（道路与铁道工程专业论文）聚酯玻纤布防治半刚性基层沥青路面反射裂缝的机理研究.pdf

摘要 半刚性基层沥青路面反射裂缝是我国高速公路沥青路面早期破坏的主要类 型之一，它破坏了路面结构整体性和连续性，严重影响了沥青路面的使用寿命和 行车安全。目前新建沥青路面，在基层和面层之间采用乳化沥青和土工格栅防治 反射裂缝，但是其防治效果因地而异。聚酯玻纤布作为一种新型的防治反射裂缝 土工合成材料，试验研究表明，效果良好。但是，目前国内外对聚酯玻纤布的作 用机理研究比较少。因此，本文采用有限元的方法对聚酯玻纤布的作用机理进行 了深入探讨。 首先，基于线弹性断裂力学原理，采用有限元软件，建立二维的实体模型模 拟路面结构，分析基层和沥青层之间设置聚酯玻纤布夹层后，在行车荷载和温度 荷载作用下，裂缝尖端应力强度因子的变化规律及结构参数对应力强度因子的影 响规律。计算结果表明：无论是在行车荷载作用下还是在温度荷载作用下，设置 聚酯玻纤布夹层后应力强度因子k 和k 都呈现减小的趋势，因此，聚酯玻纤布 夹层可以有效的抑制反射裂缝的扩展，延长沥青路面的寿命。 其次，综合考虑温缩和干缩对裂缝的作用，对蒋兴军等人提出的预锯缝计算 公式进行了修正，并且结合重庆地区的气候特点，提出了相应的锯缝间距及锯缝 深度等，为后期预锯缝技术的施工提供了一定的理论指导。 第三，通过室内剪切试验及其冲击韧性试验，分别评价聚酯玻纤布的层间粘 结性和防止反射裂缝的能力。试验结果表明，聚酯玻纤布具有良好的防治反射裂 缝的能力，但是层间的剪应力略有下降，不过仍然能够满足使用要求。 最后，结合研究成果，依托重庆外环高速公路试验路段，提出了聚酯玻纤布 的施工工艺。 关键词：半刚性基层；反射裂缝；聚酯玻纤布；应力强度因子；温度应力；荷载 应力；剪切试验；预锯缝 a bs t r a c t r e f l e c t i o nt h a ts e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n ti se a r l yo n eo ft h em a i nt y p e so fd a m a g ei n c h i n a sh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n t i td e s t r o i e si n t e g r i t ya n dc o n t i n u i t yo fp a v e m e n ts t r u c t u r e i t a l s oa f f e c t sa s p h a l tp a v e m e n ts e r i v i c el i f ea n ds a f e t y a tp r e s e n t , n e wa s p h a l tp a v e m e n ti st a k e n s o m em e a s u r e st op r e v e n tr e f l e c t i o ni nb a s ea n ds u r f a c e ，b u ti t se f f e c tr e l a t i v e l yl a r g er e g i o n a l d i f f e r e n c e s f i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm a t i san e wk i n do fg e o s y n t h e t i cm a t e r i a l st h a tp r e v e n t s r e f l e c t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d ys h o w st h a te f f e c t i s w e l l h o w e v e r , n oo n e h a sy e tt om a d e s y s t e m a t i cs t u d yo nf i b e r g l a s s p o l y e s t e rp a v i n gm a t t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ru s e dt h ef i n i t ee l e m e n t t h em e t h o dt o c a r r yo nt h ep r e l i m i n a r yd i s c u s s i o na b o u tm e c h a n i s mo ff i b e r g l a s s - p o l y e s t e r p a v i n gm a t f i r s to fa l l ，t h i s p a p e rb a s eo nl i n e a re l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ，a n dt a k ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e ，a n ds e tu pt w o d i m e n s i o nm o d e lt os i m u l a t ep a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n da n a s y st h ec h a n g e o fs t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro nt h ec r a c kt i pa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e re f f e c t st h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r a f t e rs e t i n gf i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm a tb e t w e e nb a s ea n ds u r f a c ei nv e h i c l el o a da n d t e m p e r a t u r el o a d t h er e s u l t ss h o wt h a tn om a t t e rw h a tv e h i c l el o a da n dt e m p e r a t u r el o a d ，s t r e s s i n t e n s i t yf a c t o rk ia n dk p r e s e n td e c r e a s e sa f t e rs e t t i n gf i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm a t t h e r e f o r e ，f i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm a tc a ne f f e c t i v e l yp r e v e n tt h ee x p a n s i o no fr e f l e c t i o n c r a c k , a n de x t e n dt h el i f es p a no fa s p h a l tp a v e m e n t s e c o n d l y ，t oc o n s i d e rs t r e s s r e d u c t i o na n ds h r i n k a g es t r e s s o nt h ei m p a c to fc r a c k s ， f o r m u l ai sm o d i f i c a t i o nt h a tj i a n g y i n gj u np r o p o s e da b o u tt h ep r e c r a c k i n gs p a c i n g ，a n dc o m b i n e w i t ht h ec h o n g q i n ga r e aa n dc l i m a t ec h a r a c t e r i s t i c s ，p r o p o s et h ec o r r e s p o n d i n gp r e - c r a c k i n g s p a c i n ga n dd e p t h ，a n ds oo n t h e o r yi n s t r u c t i o ni sp r o v i d e df o rl a t e rp e r i o dp r e - c r a c k i n g c o n s t r u c t i o n t h i r d l y ，t h r o u g ht h ei n t e r i o rs h e a f i n gt e s ta n da n dr e f l e c t i v ec r a c k i n gs i m u l a t i o nt e s t ， e v a l u a t es e p a r a t e l yi n t e r l a y e rb o n d i n ga n dp r e v e n tc r a c kr e f l e c t i o na b i l i t yo ff i b e r g l a s s p o l y e s t e r p a v i n gm a t t h er e s u l t ss h o wt h a ti th a sag o o da b i l i t yo fr e f l e c t i v ec r a c kp r e v e n t i o n ，b u ts e t i n g f i b e r g l a s s p o l y e s t e rp a v i n gm a tl e a dt oas l i g h td e c r e a s eo fl a y e rs h e a f i n gs t r e s s ，b u ts t i l lb ea b l e t om e e tt h eu s er e q u i r e m e n t s f i n a l l y ，c o m b i n a t i o no fr e s e a r c hr e s u l t s ，d e p e n d so nt h ec h o n g q i n go u t e rr i n gh i g h w a yt o e x p e r i m e n tt h er o a ds e c t i o n ，p r o p o s ec o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e k e yw o r d s ：s e m i - - r i g i db a s e ；r e f l e c t i v ec r a c k i n g ；f i b e r g l a s s p o l y e s t e rp a v i n gm a t ； s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ；t e m p e r a t u r es t r e s s ；l o a ds t r e s s ；s h e a rt e s t ；p r e - c r a c k i n g 重庆交通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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一躲文学移 吼吖钿 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、复 制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者躲馘沌指导教师签名 竺业兰上曼墅 f 月够日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 益。 、 吼叶 衫弓 枣吵 咀； “ 月 名少，獬v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 近十年来，重庆市高速公路建设得到了快速发展，从1 9 9 5 年第一条高速公路 一成渝高速建成，截止到2 0 0 7 年底，已建高速公路约1 0 0 0 多公里。其中9 0 以上 采用半刚性基层。在高速公路快速发展过程中，由于重庆地区同时兼具了山区、 高温、多雨这三个对沥青路面非常不利的地理气候条件，导致沥青路面早期破坏 十分严重，根据调研显示，反射裂缝在沥青路面早期破坏中所占的比例超过了 3 0 1 】。 由于半刚性基层自身的温缩和干缩特性，容易开裂，裂缝在车辆荷载和温度 荷载的反复作用下，逐渐扩展到沥青面层，从而形成了严重的反射裂缝问题。反 射裂缝是半刚性基层沥青路面裂缝的主要形式，它破坏了路面结构整体性和连续 性，并在一定程度上导致结构强度的削弱( 如裂缝处弯沉增大，回弹模量降低等) 。 尤其是随着雨水或雪水的浸入，导致基层松散，在行车荷载反复作用下，容易产 生冲刷和唧泥现象，引起裂缝两侧的沥青路面破碎，导致沥青路面的破坏，从而 影响公路使用质量和寿命。 自2 0 世纪3 0 年代开展反射裂缝产生机理研究以来，国内外对防治沥青路面 反射裂缝进行了大量的理论研究、试验研究和工程实践，提出了各种防治措施， 虽然取得了一定效果，但是各种措施依然存在一些缺陷，导致难以推广应用。鉴 于此，本研究采用一种全新的土工合成材料一聚酯玻纤布，来处治半刚性基层沥青 路面的反射裂缝。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 反射裂缝研究现状 自从2 0 世纪3 0 年代以来，反射裂缝一直为各国道路研究者所关注，并且开 展了多方面的研究，主要集中以下3 个方面：反射裂缝产生机理；反射裂缝的防 治措施；反射裂缝的力学分析方法。笔者就国内外对上述三个方面的研究概述如 下： 反射裂缝的产生 目前普遍认为，温度应力引起了反射裂缝的产生，并参与了初期的扩展；荷 载应力( 主要是偏载作用，正荷载的影响很小) 加速了裂缝的进一步扩展。在分 析裂缝的产生和发展时，应考虑温度应力和荷载应力的作用。一般反射裂缝可分 为荷载型裂缝和非荷载性裂缝两种类型，其中非荷载性裂缝主要是温度型反射裂 2 第一章绪论 缝，它是由温度变化引起的反射裂缝；荷载型反射裂缝是由车辆荷载引起的裂缝。 温度型反射裂缝：外部环境对基层板温度的影响可以按日变化温度和年变化 温度来考虑，在年变化温度作用下，由于作用周期长，沥青面层的项面和底面温 度比较接近。在寒冷的季节，基层板产生收缩变形，在沥青层内产生拉应力；在 炎热的夏季，基层板膨胀，在沥青层内产生压应力。但是在实际道路中，温度应 力和荷载应力是耦合在一起的，随着温度变化和车辆荷载的重复性作用，裂缝尖 端的应力超过沥青混凝土的极限抗拉强度时，裂缝就逐渐向上发展。 荷载型反射裂缝：行车荷载经过裂缝处的时候，在沥青面层中产生应力作用 可分为3 个过程：1 ) 荷载位于裂缝一侧时，裂缝两侧产生较大的相对位移，在沥 青面层中产生较大的剪切应力；2 ) 荷载位于裂缝顶面的时候，裂缝两侧无相对位 移或相对位移很小，沥青面层主要承受弯拉应力作用；3 ) 荷载驶离裂缝时，在面 层内产生与第一次方向相反的剪应力，在整个过程中受到两次剪切，一次弯曲， 而且是连续的。 反射裂缝的发展 传统的强度理论认为，当沥青面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的 极限抗拉强度的时，沥青面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青面层中的 反射裂缝从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展的阶段，即反射裂 缝在沥青面层厚度方向上的纵向扩展和沥青面层表面上的横向扩展幢1 。断裂力学认 为，裂缝的扩展有3 种模式；张开模式、剪切模式和撕裂模式。其中温度应力对 反射裂缝的影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝的主要模式是张开模式 和剪切模式。当荷载经过裂缝的正上方时，以张开模式来引起反射裂缝，当荷载 驶在裂缝之前或之后时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在沥青面层中一般 不会出现。 1 ) 反射裂缝的纵向扩展 温度型反射裂缝通常产生于沥青面层的底部，而后向上逐渐扩展到面层顶面。 r i g o 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，几乎是垂直 向上扩展的，但当气温非常低时，h a s s 认为，裂缝先产生在面层的顶面和底面， 而后向面层中间扩展口1 。对于正载作用下的张开模式所对应的反射裂缝，一般产生 于面层的底面并且在周期性荷载的作用下垂直向上发展。在偏荷载作用下，反射 裂缝以剪切模式在沥青面层中向上扩展，r i g o 等人对其扩展路径进行了分析，认 为裂缝在沥青面层中是沿4 5 。角的方向向上发展。当行车荷载和温度应力共同作 用时，r i g o 等人的分析结果显示，裂缝的扩展介于偏载应力和温度应力单独作用 时裂缝扩展路径之间，比偏载作用时的裂缝扩展的途经更垂直一些。 2 ) 反射裂缝的横向扩展 第一章绪论 3 通常反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度，除非在荷载和温度应力的 作用下，裂缝的长度已经等于或大于相对整个路面宽度的临界长度( 这里的临界 长度是指当裂缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且不稳定) 。较 为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后向两侧扩展。一般情 况下，反射裂缝多出现在裂缝处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内 的影响都是相同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在行车道上，尤其是在渠 化交通的路面上。 与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的侵 入、氧化及行车荷载的反复作用，常常使得反射裂缝加速向四周扩展，即使裂缝 贯穿整个路面宽度，但在不出现唧泥的情况下，也不会立刻影响到行车的舒适性， 而是会加速整个路面的破坏。因此，如果基层与面层之间采用有效的防裂措施， 就可以延缓反射裂缝出现在沥青面层顶面。 反射裂缝的力学分析方法 在反射裂缝产生和发展机理的理论分析方面，国内外研究者先后采用过静力 平衡模型、断裂力学模型、平面应变有限元模型、半解析单元力学模型、三维有 限元分析模型、断裂力学模型有限元分析方法、钝滞断裂带+ 有限元分析方法等。 由于本研究主要采用线弹性断裂力学理论分析反射裂缝的产生的原因和发展机 理，因此在这主要介绍线弹性的断裂分析方法。 众所周知，弹性力学理论假定整个构件的体积都被组成这个构建的介质所充 满，不留下任何空隙。这个理论可以分析一般的路面结构形式，但是对于存在裂 缝的结构，若采用基于连续假定的弹性力学假定，就会出现裂缝尖端的应力无穷 大，这显然是不可能的。因此，要想从本质上反映裂缝尖端应力场的奇异性，就 必须引入断裂力学理论。应用断裂力学分析反射裂缝问题，可以更好的反映路面 结构的实际受力状态。虽然研究者先后尝试过线弹塑性断裂力学、界面断裂力学 及疲劳断裂力学来分析反射裂缝问题，但是由于相应的断裂力学发展不是很成熟， 所以大多数的应用仍基于线弹性断裂力学理论。 1 9 7 6 年，美国德克萨斯州理工大学h u n g s u n ，c h a n g 和l y t t o n 等人h 1 曾用粘 弹性理论和断裂力学的方法分析了沥青罩面层内温度裂缝的情况。首先，他们用 粘弹性理论计算了罩面层和旧沥青路面的温度应力，提出了路面在温度应力作用 下裂缝形成和扩展模型：随后，用有限单元法计算了裂缝尖端的应力强度因子。同 年，美国m s l u t h e r 又用有限元法分析了行车荷载作用下路面的开裂模式。他认 为，在行车荷载下，任何罩面裂缝都将闭合。 1 9 8 0 年美国加州大学的m o n i s m i t h 和c o e t z e e 用平面有限单元法，以有效应 力为标准，研究了沥青路面开裂后在交通荷载和温度荷载作用下裂缝附近的应力 4 第一章绪论 分布，同时分析了橡胶沥青夹层在防止反射裂缝中的作用。他们认为，反射裂缝 主要是由于下卧基层开裂后的水平和垂直位移引起的。同时还指出，松软的中间 夹层具有削减裂缝尖端应力集中现象的潜力。 1 9 8 7 年，j a y a w i c k r a m a 运用断裂力学与弹性地基梁理论，并结合裂缝扩展的 p a r i s 定律预估了沥青罩面的疲劳寿命畸1 。1 9 9 3 年l y t t o n 等人在s h r p 计划沥青路 面性能研究中，应用断裂力学原理分析了沥青路面的开裂问题。 在国内也有大量学者进行了这方面的研究，主要集中在反射裂缝产生机理及 防治措施这两个方面。 同济大学周富杰在其博士论文中，对水泥路面沥青罩面的反射裂缝问题进行 了系统研究，采用三维有限元法和断裂力学理论，分析了沥青罩面的荷载应力及 在荷载作用下的应力强度因子，提出了车辆荷载引起的反射裂缝的产生、发展机 理。 郑健龙，关宏信等采用热粘弹性有限元理论，计算了在持续大幅降温条件下， 开裂水泥混凝土路面上沥青罩面层内温度应力场，总结了降温速度、降温幅度对 罩面应力的影响，分析了罩面反射裂缝产生的原因，同时探讨了土工格栅的防裂 效果副。 孙雅珍，赵颖华采用粘弹性有限元法，建立温度场与荷载场藕合作用的三维 有限元模型，模拟半刚性路面的反射裂缝发展情况，计算了平均损伤因子和裂缝 长度的改变量随加载时间和变温的变化，模拟了裂缝的实际扩展情况，得到了不 同加载时间和不同变温情况的粘弹性解口1 。 防治反射裂缝的措施 在防治半刚性基层沥青路面反射裂缝的工程实践中，我国已试验了多种防治 措施，涉及整个路面结构。这些措施大致可分为三类：第一类为改善沥青混凝土 罩面层性能，如增加沥青层厚度，采用改沥青及加筋材料，在混合料中添加聚酯 纤维等；第二类为设置中间夹层，如土工织物、玻璃纤维格栅、s a m i 层等；第三 类为设置防裂结构层，如沥青碎石或级配碎石等。 1 ) 增加沥青层厚度 通过增加沥青层厚度以防止基层反射裂缝，国际上通用的结论是需将沥青面 层增加至1 5 - 2 5 c m 。但是，单纯的增加沥青层厚度也存在弊端，车辙随着沥青面 层的厚度增加而增加。国内的一些工程实例也说明了这一点，如：广深高速公路， 路面总厚度为1 0 0 l l o c m ，这个结构当初是外商出于商业目的确定的，是不合理 不经济的结构，从现在的情况来看，表面车辙严重，其中，车辙最大深度达到1 7 m m 。 a r e 的研究报告中指出，无论是厚度为4 a m 的薄面层，还是厚达2 5 4 c m 的特厚罩 面层，都有不同程度的反射裂缝出现。顾强康等人阳1 认为单纯的增加沥青层厚度防 第一章绪论 5 治反射裂缝效果并不是很明显，而且还容易导致车辙的产生。 2 ) 铺设土工织物 八十年代初英国诺丁汉大学布朗教授经过三四年的试验和研究认为：将塑料 格栅应用于沥青路面他通过对比加铺和未加铺土工格栅的沥青面认为前者比后者 可以推迟疲劳裂缝出现达19 倍，可以减少车辙5 0 。在北美欧洲和远东进行的大 量足尺试验表明从减少反射裂缝和车辙的角度看，加铺土工格栅可以使路面结构 的使用寿命平均提高3 倍以上，就疲劳开裂而言可以延长使用寿命1 0 倍。 土工织物、玻纤格栅都对缓解裂缝有一定作用，但玻纤格栅是一种网格型材 料，其与沥青层间的接触点为点线接触， 但使用中难以固定，易于膨胀而不服贴， 其网格能与沥青混合料形成嵌挤作用， 影响沥青混合料的正常摊铺和其加筋作 用；同时玻纤格栅没有防水功能，上面层的水分渗入旧裂缝就会加快路面的破坏。 一般的土工布能防止水下渗，但是土工布在热沥青混合料摊铺温度超过1 7 0 时， 其强度和抗蠕变性能较差而无法发挥加筋抗裂效果。黄岩等人阳1 认为土工夹层材料 对于由基层水平位移引起的张开型裂缝能起到较好的防裂作用，但是，对于由基 层竖向错位引起的剪切型反射裂缝，织物夹层作用不明显。而且土工织物的防水 效果都比较差。 国内在此方面的应用已较多，如京唐( 北京一唐山) 公路、京哈( 北京一哈尔滨) 一级公路、津沽( 天津一塘沽) 公路、沪嘉( 上海一嘉兴) 高速公路等都采用了土工 布处理反射裂缝，效果还是比较明显。 3 ) 在面层和基层之间增加级配碎石层 在半刚性基层和沥青混凝土面层之间铺设一层半开级配的沥青碎石( a m ) 作 为裂缝缓解层，而半刚性基层作为下卧层，这种上柔下刚式的组合基层在很大程 度上能够防止和减少半刚性基层的反射裂缝，同时级配碎石基层还能充当具有排 水功能的基层。但是沥青碎石的孔隙率一般在1 0 左右，在路面结构内处于水容 易进去却不易排出的最不利状态。我国近年来的工程实践表明，沥青碎石层内极 易进入水分，并且会大部分集聚在沥青层与半刚性基层之间，同时由于沥青碎石 不用矿粉，沥青用量低，在长期的动水压力下容易产生剥落松散，而且也会冲刷 半刚性基层产生唧浆，大大降低路面结构的使用寿命。目前国内将级配碎石作为 半刚性基层与沥青层之间的中间层的设计尚不多见，但是在美国、澳大利亚以及 南非已作为减少沥青路面反射裂缝的措施获得了较多的应用，且效果较好。但与 其他方法相比，经济性较差。 4 ) 应力吸收层 s a m i 层防裂效果比玻璃纤维格栅和土工织物要好。但是，由于s a m i 层模量较 低，设置s a m i 层后，面层底部在非裂缝处也受到拉应力的作用，可能会引起路面 6 第一章绪论 疲劳破坏，为此沥青面层要有足够的厚度。 5 ) 提高沥青混合料的性能 提高面层沥青混合料的抗裂性能也是一种从面层自身考虑的防裂方法。如采 用改性沥青、在混合料中采用添加剂( 聚酯纤维、木质素纤维等) 提高混合料性 能、提高沥青用量、改善集料的级配等。符冠华等人n 们采用疲劳试验，研究了不 同类型沥青混合料对旧水泥路面水平位移产生反射裂缝的抵抗能力，结果表明： s m a l 6 明显比a c - 1 6 的抗反射裂缝能力强，采用改性沥青可以增强沥青混合料的抗 反射裂缝能力。 6 ) 基层预切缝 基层预切缝可以有效的解决半刚性基层过冬的问题，并且可以缩短工期n 。 但是采用预切缝后增加了施工的工序和难度。而且如果处理不好的话，不仅不能 够防治反射裂缝，而且有可能加剧反射裂缝的产生。 1 2 2 聚酯玻纤布的研究现状及工程应用 聚酯玻纤布( f i b e r g l a s s p o l y e s t e rp a v i n gm a t ) 是继土工布、土工格栅、 条带聚合物之后发展起来的一种新型复合土工合成材料。相关研究表明，所有以 聚合物为基础的产品均具有粘弹性，这与沥青混合料的特性类同，故与沥青混合 料都有良好的相容性。很多工程实践表明，玻纤格栅的孔径与沥青材料特别与上 层沥青混合料之间能提供很好的嵌挤作用，同时也能分散应力，但不能够防水： 土工布能防止水下渗，但是土工布在热沥青混合料摊铺温度超过1 6 0 时，其性能 可能不稳定；而聚酯玻纤布克服了这两者的缺点。 尹应梅等人n 2 3 对聚酯玻纤布进行了大量的试验研究，包含聚酯玻纤布本身的 试验、聚酯玻纤布复合沥青试验等，试验结果表明聚酯玻纤布具有良好的防治反 射裂缝的能力，而且加铺聚酯玻纤布后，沥青混合料的疲劳性能得到很好的提高。 李林键n 3 1 对聚酯玻纤布的作用的机理进行了分析，首先利用最大拉应力理论 及剪应力理论分别对荷载作用下和温度作用下在白改黑过程中加铺聚酯玻纤布 后，层底拉应力及剪应力的变化规律，研究结果表明，加铺聚酯玻纤布后，沥青 层层底的拉应力和剪应力明显减小。 聚酯玻纤布在国映j j l - 工程中已经得到了应用。国外工程实例：2 0 0 1 年8 月， 在美国的密苏里州堪萨斯州城沥青路面加铺中，采用土工织物与聚酯玻纤布防治 反射裂缝，截止到目前聚酯玻纤布的应用性能良好；2 0 0 1 年2 月佛罗里达州，湖 泊地区旧水泥混凝土路面加铺沥青中采用聚酯玻纤布防治反射裂缝，调研显示， 加铺聚酯玻纤布的沥青路面两年后基本上没有裂缝出现，而未加铺的在3 个月内 就出现不同程度的裂缝。还有怀俄明州，阿肯色州，俄亥俄州等都有了应用。 第一章绪论 7 国内的工程实例主要有：1 ) 沪宁高速公路镇江支线改建工程试验路采用聚酯 玻纤布防治沥青路面的反射裂缝。截止到2 0 0 5 年底，铺设聚酯玻纤布路段使用状 况良好，而未铺设聚酯玻纤布的路段三个至六个月均出现裂缝；2 ) 沪宁高速拓宽 改造n 钔主要使用场合为，新、老半刚性基层纵向拼接缝：新、老半刚性基层的收缩 裂缝：旧沥青混凝土路面的横向反射裂缝：旧半刚性基层的纵向裂缝。通过钻芯取 样发现聚酯玻纤布与沥青混凝土下面层、稀浆封层两个结构层均能很好地粘结在 一起，有机地结合形成整体；3 ) 蒙蚌高速公路改造n5 1 。聚酯玻纤布用于半刚性基 层横缝，经过2 0 0 3 年到2 0 0 4 年的观察，聚酯玻纤布比玻纤格栅能更有效地防止 反射裂缝，防止雨水下渗，与沥青混凝土的粘结力好，并有良好的耐高温性，整 体性强，抗拉强度高、耐久性好等优良的物理力学性能。其他工程还有汤吞高速、 铜汤高速、淮盐高速、宁淮高速公路、蚌宁高速等。 综上所述，无论是理论研究还是实践工程都表明，聚酯玻纤布可以有效的防 治或延缓半刚性基层沥青路面的反射裂缝。 1 3 本文研究内容 本文在总结和吸收前人对聚酯玻纤布研究成果的基础上，基于断裂力学原理 对加铺聚酯玻纤布夹层后裂缝的形成和扩展进行了分析，利用通用有限元软件 a n s y s 对加铺聚酯玻纤布的路面结构进行数值模拟，分析聚酯玻纤布的防治反射裂 缝的作用机理，主要研究内容包括： 1 基于断裂力学原理，利用a n s y s 分析了在基层和沥青层之间设置聚酯玻纤布， 行车荷载作用下裂缝尖端应力强度因子的变化规律及各个参量对应力强度因 子的影响。 2 基于断裂力学原理，利用a n s y s 分析了在基层和沥青层之间设置聚酯玻纤布， 温度荷载作用下裂缝尖端应力强度因子的变化规律及各个参量对应力强度因 子的影响。 3 基于弹性力学原理，综合考虑温缩和干缩作用后对蒋兴军等人提出的预锯缝计 算公式就行了修正，并且对锯缝时间和锯缝深度等问题做了初步研究。 4 通过室内试验研究，分析设置聚酯玻纤布夹层后层间剪应力的变化及其聚酯玻 纤布防治反射裂缝的能力。 5 结合重庆外环高速公路的试验路，提出了聚酯玻纤布的施工工艺。 8 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 2 1 断裂力学的基本理论 2 1 1 概述 断裂力学在道路结构中的应用包括混凝土的断裂力学和路面断裂分析两大方 面的内容n6 1 。其中，路面断裂分析的目的是合理设计路面结构，降低路面裂缝尖 端的应力强度因子，减缓路面裂缝的扩展速率，延长路面使用寿命。断裂力学就 其力学研究方法而论，可简单的分为线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学。其中， 线弹性断裂力学是断裂力学发展相对成熟的一个分支，它以弹性力学的理论为基 础，将裂缝作为边界条件来处理通过分析裂缝附近的应力场、位移场来分析带裂 缝结构的承载能力。目前，沥青路面开裂分析中基本上采用线弹性断裂力学，可 以计算分析沥青路面在交通荷载及温度荷载作用下的开裂机理及各种防裂措施的 原理，并引入应力强度因子。应力强度因子表示外载作用下弹性构件裂缝尖端的 力学性状，把影响裂缝尖端性状的各种因素( 包括路面结构、材料、裂缝形式和外 荷载作用等) 综合为裂缝尖端应力应变强度集中表现出来，并以具体数值表示不同 裂缝尖端趋向开裂的严重程度，即应力强度因子越大，沥青加铺层出现开裂破坏 的可能性越大。 在断裂力学中，按裂纹受力情况的不同，裂缝的扩展有3 种模式；张开模式 ( i 型) 、剪切模式( i i 型) 和撕裂模式( i i i 型) u 。其中，张开型裂缝受垂直于裂 纹面的拉应力作用；剪切型裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹前缘的剪应力作用； 撕裂型裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹前缘的剪应力作用。如图2 1 所示： 移彩钐 a 张开型b 剪切型c 撕裂型 图2 1 裂缝扩展模式 f i 9 2 1c r a c ke x p a n dm o d e 其中温度应力对反射裂缝的影响模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝的主 要模式是张开模式和剪切模式。撕裂模式一般在道路结构中不会出现。 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 9 2 1 2 应力强度因子的计算方法 目前求应力强度因子的方法有解析法、数值解法和试验标定方法等，解析法 只能计算简单的问题，对于大多数问题需要采用数值解法，当前工程中广泛采用 的数值解法是有限单元法。由于计算机容量和费用的限制，对于复杂的问题用数 值解法仍然存在困难，可通过光测弹性力学实验方法或其它方法测定。位移外推 法在有限元单元法中是一种相对比较简单而又精确地方法，因此本研究采用位移 外推法推算裂缝尖端的应力强度因子。以i 型裂纹为例简要论述了位移外推法的 求解过程。 i 型裂纹尖端附近的位移公式，如式( 2 1 ) ，式( 2 2 ) ，式( 2 3 ) 所示。 姒啪) = 华易产1 ，2 ( 2 1 ) 胛) = 扭- 1 ) c o s 罢一s 詈】 ( 2 2 ) 删) = l ( 2 k + 1 ) s i n 争n 予 ( 2 3 ) 尼：兰尝 平面应力状态 1 + 元 一一 k = 3 4 a平面应变状态 式中，p 一裂缝尖端附近的极坐标； “，v 一位移分量； e 一弹性模量； 五一泊松比； 2 甜 甜22 v k ，i 型应力强度因子。 先用有限元求出位n u ，然后沿裂纹面取不同的，值，算出相对应的k ，值， 1 0 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 作k ，一二w 曲线，其中，w 为板厚。然后将曲线直线延长，使它与纵坐标相交，交点 的纵坐标值就是对应k ，值u 引。 2 2 行车荷载作用下的力学分析 行车荷载引起反射裂缝的主要模式是张开型和剪切型。当荷载作用在基层板 的一侧，基层板在裂缝两侧产生相对竖向位移差，沥青面层中的剪应力增大，造 成剪切型反射裂缝；当荷载作用在裂缝顶面，由于在裂缝处的基层板不能够承受 拉应力，所以裂缝处顶面沥青面层的弯拉应力最大，最容易引起弯拉型反射裂缝。 断裂力学主要就是分析荷载作用于裂缝顶面和裂缝一侧时，应力强度因子的变化。 2 2 1 基本假设、计算模型及参数 基本假设 考虑到有裂缝基层路面结构的实际工作状态，提出以下简化的假定： 1 )路面各结构层均为无限大的线弹性体，且层间处于半连续状态，即基层与土 基之间保持连续，而聚酯玻纤布与基层及沥青层之间考虑层间接触的影响； 2 ) 横向裂缝贯穿于路面基层的整个宽度，且所有裂缝面均为自由面； 3 ) 路面上层表面作用有垂直均布荷载，在无限远处和无限深处应力及位移均为0 。 4 ) 不计自重。 计算模型 用有限元a n s y s 求解应力强度因子时，将铺有聚酯玻纤布的半刚性基层沥青 路面结构近似看做平面应变问题的四层体系，即将聚酯玻纤布处理为一独立的结 构层，采用可以正确反映出裂缝尖端应力场的奇异性的奇异单元p l a n e 8 2 模拟沥 青层，而聚酯玻纤布采用可以考虑厚度的影响的壳单元s h e l l 5 1 模拟n 。1 。假定在 半刚性基层中有一穿透裂缝，且裂缝已经扩展至沥青层内。荷载为0 7 m p a ，作用 半径为0 1 5 m 。假定裂缝宽度为l c m 。采用路面结构形式及参数的变化如图2 2 和 图2 3 所示。从图中可以看出路面结构是对称的，因此采用有限元分析过程中， 可取整个路面结构的一半建立对称模型。 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 1 1 土基 图2 2 正载作用下计算简图 f i 醇2 c o m p u t i o n a ls c h e m ea b o u ts y m m e t r yl o a d 土基 图2 3 偏载作用下计算简图 f i 醇3 c o m p u t i o n a ls c h e m ea b o u ta s y m m e t r y l o a d 参数取值 沥青面层模量e 1 = 1 0 0 0 3 0 0 0 m p a ，“= 0 2 5 ，厚度啊= o 1 5 0 3 0 m ，基层 模量e 2 = 1 0 0 0 3 0 0 0 m p a ，h 2 = o 3 o 6 m ，2 = 0 2 5 ，土基模量e 3 = 5 0 m p a ， ，= o 2 5 。夹层材料分别采用聚酯玻纤布、土工布及玻璃纤维格栅，在力学分析 时，模量的取值分别为9 1 7 m p a 、5 0 0 脱砌、3 0 0 0 m p a 1 3 1 ，当设置夹层时，层间 接触条件均采用切向劲度系数表示。k 。，= k 。，= 1 0 8 m p a m 表示层间完全连续啪1 ， k 。= k 。，= 1 0 o m p a m 表示层间完全光滑。裂缝扩展深度1 1 0 c m 。试验测得聚酯 玻纤布与沥青层的切向劲度系数k s ，= 1 3 7 2 m p a m ，聚酯玻纤布与基层的切向劲度 系数段，= 1 1 2 m p a m 。 裂缝尖端处的网格模拟 在断裂模型中最重要的区域，是围绕裂纹边缘的部位。在2 d 模型中裂纹的边 缘称为裂纹尖端。在裂纹尖端附近( 或裂纹前缘) 某点的位移随，而变化，r 是裂 纹尖端到该点的距离，裂纹尖端处的应力与应变是奇异的，随l ，变化。为选取 应变奇异点，相应的裂纹面需与它一致，围绕裂纹顶点的有限单元应该是二次奇 异单元，其中节点放到i 4 边处。如图2 4 所示。裂缝尖端的网格划分如图2 5 ， 2 6 所示。 2 第一章聚酯玻纤布防 f i 嘶青路面反射裂缝的力学分析 ? 一一0 。一? j j黪j ：m 7 i - 。尊目一 。 、1 o 7 荷载及变形图 对称荷载和非对称荷载作用下的应力图及位移图，如图27 一图2 1 0 所示。 图27 对称荷载作用下的应力囤 f i 9 2 7s t r e s s i ns y m m e t r y l o a d 蠹 d _ _ - _ _ 一 蓥乏，曩豳 图28 对称荷载作用下的位移图 f i 9 2 8 d i s p l a c e m e n t i ns y m m e t r y l o a d 第二二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 1 3 。“。- 一_ ? 。 匿29 非对 g 荷羲作用下的应力圉 f i 9 2 9s f x c s s i n a s y m m e t r y l o a d 固21 0 非对称荷戢作月t 蛔位端圈 f i g21 0 d i s p l a c e m e n t i n a s y m m c t “d l o a d 2 2 2 结构参量对应力强度因子的影响 交通荷载作用下影响裂缝扩展规律的因素主要有面层厚度、面层模量、基层 厚度、基层模量、荷载作用位置及层间接触状态等，本文分别计算了以上参数变 化对应力强度园子的影响，而且还分析了聚酯玻纤柿自身的参数变化引起的应力 强度因子的变化规律。 面层厚度的影响 沥青层厚度问题是道路研究者关注的焦点之一，本文分别计算了在f 载和偏 载作用下，增加沥青层厚度，裂缝尖端的应力强度因子的变化规律，结果如图21 1 ， 图2 1 2 所示。 i o0 inzd 30 目4 - ， 图21 1 正荷载作用下沥青层厚度与k 关系 f i 9 2i i r e l a t i o n o f s u r f a c e t h i c k n e s s dk l i ns y m m c t r y l o a d 、 ：! ：”2 l 心 圈21 2 偏荷载作用沥青层厚度与k j i * 系 f 】口1 2r e l a l i o no f s u r f a c c t h i c k n e s sa n dk i n i r y l o a d 从图中可以看出正载作用下，与未殴置央层相比，设罱聚酯玻纤巾夹层后 。”、frr - 1 4 第二章聚酯玻纤布防治沥青路面反射裂缝的力学分析 应力强度因子减小约4 0 0 5 ，而且随着沥青层厚度的增加，张开型应力强度因子k ，呈 现减小的趋势；偏载作用下，无论是否设置夹层，剪切型应力强度因子k n 都基本 逐渐减小，但是当沥青层厚度大于0 2 m 时，设置夹层对应力强度因子k 的影响 不明显。总的来说，设置聚酯玻纤布夹层可以有效抑制荷载型裂缝的扩展。 面层模量对应力强度因子的影响 沥青混合料是一种温度敏感性材料，在不同温度下，其模量的变化差异很大， 因此，本文沥青层模量的变化范围为1 0 0 0 m p a 一- - 3 0 0 0 m p a 从图2 1 3 中可以看出， 当未设置夹层时，k 随着模量的增加呈线性增加，这也意味着裂缝在冬季( 模量 高) 扩展速率要明显大于夏季( 模量低) ，而设置聚酯玻纤布夹层后，k 远小于未 设置夹层的路面结构，而且k 的扩展速率也变慢。从图2 1 4 中不难看出，k 随 沥青层模量的增加，变化幅度很小，而设置聚酯玻纤布夹层，随着沥青层模量的 增加，k 逐渐增加。当沥青层模量 3 0 0 0 m p a 时，聚酯玻纤布基本不能有效抑制剪 切型裂缝。 图2 1 3 正荷载作用下，沥青层模量与k i 关系 f i 9 2 1 3 r e l a t i o no f s u f f em o d u l a ra n dk i i ns y m m e t r yl o a d 图2 1 4 偏荷载作用，沥青层模量与k u 关系 f i 9 2 1 4 r e l a t i o