化轨迹，第五章 讨论非荷载因素( 温度) 作用下面层基层应力交化，为过渡层消除路面贯通裂 缝破坏提供理论依据。并探求这一结构参数优化，为工程设计提供一些参考意 见。 7 第三章路面材料动态和热工参数 动态加载过程中，材料变形以弹性变形为主，同时存在不可忽视的粘性及 塑性变形，这部分粘性和塑性变形随着荷载幅值及频率增大而变大。阻尼是表 征材料在动荷作用下所具有粘弹性重要参数，由于阻尼的存在，一方面使外载 振动能量在传播过程中衰减，另一方面，结构内的应力、位移响应相对于外载 有一定滞后。路面结构在一定频率振动外载的冲击下，内部颗粒由静止的初始 状态过渡到运动状态，在各自平衡位置发生相对位移，出现互相填充或偏移等 现象，形成不同的骨架结构。因此，动态过程中材料的物理性能会有不同程度 的改变。有资料表明：当频率低于破坏频率时，材料颗粒间隙减小，接触面积 增大，其密实度有所增加，故而材料极限承载力增大，强度提高。路面结构在 振动荷载作用下的性能与其在静载下的性能有明显的不同，而且要复杂的多。 原因主要是振动荷载作用时间效应及荷载以一定周期反复作用的影响不同于静 载。结构在动载下的强度、模量、泊松比等动态特性参数会随着外载的变化而 产生变化。本章主要研究这些材料在动态过程中材料弯拉模量、泊松比和强度 的变化，经过系统分析后选用这些材料的最佳参数。路面材料动态特性的研究 在国外起步较早，自1 9 6 2 年美国的s e e t 等人首次将动态模量的概念引入路面 结构设计和研究起，到目前为止路面材料动态模量的研究已有近4 0 年的时间。 路面材料动态模量测试方法分室内和室外两类。室内试验测定材料动态模量方 法有：重复加载、超声波、敲击振动法。室内试验方法造价昂贵，所以更多科 研人员把重点偏移到室外试验方法。室外动态模量方法主要有两大类：一是基 于弯沉的反算方法，一是基于应力波的反算方法。前者能够模拟路面实际荷载 作用形式和大小，且以反映路面结构整体强度的弯沉作为路面结构晌应参数， 易于接受和理解。因此目前它是国内外使用最广的方法，其代表的试验仪器是 落锤式弯沉仪，简称f w d 。后者以波动理论为基础进行反算，其主要特点事先不 知道路面结构层情况，而是通过反算确定不同结构层模量值。代表试验方法是 表面波速法，又称波传法。国外在一些材料试验标准中引入动态方法，比如沥 青混合料的动态抗压模量和和劈裂模量采用重复加载的方法测得。但是上述方 法多用于建筑构件材料，而应用于路面材料相对较少。随着人们对路面结构认 识更加深刻，动态方法正逐渐越来越多被考虑进路面设计中来。美国s h r p 计划 中l t p p 中有关路面材料都采用重复加载的动态测试方法“。由于重复加载法、 超声波法以及敲击振动法测定材料动态模量的方法，原理不同、方法各异，所 以提供的同类材料的动态模量结果也相差较大。深入分析上述不同方法测定路 面材料动态模量的物理力学原理，研究不同测试方法测定材料动态模量的特性， 是确定合理利用动态模量测试工程方法及应用条件的基础。 3 1 路面材料动态参数 路面设计参数是路面设计研究工作的主要内容。在以层状体系理论为基础 的沥青路面设计方法中，材料参数更是不可少的。所以有关国家在制定设计规 范时，都进行了大量试验研究。 3 1 1 沥青材料动态参数 在沥青路面设计方法中，所用材料设计参数的确定有静载法和动载法。在 采用动态性能参数的国家，对沥青混凝土都做了较为深入的研究。大量研究表 明沥青混凝土是粘弹性材料，其力学性能相当复杂，影响因素也多，包括荷载 情况、混合料级配、试件空隙率、试验温度、沥青粘度、沥青含量、填料。对 于具体的沥青混合料，其应力应变则同温度t 和荷载作用时间t 有关，一般 以劲度模量s 表示： s m ( t ，t ) = 旦( 3 1 ) 沥青混合料的动态劲度，可以采用动态加载试验和重复加载试验测得。美 国沥青协会采用的是动态加载试验一按维特查克( w i t z a k ) 利用4 1 种不同的沥 青混合料在三种正弦波加载频率( i h z ，4 h z ，1 6 h z ) 和三种温度( 4 5 0 c ，2 1 1 0 c ， 3 7 8 0 c ) 下的试验结果“，共3 6 9 个数据回归得到下列估算沥青混合料动态劲 度模量e ： l o g 2 5 5 5 3 8 3 3 + 0 0 2 8 8 2 9 ( 7 慧) 吨0 3 4 7 6 a + o 0 7 0 3 7 71 舻。+ 5 xi 06 一”- 4 9 8 2 “哪一可0 0 0 _ 18 9 碟t “3 + “4 9 8 2 5 1 0 8 n + 09 3 1 7 5 7 ( 五去) ( 3 ，2 ) 式中：ie + i 为沥青混合料的动态模量，p 。，即i b f ，1 i b f i n = 6 8 9 4 8 k p a ， p ：o o 为通过2 0 0 号筛( o 0 7 4 m m ) 的集料百分率，f 为加载频率，h z ， v a 为空隙率，面层取4 ，基层取5 ， t 为沥青混合料温度，o f ( i o f = 5 9 0 c ) 。 7 p 为7 0 0 f ( 2 1 。c ) 时的绝对粘度( p o i s e i 0 6 ，i p o i s e = 0 i p a s ) ，若无足 够的数据来确定口。时，可用下式估算： 口7 0 。= 2 9 5 0 8 2p e n ：。1 9 ，3 9 ( 3 3 ) p 。为沥青含量，以混合料质量的百分率计， p 。= o 4 8 3 v 一或p 。一o 4 3 4 v b ( 3 4 ) v 。为有效沥青体积， k 为沥青总体积，。 根据沥青协会提供的结果，动态模量平均值在4 0 0 0 m p a 左右。美国黄仰贤 教授在其“路面分析与设计”一书中指出，热拌沥青混合料( h m a ) 动态模量的 常用范围值如表3 - i 所示。 s h e l l 路面设计法中所用的沥青混合料的劲度模量是通过特定的沥青混合 料试件在不同温度和不同荷载条件下，由动载试验获准测定的。这些试验可以 是2 点、3 点或4 点弯曲试验或抗扭试验。 试验证明，沥青混合料的劲度模量取决于混合料中沥青的劲度以及混合料 中沥青、集料空隙各部分体积比。壳牌公司试验室通过大量不同组成的沥青混 合料试验得出，只要给出沥青混合料的集料与沥青的体积比、沥青的劲度，就 可以从诺谟图查出混合料的劲度模量，其数值范围是在高温或荷载作用时间长 的条件下：卜i o o m p a ，低温或荷载作用时间短的条件下1 0 0 - 5 0 0 0 m p a 。 英国采用圆柱形试件通过重复加载劈裂试验，在温度2 0 0 c 和加载频率5 h z 情况下，确定沥青混合料的劲度，在试验中得到的数值是：密级配沥青碎石( i 0 0 针入度) ：e = 3 1 0 0 咿a 。热碾沥青混凝土( i 0 0 针入度) ：el = 3 5 0 0 m p a 。法国在设 计中取沥青混凝土劲度e = 3 0 0 0 肥a ，沥青碎石( 3 0 0 c ，f = l o h z ) 的劲度为4 0 0 0 m p a 。 国内在这方面研究仅限于静载法，对于动态性能参的试验研究尚未见报导过。 在测试沥青混合料动态模量等动态性能之前，需要先知道其强度值。试验 时采用四种沥青混合料，以静压法成型，尺寸分别为l o o m m x l o o m m 和 l o o m m x 2 0 0 m m ，试验温度2 0 0 c ，加载速率5 m m m i n ，试验结果如表3 2 所列。 表3 - 2沥青混合料动态抗压强度试验结果( 肝a ) 1 0 0 m m x l o o m m 9 ，4 70 3 98 8 i3 e s s o 细粒式 dl o o m m x 2 0 0 m m 6 5 30 6 85 3 8 3 d l o o m m x i o o m m9 6 60 ，4 18 。9 73 韩国细粒式 l o o m m x 2 0 0 m m 5 9 20 8 14 5 53 西1 0 0 m m x l o o m m6 3 70 5 45 4 63 壳牌粗粒式 dl o o m m x 2 0 0 m m 4 5 94 5 9 2 由于沥青混合料在张拉状态下的强度比在压缩状态下的低，b a l a d i 建议对 马歇尔类型试件测试其劈裂抗拉强度。试验方法参照“公路工程沥青及沥青混 合料试验规程”( j t j 0 5 2 2 0 0 0 ) 7 0 7 1 5 9 3 “沥青混合料劈裂试验”。如表3 3 所 列。 而对于沥青混合料的疲劳应力起始标准应力，一般认为应该取劈裂强度的 0 2 - 0 6 范围。因此其疲劳应力应该为0 5 3 4 一1 9 5 6 m p a 。这一数据将作为行车 o 荷载路面疲劳破坏判断标准。 3 1 2 过渡层碎石材料动态参数 在我国现行公路沥青路面设计规范中提供了级配碎石基层模量一般为 1 5 0 一2 5 0 m p a “，这个模量值是相当低的。在本文所讨论的路面结构( 面层+ 级 配碎石过渡层+ 半刚性基层+ 土基) 中，因为沥青混凝士面层动态模量为 4 0 0 0 m p a ，而半刚性基层模量也可达到2 0 0 0 m p a 左右，那么碎石过渡层夹在这两 种材料之间，相当于一种软的夹层材料。人们较为担心碎石过渡层的模量太低， 不足以承受交通荷载对路面的作用而使路面的整体结构性太低。在我国早期的 道路工程中，碎石层一般仅用于低等级的道路基层，其主要原因就是碎石层的 模量值较低。例如，国外高等级道路级配碎石基层上沥青面层的厚度一般为2 2 - - 3 0 a m ，日本的第一条高速公路名神公路采用级配碎石和l o c m 厚沥青混凝土面 层，但该路使用不到十年，不少路段上沥青路面开始破坏，他们总结出来的原 因之一就是级配碎石作为高速公路基层强度不够。因此，日本在后来建设一些 高速公路上，当采用级配碎石基层时，其上沥青节材料层的总厚度为2 5 - - 2 8 c m 。 在一些国家重交通高等级道路上，通常采用级配碎石作为半刚性基层与沥青面 层间的过渡层或应力消减层，在这种情况下，级配碎石层上沥青面层可以大大 减薄，降低面层造价。 经过更大量的研究分析，人们发现虽然级配碎石的模量明显低于半刚性基 层材料，然而与半刚性材料不同的是，级配碎石具有明显的非线性，这种非线 性使其在刚性较大的下卧层上，表现出较大的模量。从而具有足够抵抗应力以 及抗变形能力，最终使得级配碎石作为基层，不仅具有减缓和消除半刚性沥青 路面反射裂缝的作用，同时也可以保持路面整体结构性，具有足够抗疲劳能力。 级配碎石动态弹性模量如图3 1 所示。此试验数据是通过重复动三轴试验做出 的。 最早提出对粒料( 碎石) 基层进行最小模量的确定是在1 9 7 8 年版壳牌设计 方法中，在设计方法中，规定粒料材料的模量晟小值决定于路基的模量e ：和粒 料基层厚度h 。，即 e 2 = k 2 h 2 式中：k ：一系数。一般在2 4 之间。 而k 。= o ，5 6 h 。“5 ，h 2 一粒料基层厚度。 ( 3 5 ) 图3 - 1级配碎石动态弹性模量与应力状态关系 由于在上式中k 。介于2 4 之间，粒料基层模量也就介于1 5 0 2 5 0 m p a 之间。 这与我国现行设计规范是一致的。 实际上级配碎石模量的大小不但依赖于其所受到的应力，还受到材料类型、 级配、施工方法、含水量、密度等多方面的影响。同时，级配碎石过渡层模量 也影响了面层厚度及面层所受应力的状态。 美国a a s h o 规范、a s t m 规范均未对级配碎石基层集料强度作具体规定，仅 是间接的要求其c b r 值 8 0 。交通部颁发的公路工程集料试验规程 ( j t j 0 5 8 9 4 ) 在总结国内外经验及国内使用情况基础上，提出一级公路以上重 交通路面级配碎石集料压碎值 2 6 。此值对于优质级配碎石基层是完全可以达 到的。 3 1 3 半刚性基层动态参数 半剐- | 生路面结构之所以作为一种新型路面结构，就是因为半刚性基层的引 入。由于半刚性材料参数具有很强的时间性，因此它的测试方法必然需要对时 间加以严格研究。目前一般采用无侧限单轴试验的方法测试半刚性材料动态模 量。 半刚性材料硬弹簧振动特性，导致动态模量随荷载增大而增大。当然由于 半刚性材料类型众多，有石灰土、水泥结碎石、二灰碎石等，各种材料性质差 别也比较大。所以它们模量强度在动态荷载作用与静态荷载作用下材料弹性模 量区别不仅在数值上而且也反映在特性上。国外水泥土的动静模量关系研究表 明两者相差不是很明显，动态模量相当于静态模量1 1 6 倍。美国研究表明水泥 处治材料的动态模量比静态模量大1 0 - 1 5 。研究还表明，随着荷载级位增加， 动静模量差别也逐渐减小。 通过试验组的数据统计回归分析，发现水泥土静态模量、强度( 抗压) 和 动态模量之间关系如图3 2 ，3 3 所示。 在9 0 概率水平，差异系数0 7 1 7 4 条件下。 静态模量与动态模量关系 e d = 1 0 8 6 5 e s + 4 0 8 8( 3 6 ) 在9 0 概率水平，差异系数o