（机械电子工程专业论文）沥青路面层间剪应力分布规律及剪切强度指标研究.pdf

摘要 沥青路面的破坏机理一直是道路从业人员关注的焦点课题之一，车辆荷载对路面的 作用是造成路面结构破坏的主要原因之一。行驶在道路上的车辆对路面的作用力包括垂 向压力、水平力以及振动冲击力等，沥青路面结构在车辆荷载作用下，其内部应力分布 较为复杂。 研究表明，路面结构在车辆荷载作用下产生的内部剪应力是造成沥青路面结构破坏 的主要原因之一，常见的破坏形式有拥包和裂缝，主要由层间纵向剪应力和横向剪应力 引起，而垂向剪应力则是导致路面出现车辙的主要原因。本文以有限元软件为工具，以 不同层间接触状态、不同路面结构参数为条件，建立沥青路面结构的有限元模型，分析 其在车辆静态荷载作用下，路面结构各层纵向剪应力和横向剪应力的分布规律，同时结 合现场剪切试验实测数据，对相应路段层间抗剪强度进行评估，并提出适用于不同超载 状况的层间剪应力推荐指标，为路面结构设计提供参考依据。 关键词：沥青路面车辆载荷剪应力剪应力指标有限元 a b s t r a c t t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fa s p h a l tm a di so n eo ft h ec e n t r a li s s u e s ，w h i c hh a sb e e n f o c u s e db yt h ep r o f e s s i o n a lr o a dw o r k e r s t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ed a m a g ei s m a i n l yc a u s e d b yt h ev e h i c l el o a d so nt h ep a v e m e n t t h ev e h i c l el o a d si n c l u d et h ev e r t i c a lf o r c e ，t h e h o r i z o n t a l f o r c ea n dt h ev i b r a t o r yw a l l o p t h ei n t e r n a l s t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h e a s p h a l t p a v e m e n ts t r u c t u r ei sc o m p l i c a t e d t h er e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t e m a ls h e a r i n gs t r e s so ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r ei s o n eo ft h em a i nr e a s o nw h i c hm a k et h ep a v e m e n td a m a g e t h ec o m m o nm o d e so ff a i l u r e i n c l u d eu p h e a v a la n dc r a c k t h e s em o d e sm a i n l yr e s u l tf r o mt h el o n g i t u d i n a ls h e a r i n gs t r e s s a n dt h et r a n s v e r s es h e a r i n gs t r e s s w h i l et h ev e r t i c a ls h e a f i n gs t r e s sm a i n l yr e s u l t si nt h et r a c k c o n s i d e r i n gd i f f e r e n tc o n t a c ts t a t e sb e t w e e nt h el a y e r sa n dd i f f e r e n tp a v e m e n ts t r u c t u r e p a r a m e t e r s ，t h ed i s s e r e a t i o nt a k e su s eo ft h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r et oe s t a b l i s ht h ef i n i t e e l e m e n tm o d ea n da n a l y s et h er e g u l a r i t yd i s t r i b u t i o no ft h el o n g i t u d i n a l s h e a f i n gs t r e s sa n d t h et r a n s v e r s es h e a f i n gs t r e s sb e t w e e nt h el a y e r s m e a n w h i l e ，c o m b i n e dw i t ht h em e a s u r e d d a t at oe v a l u a t e st h ec o r r e s p o n d i n gp a v e m e n ts t r u c t u r e ss h e a rs t r e n g t hb e t w e e nl a y e r sa n d p u tf o r w a r df o rd i f f e r e n ts h e a f i n gs t r e s si n d e xt oo f f e rr e f e r e n c ef o rt h ea s p h a l tp a v e m e n t d e s i g n ，w h i c ha r ea p p l i e dt od i f f e r e n to v e r l o a dc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n tv e h i c l el o a d s h e a r i n gs t r e s s s h e a r i n gs t r e s si n d e x f i n i t ee l e m e n t i i 长安大学硕士学位论文 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 伴随着国民经济的迅速发展，我国高速公路也逐渐向致密化方向发展，同时，交通 车辆也在向高速重载方向发展，调查表明，我国高速公路已步入重交通阶段，其突出特 点为：交通量大，运载车辆轴数增多，轴重增加。高速公路的大规模高速建设致使大型 客( 货) 运输迅猛发展，同时对高速公路的承载能力提出了新的要求。随着我国公路网 的逐渐完善，公路运输的优势也突出显现：覆盖面全，运输灵活可控，运输效率高，尤 其重型车辆输的运输效率比中型，轻型车辆高2 4 倍，而成本要低7 0 8 5 ，高效而经 济，因而重型车辆已成为大宗货物运输的主力车型。 公路作为交通运输的基础设施，在交通运输中起着举足轻重的作用，承载着人员流 动和货物流通的双重作用。自上世纪9 0 年代以来，我国高速公路里程迅速增长，截止 2 0 1 0 年3 月，总里程已达6 5 万公里，在国家政策的支持下，总里程还在进一步增加， 呈现出高速发展的态势，预计在2 0 1 5 年将突破l o 万公里【l j 。 我国的高速公路大都采用半刚性基层沥青路面结构。半刚性基层强度高，刚度大， 整体性和水稳性好，半刚性基层材料在我国分布较广，而且价格低廉，沥青面层中所使 用的沥青结合料，增强了矿料间的粘结力，提高了混合料的强度和稳定性，使路面的使 用质量和耐久性得到提高。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整，无接缝， 行车舒适，耐磨，振动小，噪声低，施工期短，养护维修方便，适宜于分期修建等众多 优点，因而半刚性基层沥青路面结构在我国得到广泛应用。 半刚性基层沥青路面沿用至今，其病害形式也越来越多 2 1 ，这也对我国大部分高速 公路的维修养护提出了严峻考验，随着重载车辆的日益增多，许多路面出现了不同程度 的滑移病掣3 7 1 ，山区公路尤为显著，滑移病害般出现在车辆加速、减速，转弯路段【3 1 ， 在这些路段处，沥青路面承受较大的水平力，当层间粘结强度不足时，就会造成路面滑 移破坏。滑移会导致路面变形、开裂、拥包，以致影响路面的平整度 4 7 , 4 8 】，影响路面的 使用性能，随着破坏的进一步加深，路面还将出现坑槽、唧泥等，这些病害使得路面结 构长期性能不足，降低了路面的社会效益和经济效益。因而，半刚性基层沥青路面层间 剪切性能的研究成为道路从业人员关注的焦点课题【3 引。同时在我国沥青路面的现行设计 指标中，主要考虑的是路表弯沉指标，沥青面层底部拉应力指标【4 】，半刚性基层底面拉 第一章绪论 应力指标和路基和粒料基层变形控制指标。我国现行规范采用限制沥青面层底面拉应力 作为沥青路面设计的验算指标，用以控制沥青面层的疲劳和开裂破坏。但是在层间剪应力 指标的要求上没有明确的规定 4 5 , 4 6 】，而层间的剪应力对路面破坏的影响非常重要，所以 开展这方面的研究对于路面的设计有着重要意义。 目前沥青路面设计方法大多将车辆载荷等效为只有垂向静载荷，在低速、轻轴载的 路面设计中该方法是可行的，但是随着车速的提高和车辆轴载的增加，车辆行驶时由振 动引起的惯性载倚及冲击载荷也将增大，采取只有垂向静载荷的设计方法与实际路面受 力情况的差异也越来越大。另外，实际情况下，车辆在路面上行驶时，路面不仅受车辆 的垂向载荷作用，还会因拐角、坡道以及车辆变速等承受水平载荷的作用。水平载荷对 沥青路面结构内部的纵向正应力和纵向剪应力影响很大，会引起路面横向的滑移和层间 破坏。 现行沥青路面设计规范中，路面结构被简化为弹性层状体结构，而且各层之间为完 全连续状态。但实际情况是：由于路面结构层各层的材料不同，各层施工先后顺序不同， 层间粘结材料选取不同以及施工中的管理等因素的影响【3 9 1 ，路面各层之间并非完全连续 状态，而是一种粘结状态垆j ，可见设计规范和实际情况不符。因而采取合理的层间接触 状态模拟路面结构对研究路面结构内部的应力状态，改善路面的设计有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 9 世纪末，国外关于沥青路面设计的力学理论有取得了丰硕成果，h h e r t z 6 1 提出的 液体支承板模型以及j b o u s s i n e s s q 的弹性半空间课题对路面力学的发展起了极大的推 动作用。直到现在，b o u s s i n e s q 解得的弹性均质半空间体内任一点的垂向正应力表达式 仍为业界广泛使用f 7 1 。f r e e m a n 等人以弹性层状体系为基础，解得路面应力的全解。 a e h l o v e 计算得出半空间体在均布圆载荷作用下的近似解。寺泽宽一对于承受轴对称 载荷的半空间体，用贝赛尔函数法解出位移和应力的完整表达式。进入2 0 世纪， a h a h o g g 根据弹性半空间体地基假设，对轴对称垂向荷载作用下半无限地基上无限 大圆板的位移和应力作了理论分析【8 l 。b m b u r m i s t e r 采用h a n k e l 变换得到了双层和多 层弹性体系在轴对称荷载作用下的应力和位移计算的于理论解【9 1 。 近几十年来，随着大型计算机的应用，已编出任意n 层弹性层状体应力和应变的计 2 长安大学硕上学位论文 算机程序，有美国c a l i f o r n i a 研究院的e l s y m 程序，c h e v r o n 公司的c h e v - 5 l 程序， 荷兰s h e l l 工作组的b i s a r 程序等。而且由m o n i s m i t h 编制的s a p s i 软件以及 s i d d h a r t h a n t l 0 - 11 , 1 7 - 1 9 】编制的3 d m o v e 软件已成为业界广泛使用的路面层状体分析软件。 1 2 2 国内研究现状 我国对沥青路面结构力学行为研究较晚，从上世纪6 0 年代起，开展了柔性路面设 计方法的研究【1 2 】。1 9 6 4 年，同济大学公路工程研究所对圆形均布垂直荷载作用下的层 间连续和层间滑动的双层和三层弹性体的应力和应变作了全面的计算，取得了一定成果 【1 3 l 。西安公路研究所的王凯运用“递推回代法”得到了适用于n 层体系的应力、位移计算 公式。1 9 8 6 年，王林生利用l a p l a c e h a n k e l 变换，得到了多层地基在两种边界条件和两 种接触条件下表面沉陷的公式。1 9 8 9 年，长沙交通学院张起森教授等人根据弹性层状体 系层间接触状态，提出了有限元增量法子结构分析法，将层间接触状态作为应力的函数， 根据剪应力与抗剪应力的关系来决定接触状态，实践表明，该方法较弹性层状体系理论 假定接触面为完全连续或完全滑动更为合理【1 4 。6 1 。1 9 9 2 年，钟阳等人运用传递矩阵法推 导出了多层弹性半空间轴对称问题在轴对称荷载作用下，层间完全接触工况下的解析 解。 随着计算机技术的发展，大型通用有限元软件为道路科研工作者广泛使用，并取得 了有益的成果，主要成果有：张起森等人用有限元法分析了弹性层状路面结构承受圆形 垂直均布载荷时的应力状态，并出版了有限元法分析道路结构的著作，详细介绍了有限 元法在刚性路面、柔性路面、路基结构等道道路问题中的应用。单景松【2 0 2 1 】利用a b a q u s 分析了移动均布荷载下路面内部应力分布规律；刘登普【2 2 】利用a n s y s 分析了沥青路面 路表弯沉、沉底拉应力、内部应力的变化规律。胡小弟2 3 2 4 1 处用a n s y s 分析了非均布 水平及竖向力下沥青路面力学响应以及沥青路面在非均布荷载下层间接触条件不同时 的力学响应。艾长发h o 4 1 1 等利用a n s y s 对半刚性基层沥青路面及柔性基层路面的力学 行为作了研究。夏伟 4 2 1 以a n s y s 为工具，建立路面结构3 d 模型，分析了车辆动载荷 对路面的影响。傅海滨【4 3 j 利用a n s y s 软件建立路面结构有限元模型，分析了路面结构 在车辆动载荷作用下的变形和应力。 1 3 主要研究内容 车辆对路面的作用是造成路面结构破坏的直接原因之一，车辆行驶在在路面上，路 第一章绪论 面承受垂向作用力、水平作用力以及振动冲击力的作用，导致路面结构内部正应力、剪 应力影响道路耐久性，而且随着超载现象的增多，这种影响作用会愈趋于严重，久而久 之，出现层间滑移、拥包、车辙等病害，降低道路使用性能。纵观现行沥青路面结构设 计规范，路面结构设计中很少涉及剪应力指标，而实际研究表明，剪应力是造成路面结 构破坏不可忽略的因素，因此，本文将以有限元软件为基础，分别考虑层间完全连续、 层间粘结工况下，沥青路面同时承受水平力和垂向力作用时，路面结构内部应力分布及 变化情况。通过与剪切试验数据的对比研究，提出了半刚性基层沥青路面层间剪切性能 指标。本论文的主要研究内容如下： 1 、在考虑沥青路面面层和面层、面层和基层层间接触为完全连续和粘结两种工况 下，建立沥青路面结构有限元模型。 2 、在垂直荷载和水平荷载共同作用下，计算分析沥青路面层间剪应力分布及变化 规律；分析不同层间粘结强度下沥青路面层间剪应力分布规律。 3 、分析不同路面结构下沥青路面结构内部剪应力变化规律以及在车辆超载5 0 、 1 0 0 、1 5 0 工况下，分析沥青路面层间剪应力分布规律。 4 、将有限元分析计算结果与半刚性基层沥青路面层间剪切试验结果对比研究，得 出了半刚性基层沥青路面层间剪切性能指标，从而为半刚性基层沥青路面的设计提供一 定依据。 4 长安大学硕? ：学位论文 第二章沥青路面层间剪切性能实验研究 2 1 实验研究的意义 公路沥青路面施工技术中明确指出：半刚性基层沥青路面施工中，为了加强路 面的沥青层和沥青层之间的粘结，需要在沥青面层之间喷洒粘层沥青，对于双层或者三 层沥青路面，在铺筑上一层之前，若其下面层沥青面层已经被污染，也需要洒布粘层沥 青；为了使沥青面层与非沥青材料基层能够良好的结合，需要在基层上喷洒透层油以透 入基层表面，比如石油沥青、煤沥青、液体沥青或阳离子乳化沥青等。粘层沥青及透层 油主要有以下性能【3 2 】： l 、粘层沥青及透层油要提供足够的抗剪强度。沥青面层层间抗剪能力不足时，在 车辆荷载的反复作用下，路面会出现推移、拥包等病害，严重影响路面的使用性能。 2 、粘层沥青及透层油要提供足够的抗拉强度。路面结构在行驶车辆的作用下，会 在其内部产生较大拉应力，对粘结层产生不利影响。通过大量沥青路面钻芯取样发现， 即使性能良好的粘层材料，在道路使用一定年限后，层间几乎不再具有良好的粘结性能。 甚至有的路面结构在钻孔取样时，就发生了分离。 3 、粘层沥青及透层油要具有一定的防水功能。当沥青面层压实度偏低、空隙相对 较大时，水容易渗入沥青面层并滞流在沥青结构面层中，在高速行车荷载作用下，会产 生动水压力，破坏沥青与石料的粘结性能，水渗入到面层与基层的交界面上，在高速行 车荷载作用下，动水冲刷基层混合料中的细料，形成白色灰浆并被唧出表面，形成软弱 层，逐级传递到沥青面层上，从而形成局部网裂和形变，严重破坏沥青路面的整体结构， 影响其使用性能。为了防止水过多的渗入到沥青路面结构中，对粘结层材料的防水性能 提出一定要求。 t 半刚性基层沥青路面结构层各层之间粘结性能的好坏直接影响到沥青路面的使用 耐久性及行车舒适性。进行沥青路面层问抗剪强度的检测，不仅能够检验沥青路面的施 工质量，还能准确的掌握路面的层间粘结性能，为沥青路面施工中粘结层材料的选取提 供依据。 2 2 实验研究的原理 大量路面结构破坏的实例证明，半刚性基层沥青路面结构层间破坏主要原因是由于 5 第二章沥青路面层问剪切性能实验研究 层间结合面上的剪应力超过沥青路面结构层间所能承受的最大剪应力时，路面结构就发 生剪切破坏。沥青路面所能承受的最大剪应力即为层间抗剪强度。 若用f 表示截面上的剪应力，f ，表示层间抗剪强度，则沥青路面层间剪切破坏用 公式可以表示为： f f ，( 2 1 ) 式中层间抗剪强度r ，可用莫尔库仑破坏理论来求解，计算公式如下： f ，= 仃t a i l 9 + c( 2 2 ) 式中： f ，一最大剪应力( m p a ) ； d 一剪切面法向应力( m p a ) ； 咖一材料的内摩擦角( 。) ； c 一材料的粘聚力( m p a ) 。 对路面结构层取样进行直接剪切试验是获得层间剪切强度较为简单易行的方法。图 2 1 为沥青路面结构面层和基层剪切试验示意图，图中上层为面层，下层为基层，a a 面为层间接触面。在剪切试验中，将基层固定，面层施加水平载荷p ，随着p 不断增大， a a 面承受剪应力不断增大，直至达到试样所能承受的最大剪应力r ，试样发生破坏。 材料 图2 1 层间剪切试验示意图 试样的剪切强度计算可用以下公式描述： r ：粤 ( 2 3 ) 彳 、7 式中： f 一剪切强度；一最大剪切力；a 一试样截面积。 6 长安大学硕士学位论文 2 3 剪切仪的结构及工作原理 剪切仪主要由底座、步进电机、蜗杆一带轮、力传感器、推动杆、剪切件等组成， 底座是剪切仪的主体，蜗杆蜗轮和导座装在底座上以梯形螺纹联接，蜗杆右端接力传感 器、顶杆、剪切件。剪切件由导座导向。主要结构组成如图2 2 所示，图2 3 为现场剪 切试验图。 12345 图2 2 剪切仪结构图 1 、带轮2 、同步带3 、蜗杆4 、带轮5 、剪切件6 、剪切件7 、剪切试样 8 、传感器9 、螺杆l o 、蜗轮l l 、步进电机 图2 3 现场剪切试验图 在进行剪切试验时，步进电机通过同步带驱动蜗杆、蜗轮以及力传感器，推动剪切 第一二章沥青路面层问剪切性能实验研究 件前移对试样进行剪切，数据采集卡则采集剪切力数据并通过u s b 接1 ：3 实时上传到上 位机，在上位机上显示波形图。剪切速度可以通过上位机进行设置。剪切完成后则通过 上位机将剪切件恢复到初始位置，以备下次剪切使用。 2 4 路面结构层间剪切试验 目前，国内对半刚性基层沥青路面层间剪切性能的实验研究主要在室内进行，为实 现层间抗剪强度的现场检测，本课题组相关人员开发出一台可用于现场剪切试验的层问 剪切性能测试仪【3 3 1 ，如图2 3 所示。 试验分别选择甘肃境内某高速公路、河北境内某大修公路、贵阳某大修公路为试验 路段，试验内容分别介绍如下： 1 、甘肃境内某高速公路，以下简称路段a ，该路段全线总长7 0 k m 。本次新修路共 分为两个标段，一标段路面的结构为：上面层为细粒式改性沥青玛蹄脂碎石混凝土 ( s m a 一1 3 ) ，厚为5 c m ；下面层是a c 2 5 c 沥青混凝土，厚为7 c m ；基层是3 2 c m 水泥 稳定沙砾。粘层油的材料采用乳化沥青。二标段路面的结构为：上面层为a c 1 6 c ，厚 为5 c m ；下面层是a c 2 5 c 沥青混凝土，厚为7 c m ；基层是3 2 c m 水泥稳定沙砾。粘层 油的材料采用乳化沥青。根据该路段的实际情况，在一标段每隔2 0 0 m 取一组试样，取 试样中一部分做剪切试验，一部分做拉拔试验。在该高速路上共取试样5 0 个，其中拉 拔试验3 个，剪切试验4 7 个。上下面层试验根据该高速路的实际情况( 一标和二标上 面层材料不同) ，在一标段每隔1 5 k m 取一组试样，共取了2 6 个试样( 其中右幅1 5 个， 左幅9 个，无标号两个) ，取的试样全做室内剪切试验。在二标段每隔l k m 取一组试样， 取试样时根据室内剪切试验与野外拉拔试验不同分别取样。室内剪切试验共取2 2 个试 样( 其中右幅1 2 个，左幅1 0 个) ，野外拉拔试验共取1 1 个试样( 其中右幅7 个，左幅 4 个，左幅一个试样在试验过程中非正常破坏) 。 2 、河北境内某大修公路，以下简称路段b ，该路段全线总长5 3 k m 。本次路的大修 总共分为五个标段，第一、二、三标段是铣刨原来的老路面，然后再铺基层和沥青面层， 路面的结构为：上面层为改性a c 1 3 c ( 采用s b s 聚合物改性沥青) ，厚为4 c m ；下面 层是a c 2 0 c 沥青混凝土，厚为6 c m ；基层是1 8 c m 水泥稳定碎石。粘层油的材料采用 s b s 改性沥青。第四、五标段是对原来的老路面进行拉毛，然后加铺沥青面层，路面的 结构为：面层为改性a c 1 3 c ( 采用s b s 聚合物改性沥青) ，厚为4 c m ，下层是原来的 老路面。粘层油的材料采用s b s 改性沥青。根据该路段的实际情况，每隔3 0 0 m 取一组 r 长安大学硕t 学位论文 试样，取的试样中一部分做剪切试验，一部分做拉拔试验，共取试样8 5 个，其中拉拔 试验5 个，剪切试验8 0 个。 3 、贵阳某大修公路，以下简称路段c ，该路段全线总长2 5 k i n ，其中小桥有1 6 座。 本次路的大修主要是对局部的病害进行局部处理，然后整体上在加铺面层。路面的结构： 上面层为改性a c 1 3 c ( 采用s b s 聚合物改性沥青) ，厚为5 c m ，大部分的下面层是原 来的路面( 老路面) ，局部病害的下面层为a t b 2 5 ，厚为7 c m 。粘层油的材料是改性沥青 和改性乳化沥青。桥面的结构：面层为改性a c 1 3 c ( 采用s b s 聚合物改性沥青) ，厚 为5 c m ，下层是水泥稳定层。防水材料是h u t - 1 桥面防水材料。根据该路段实际情况， 在全线上取了几个标段，每隔1 0 0 m 取一组数据，取的试样中一部分做剪切试验，一部 分做拉拔试验，共取试样4 6 个，其中拉拔试验6 个，剪切试验4 0 个。桥上共取3 个。 图2 4 为面层与基层之间层问剪切试验曲线图，从图中可以看出，沥青路面层间剪 切破坏主要分三个阶段： 线性剪切阶段( 0 1 ) ：剪切力随时间线性增加，直到层间剪切力达到试样所能承受的 最大剪切力时，发生剪切破坏，该阶段也称为弹性阶段。 后失效阶段( 1 2 ) ：试样发生剪切破坏后，层间结合面并没有完全分离，结合面处仍 存在残余剪应力，其值明显减小。 摩擦阶段( 2 3 ) ：试样在该阶段，层间已完全分离，此时的剪切力主要是面层和基层 之间的摩擦力。 2 v 最 2 4 1 面层与基层层间剪切强度试验 图2 4 剪切试验曲线 9 胂舢脚棚脚o-棚脚脚挪脚咖啪珊撇 第二章沥青路面层问剪切性能实验研究 表2 1 路段a 一标左幅沥青路面面层和基层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 5 路段a 一标左幅面层与基层层间剪切试验结果( 略) 表2 2 路段a 一标右幅沥青路面面层和基层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 6 路段a 一标右幅面层与基层层间剪切试验结果( 略) 从表2 1 可以看出路段a 一标左幅沥青路面面层和基层最大剪切强为0 3 0 5 m p a ， 最小剪切强度为o 0 9 m p a ，平均剪切强度为o 1 5 3 m p a 。剪切强度在不同位置处差异较大， 波动值为0 2 1 5 m p a 。从表2 2 可以看出路段a 一标右幅沥青路面面层和基层最大剪切 强度为0 3 1 2 m p a ，最小剪切强度为0 0 5 6 m p a ，平均剪切强度为o 1 7 4 m p a ，波动值为 0 2 5 6 m p a 。可以看出左幅的平均剪切强度小于右幅，主要原因一方面是温度影响，通过 试验温度分析可发现左幅试验平均温度比右幅高出1 2 3 度，达到了4 3 8 5 度。双幅一般 试样剪切强度均大于o 1 m p a ，也有许多试样剪切强度很低，如：左幅k 3 3 + 9 6 0 、k 5 + 9 8 0 桩号处剪切强度只有0 0 9 m p a 与0 0 9 4 m p a ，右幅k 2 + 1 5 0 ，k 4 + 5 8 0 桩号处的剪切强度 也分别只有0 0 5 6 m p a ，0 0 7 5 m p a 。另一方面，由试样剪切后的试样界面可以看出，这些 桩号处试样剪切强度低的原因是粘层沥青没有喷洒均匀，说明粘结层沥青喷洒均匀程度 对层间剪切强度影响很大，在有些剪断的试样断面上看到有泥浆和污物的出现，表明在 功能层施工时基层表面没有进行严格的清理会对层间抗剪性能有很大影响；另外有几处 连续取样不成功，从现场试样断裂的位置可以看出，原因是此处水稳碎石质量有问题。 图2 7 为层间剪切强度较小的试样破坏界面，从图中可以看出试样层间结合面处有大量 泥土，图2 8 为层间剪切强度较大的试样破坏界面，层问结合面上主要为粘结材料，可 见层间结合面的干净程度对沥青路面层问剪切强度影响很大。 图2 7 试样剪切破坏界面图2 8 试样剪切破坏界面 1 0 长安大学硕上学位论文 表2 3 路段b 一标右幅沥青路面面层和基层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 4 路段b 二标右幅沥青路面面层和基层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 9 路段b 一标右幅面层与基层层间剪切试验结果( 略) 图2 1 0 路段b 二标右幅面层与基层层间剪切试验结果( 略) 表2 5 路段b 三标右幅沥青路面面层和基层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 1 路段b 三标右幅面层与基层层间剪切试验结果( 略) 从表2 3 可以看出，路段b 一标右幅面层与基层层间最大剪切强度为0 4 4 9 m p a ， 最小剪切强度为o 1 4 5 m p a ，平均剪切强度为0 3 2 7 m p a ，不同位置处层间剪切强度差异 较大，波动值为0 4 3 5 m p a 。路段b 二标层间剪切试验是在铺完下面层一周后，对试验 路面进行取样剪切强度试验，从表2 4 可以看出，面层与基层最大层问剪切强度为 0 6 7 7 m p a ，最小剪切强度为o 1 6 6 m p a ，平均剪切强度为0 4 1 7 m p a ，波动值为0 5 1 1 m p a 。 路段b 三标层间剪切试验是在铺完下面层后第五天取样进行层间剪切强度性能试验的， 从表2 5 可以看出，面层与基层最大层间剪切强度为0 6 3 1 m p a ，最小剪切强度为 0 2 1 3 m p a ，平均剪切强度为0 3 2 9 m p a ，波动值为0 4 1 8 m p a 。综合表2 7 、2 8 、2 9 可以 看出，一般试样剪切强度均大于0 2 5 m p a ，一标段k 1 0 2 + 2 4 5 剪切强度为0 1 4 5 m p a ， k 1 0 0 + 1 0 0 剪切强度为o 1 7 6 m p a ；二标段k 1 0 3 + 7 5 0 剪切强度为0 1 6 6 m p a ，k 1 0 8 + 3 0 0 剪切强度为o 1 7 3 m p a ；由试样剪切后的试样界面可以看出，这些试样剪切强度低的原 因是沥青没有喷洒均匀，说明粘结层沥青喷洒均匀程度对层间剪切强度影响很大。另外- 三标段k 1 1 8 + 1 4 0 ，k 1 1 8 + 4 4 0 ，k 1 1 9 + 4 8 0 处取样不成功，从现场试样断裂的位置可以看 出，原因是此处水稳碎石质量有问题。 从路段a 及路段b 的现场施工情况，结合表2 6 可以看出，路段a 一标左幅试验 平均温度为4 3 8 5 。c ，平均剪切强度为o 1 5 3 m p a ，路段a 一标右幅试验平均温度为 3 1 5 6 ，平均剪切强度为0 1 7 4 m p a ，可见在层间粘结材料相同时，较高温度会显著降 低沥青路面层间抗剪性能。另外，由于路段b 沥青路面层间粘结材料为s b s 改性沥青， 而路段a 沥青路面层间粘结材料为乳化沥青，与s b s 改性沥青粘结强度相比较低，因 而路段b 的平均剪切强度明显大于路段a ，可见层间抗剪性能的强弱与粘结层材料的选 取有很大关系。 表2 6 路段a 及路段b 面层与基层层间剪切强度试验结果统计单位：m p a ( 略) 第一二章沥青路面层间剪切性能实验研究 2 4 2 面层与面层层间剪切强度试验 路段a 上下面层层间剪切试验根据其实际情况( 一标和二标上面层材料不同) ，在 一标段每隔1 5 k m 取一组试样，共取了2 6 个试样( 其中右幅1 5 个，左幅9 个，无标号 两个) ，取的试样全做室内剪切试验。在二标段每隔l k m 取一组试样，取试样时根据室 内剪切试验与野外拉拔试验不同分别取样。室内剪切试验共取2 2 个试样( 其中右幅1 2 个，左幅1 0 个) 。 表2 7 路段a 一标左幅上面层和下面层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 8 路段a 一标右幅上面层和下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 2 路段a 一标左幅上面层与下面层层间剪切试验结果( 略) 图2 1 3 路段a 一标右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 9 路段a 二标左幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 1 0 路段a 二标右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 4 路段a 二标左幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 5 路段a 二标右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 从表2 7 可以看出路段a 一标左幅上面层和下面层层间剪切强度最小值为 o 3 3 2 m p a ，最大为0 6 4 3 m p a ，波动值为0 3 1 1 m p a ，平均剪切强度为0 5 1 6 m p a 。表2 8 显示，一标右幅上面层和下面层层间剪切强度最小值为0 3 3 6 m p a ，最大值为o 7 1 3 m p a ， 波动值为0 3 7 7 m p a ，平均剪切强度为0 6 0 4 m p a 。从表2 9 可以看出二标左幅上面层和 下面层层间剪切强度最小为0 1 8 1 m p a ，最大为0 7 0 6 m p a ，波动值为0 5 2 5 m p a ，平均剪 切强度为0 4 8 8 m p a 。二标右幅上面层和下面层层间剪切强度最小为0 1 3 8 m p a ，最大为 o 8 8 7 ，波动值为0 7 4 9 m p a ，平均剪切强度为0 5 9 4 m p a 。一标二标平均剪切强度相差不 大，基本上都大于0 4 m p a ，但一标剪切强度较二标更集中于平均值附近，标准差较小， 因而整体剪切强度较二标要好。根据现场试验情况来看，主要原因在于二标右幅桩号为 k 3 9 + 5 0 0 、k 4 2 + 4 3 0 处的试样强度为0 1 3 8 m p a ，o 1 4 4 m p a ，左幅桩号为k 3 9 + 0 0 0 处的 试样强度为0 1 8 1 m p a ，分析其小的原因也是粘层油少，说明在施工是粘层油没有喷洒 均匀。一标有的桩号处强度低也是由于粘结层沥青喷洒均匀程度对层间剪切强度影响。 在试验过程中发现有些剪断面有水的出现，尤其二标试样较多，这也是影响层问抗剪强 度不容忽视的因素。另外，由于一标上面层采用的是s m a 1 3 ( 沥青玛蹄脂碎石混合料) ， 其集料的料质、洁净程度、颗粒形状、粒径控制以及施工工艺要求等较二标上面层的 1 2 长安大学硕上学位论文 a c 一1 3 c ( 密级配沥青混合料) 都要严格，这也是一标上面层与下面层层间剪切强度大于二 标的重要原因。 路段b 上面层是在对原来路面进行拉毛后铺筑的，下面层是原来的老路面，上面层 采用a c 1 3 c ，粘层油采用s b s 改性沥青。 表2 1 l 路段b 四标右幅上面层与下面层层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 6 路段b 四标右幅上面层与基层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 1 2 路段b 五标左幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 7 路段b 五标左幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 表2 1 3 路段b 五标右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 8 路段b 五标右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 从表2 1 1 可以看出，路段b 四标右幅上下面层层间剪切强度最小为0 5 4 9 m p a ，最 大为0 9 8 6 m p a ，波动值为0 4 3 7 m p a ，平均剪切强度为0 8 1 6 m p a 。五标左幅上下面层层 间剪切强度最小为o 7 9 4 m p a ，最大为1 2 6 8 m p a ，波动值为0 4 7 4 m p a ，平均剪切强度为i l 1 2 4 m p a 。五标右幅上下面层层间剪切强度最小为0 7 0 7 m p a ，最大为1 0 9 0 m p a ，波动 值为0 3 8 3 m p a ，平均剪切强度为0 9 0 9 m p a 。从四标右幅，五标左右幅的所有试验结果 可以看出，整体剪切强度大于o 8 m p a ，个别桩号处剪切强度较小，如四标右幅k 1 2 4 + 9 0 0 ， k 1 2 5 + 3 0 0 ，五标右幅k 1 3 3 + 1 0 0 处剪切强度分别为0 5 4 9 m p a ，0 6 6 5 m p a ，0 7 0 7 m p a 。 根据现场剪切试样分析，其主要原因是层间粘层油( s b s 改性沥青) 洒布不均，层间未清 理干净，有杂质出现。 路段c 同路段b 相似，也是对老路面进行拉毛后，再铺筑上面层，上面层材料为 a c 1 3 c ，下面层为老路面，局部路面为a t b 2 5 。 表2 1 4 路段c 中道左幅沥青路面面层和面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 1 9 路段c 中道左幅面层与基层层问剪切试验结果( 略) 表2 1 5 路段c 中道右幅沥青路面上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 图2 2 0 路段c 中道右幅上面层与下面层层间剪切强度试验结果( 略) 从表2 1 4 可以看出，路段c 中道左幅沥青路面面层和面层层间剪切强度最小为 0 5 3 9 m p a ，最大为1 1 8 3 m p a ，波动值为0 6 4 4 m p a ，平均剪切强度为o 8 7 4 m p a 。从表 2 1 5 可以看出，路段c 中道右幅沥青路面上面层与下面层层间剪切强度最小为 o 8 7 3 m p a ，最大为1 1 9 8 m p a ，波动值为0 3 2 5 m p a ，平均剪切强度为1 0 2 4 m p a 。右幅 第一二章沥青路面层问剪切性能实验研究 平均剪切强度大于左幅平均剪切强度。一般试样剪切强度均大于o 8 m p a 。右幅大于左 幅的原因在于左幅在桩号为k l + 7 0 0 处剪切强度为0 5 5 5 m p a ，k 3 + 4 0 0 处剪切强度为 0 7 4 4 m p a ，k 9 + 7 8 0 处剪切强度为0 5 3 9 m p a ，k 1 0 + 2 4 5 处剪切强度为0 7 1 4 m p a ，k 1 0 + 3 4 5 处剪切强度为0 7 1 0 m p a 。由试样剪切后的试样界面可以看出，这些试样剪切强度低的 原因是粘层沥青没有喷洒均匀，说明粘结层沥青喷洒均匀程度对层间剪切强度影响很 大。标段k 1 8 右幅大约有l k m 左右( a t b 与老路) 剪切强度较小，钻芯试样取不出来， 原因是由于下雨赶工期，粘层沥青采用乳化沥青，说明雨水对粘结层的质量影响很大， 应避免雨天施工。 表2 1 6 路段a ，b ，c 上面层与下面层层间剪切强度试验结果统计单位：口r i p a ( 略) 从表2 1 6 的统计结果，结合现场试验情况分析，路段a 上面层和下面层层间粘层 油为乳化沥青，现场试验平均温度为1 2 4 9 4 。c ，上下面层层间剪切强度平均值为 0 5 5 7 m p a ，路段b 上面层和下面层层间粘层油为s b s 改性沥青，现场试验平均温度为 2 7 0 7 7 。c ，层问平均剪切强度为0 9 6 4 m p a ，路段c 选取改性沥青和改性乳化沥青作为 层间粘结材料，其平均剪切强度为0 9 4 9 m p a 。可以看出，s b s 改性沥青明显好于乳化 沥青层间抗剪性能。表2 1 7 为根据不同粘结层材料统计的路面各层间平均剪切强度值， 从中可以看出，乳化沥青整体粘结强度明显低于s b s 改性沥青，乳化沥青用于基面层间 时，其平均抗剪强度为0 1 6 8 m p a ，面层与面层间采用乳化沥青时，其平均抗剪强度为 o 5 5 7 ，与之相对的s b s 改性沥青用于基面层间时，平均抗剪强度可达0 3 6 0 m p a ，是乳 化沥青的2 1 4 倍，而用于面层之间时抗剪强度可达0 9 5 6 m p a ，是乳化沥青的1 7 2 倍。 可见，沥青路面基面层间采用s b s 改性沥青较采用乳化沥青可以更有效的提高基面层间 抗剪强度。 表2 1 7 不同粘层材料下路面结构各层剪切强度试验结果统计表单位：m p a ( 略) 2 5 沥青路面层间剪切强度的影响因素分析 从沥青路面层间剪切强度试验中可以看出，沥青路面层间粘结层已成为沥青路面结 构中的薄弱带，其粘结性能的优劣直接影响沥青路面的整体性及使用耐久性。车辆荷载、 路面坡度、路面结构、沥青路面面层和基层的材料配比、环境因素以及施工工艺等都会 影响沥青路面层间粘结能力，结合上述层间剪切强度试验结果，影响沥青路面层间剪切 强度的因素简述如下： 1 4 长安大学硕上学位论文 l 、粘结材料的选取。目前，应用于路面的粘结层材料主要有煤焦油、稀释沥青、 乳化沥青、改性沥青等。不同的粘结材料对沥青路面层间抗剪强度的影响也不尽相同。 本项目组的大量现场试验结果表明s b s 改性沥青是一种比较理想的粘层材料。 2 、粘结材料的用量。粘结材料的用量和喷洒的均匀性，对沥青路面层间抗剪性能 有很大影响。若粘结材料用量过少，则层间粘结力不足；若用量过多，易在层间形成富 油层，不仅起不到粘结作用，还容易导致层间滑移。 3 、沥青面层的层间污染。在实际工程中，水泥稳定基层上喷洒完透层油后，往往 不能及时摊铺下封层或下面层，而且经常存在交叉施工，不能封闭交通，经常有车辆通 过，对透层造成污染，另外在施工时基层项部未完全清理干净，基层铺完后未及时铺设 面层，随着时间推移，层间都会受到污染，严重影响沥青路面层间抗剪切性能。 4 、沥青面层的温度。温度变化是造成沥青路面出现各种病害的主要原因，沥青路 面低温开裂、高温车辙都是温度变化引起的，沥青路面温度太高或太低对层间粘结材料 的性能都有极大影响，大大降低沥青路面层间抗剪切性能。 5 、本文通过三条高速公路的现场试验数据整理表明：若层间采用乳化沥青，则面 层与面层之间的平均剪切强度为0 5 5 7 m p a ，标准差为0 1 7 5 m p a ，面层与基层之间的平 均剪切强度为o 1 6 8 m p a ，标准差为o 0 6 6 m p a ；若层间采用s b s 改性沥青材料，则面层 与面层平均剪切强度为0 9 5 6 m p a ，标准差为o 1 6 1 m p a ，面层与基层平均剪切强度为 0 3 6 0 m p a ，标准差为0 1 5 5 m p a 。这些数据为研究沥青路面层间剪切应力分布规律提供 主要的基础数据。 第三章沥青路面结构剪应力分布规律有限元分析 第三章沥青路面结构剪应力分布规律有限元分析 介于实际沥青路面结构的特点，现行的沥青路面结构设计方法通常视路面为层状 体，而采用弹性层状体系理论进行分析，我国现行沥青路面结构设计以双圆垂直均布荷 载作用下的弹性层状体系理论为依据进行计算。由于沥青路面各层材料属性不同，施工 工艺不同，层间粘结材料选用及用量不同以及层间污染的存在，导致路面层间接触状态 各异，层间剪切强度存在较大差异，因而在进行有限元建模及分析时，有必要考虑层间 接触状态对路面抗剪性能的影响。本文利用有限元软件a b a q u s 建立半刚性基层沥青 路面有限元模型，在车辆荷载作用下，分析不同接触状态以及不同路面结构的沥青路面