（道路与铁道工程专业论文）刚柔复合式路面结构分析研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着旧水泥混凝土路面改造工程以及新建道路中复合式路面结构的 不断推广，路面结构中出现了一些较为普遍的病害，严重影响了交通，也给维修 工作带来了很大困难，造成了巨大的经济损失。因此急需制定出一套指导复合式 路面结构设计与施工的规程，但由于复合式路面结构的复杂性，至今还没有形成 成熟的复合式路面结构设计方法 本文详细总结了国内外复合式路面的研究概况，针对复合式路面结构的各种 病害进行原因分析，进而提出复合式路面设计的相关指标。 在此基础上，用a n s y s 对复合式路面结构进行全方位的力学分析，在分析过 程中，综合考虑了水泥混凝土板厚度、沥青层厚度、水泥混凝土板模量和地基层 模量等各种因素对路面结构的力学性能影响，得出加铺沥青层后水泥混凝土板板 底弯拉应力的变化规律以及沥青层应力的变化规律。 对复合式路面结构进行温度梯度分析，再据此分析复合式路面结构的温度应 力变化规律。结合上述分析结论，提出刚柔复合式路面结构的寿命预估模型，并 计算分析敏感性因素对极限寿命预估的影响。 最后参照几种路面结构设计方法提出复合式路面结构的设计方法。 关键词：复合式路面；有限元方法；荷载应力；温度应力；寿命预估模型； 设计方法 h 僦e my e m 。柚t h eo l dc 呲t cp 利a n c n t 袖a ：b i l i 切t i o n 趾dc o m p o s i 伦 p a v e m e n l 殴m 咖砖e x p 龃d 删肌s i yi n 肿w a d ，黜p 蝴m i l i 呜d i s e 8 s c 哪_ e d p a v e m e n tm u c t i l 坞，砌c hi n n u c n 蛐谢s l y c 孤鲥斌n o u b l ct o m a i n t 锄锄dh u g e o m i cl o 鼢a 鲫嘶so f 砌n d a i ds p e c i 丘c a t i s 细d e s i 弘柚d 咖砒r i l c 【妯o f c 咖p o s i t ep l v a n e n t 鲫髓b ee s t a t n 出c d 鼬e a d y 躺p o s s i b k ，b a u 辩o f t h ec 伽叩l e x i t ) ro fc 咖p o 舭p a 州斌i t 咖咖r e u pt o ws t 】mc a n tf o 皿砒m a i i l r e d s t m c h l l ed e s 咖m e t h o do n 锄p o s i t ep a v 锄c n ts 打i l c n l ht h i sp a p m e 啪辩sa a 舶l y z e d 扯c o 幽gt om cv a i i 伽sm s e a 辩t y | p c so f c 1 p o s i t ep a v 咖e n ta i l d 血ci n d e x e sf o ri t sd e s i 俨mp s c i l l e d t h cb a d 8o f t h e 咖d y h i e w m l 舶t s 姚h 咖舱孤d 址枷 0 nt h i sf o 衄d a d ，血i sp a p 髓强a ：i y z c d 山em c c h m i c a lp p e r t i c so ft h cp a v e 咄m t a l l 刎懈珂8w i ma n s y s ，血r i n g 粗啦p m s s ，c s i d 盯v a i i sf 酗d ro ft h e m h 锄j c a lp 加炉m e si n n l l 朗c eo fp 列舶c n ts 协l c t i l g 眈v a i i e 锣哪l a n o f 也c i cb c n d p u ns t 咒s s 姐d 也ea s p h a l tl a y 盯蛐s s ，a f 蛔p 孙r i n ga s p ：h a l tp 嗣l v i 粗c m i h e o l dc c r e 耙p i w 伽a t a 加l y z e dt h et e m p c 咖砖零a d eo ft h ec 0 咖炉舭p l v 伽n e n t ，觚d 蛆a l y z e d 山c k m p e 咖l m 武档憎l i e l y 船g i l l a t i o no ft h c 伽p o s i 把p a v d n e n t b a s c d l h e a ：b o v e - m 咖曲e d 孤由血a 1c o l u s i 阻sb d n g sa 姗油0 do fp 似i i c 6 n gl 如r i g 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的表面。水泥混凝土下面层部分作为路面的主要承载部分，为沥青混凝土上面层 提供了可靠的支持，使弯沉、车辙减少，并能相应减少沥青混凝土上面层所需厚 度。而沥青混凝土上面层能提高路面舒适性，降低噪音，缓解荷载对刚性部分的 冲击，减少水泥混凝土下面层的荷载疲劳应力和温度疲劳应力，因此这种类型的 复合式路面是一种使用性能良好的结构形式。复合式路面作为一种新型的路面结 构形式，在国外道路上的运用已经有相当长的一段历史。在我国，随着现有的大 量水泥砼路面、机场道面有部分已经接近或超过设计年限，已经达到疲劳寿命的 路面需要改建；未达到使用年限的，由于原路面标准低及交通量的增加，使得原 有路面的通行能力不能满足现有车辆增长的状况，而且轴载的重型化使路面整体 性能下降，不能提供较好的服务水平，不能适应国民经济的快速发展，需要改造 或加宽。因此在旧混凝土路面上补强沥青层构成复合式结构，能够提高路面的承 载能力，消除原有路面接缝的不利影响，改善路面使用性能，适应交通量的增长 需要，增强道路的服务水平。刚柔复合式路面的出现受到了普遍欢迎。 另外，由于经济发展的不平衡和路用材料的不足，影响了许多地区的公路建 设。复合路面一方面可以减少沥青用量；同时对下层的p c c 材料要求也可适当放宽， 能充分利用当地的材料，或掺加粉煤灰、低标号水泥、地方非规格集料，也可不 考虑抗滑、耐磨等性能，使得造价降低因此，许多地区在建设新路时也在逐步 考虑采用复合式路面。 尽管复合式路面在国外有悠久的历史，但由于在水泥混凝土板上加铺沥青层构 成的新型路面结构是一种复合结构，比较复杂，至今还没有形成成熟的复合式路 面结构设计方法，从工程实例来看，目前水泥混凝土板加铺沥青层后的路面早期 损坏现象主要有以下特征 高温车辙及变形这种病害在高温地区、交通量大及超载、重载路段是最 严重的沥青路面破坏形式。 路表开裂。在寒冷地区，沥青路面的开裂普遍存在。这些开裂包括沥青上 第一章绪论 2 面层本身的温缩裂缝和由水泥混凝土板接缝处产生的反射裂缝。在雨季及春融季 节，大量的水从裂缝中渗入路面基层，会使路面的承载能力逐渐下降，反过来又 会造成路表面早期损坏。 水损害破坏。在多雨地区的雨季或季节性冰冻地区的春融季节，路表面常 常出现局部卿浆、松散、脱粒，最终导致出现大面积坑槽，若沥青面层混合料透 水和蓄水，这种病害就会普遍存在，成为路面最严重的早期损坏形式。 基于以上原因，国内外先后开展了复合式路面的结构设计与理论研究，但至 今尚没有提出成熟的结构设计方案，缺乏对复合式路面结构破坏理论系统的探讨 和研究我国现行路面设计规范中也没有关于复合式路面结构设计的成熟理论。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对沥青加铺层设计还没有形成统一的方法。由于沥青混凝土层在 水泥混凝土板的接缝处最易破坏，很容易引起浸水、沥青剥落、基层受损等一系 列破坏，导致路面结构的承载能力不足而提前破坏。因此，大多数对沥青加铺层 设计主要集中在如何控制反射裂缝的问题上。对加铺层的力学分析，国外以美国 为主，在二十世纪5 0 年代提出了加铺层厚度的计算方法，二十世纪8 0 年代根据 实际的使用情况，对原有的计算方法进行了修正。我国沥青路面设计规范以旧水 泥混凝土板接( 裂) 缝处平均弯沉、弯沉差作为设计指标来预测沥青加铺层疲劳 开裂寿命，进行沥青加铺层厚度设计；在上世纪末，同济大学、东南大学、西安 公路学院、长沙交通学院先后对加铺层应力计算问题进行了一系列研究，取得了 一定的成果。 1 2 1 国外研究现状 对于水泥混凝土+ 沥青混凝土复合式路面，在国外研究和应用较早，2 0 世纪三 十年代英国修建了连续配筋混凝土( c r c ) 层上加铺沥青层的路面结构，4 0 5 0 年代 被应用到一些城市道路上，1 9 5 7 年在伦敦和丹地附近修建了试验路，1 9 8 5 年修建 了长达8 k m 的路面。 1 9 8 6 年，法国格勒诺布尔尼斯之间的罗纳一阿尔卑斯地区，8 5 号洲际公路 修复坍方路段中，新路使用聚苯乙烯修建轻质路堤，其上配置双层钢筋网浇筑加 固混凝土板，长6 0 m ，每5 m 设置一条承压缝，混凝土板宽8 4 m ，试验路段纵坡 度9 ，首先在板上喷洒沥青乳液，并铺设土工织物，然后铺筑4 c m 5 锄厚的沥 青磨耗层。由于织物和土工布很好的粘结在一起，因而具有很好的抵抗低温裂缝 的能力。美国近年来在高速公路拓宽中，把新铺并表面拉纹的水泥混凝土路面作 为承重层，其上铺筑沥青混凝土，收到良好效果。碾压混凝土a r c c ) 加沥青混凝土 ( ( a c ) 复合式路面结构的修筑是近年发展起来的。1 9 8 5 年西班牙某高速公路拓宽车 第一章绪论 3 道的施工，在基层为1 5 c m 厚的水泥稳定层上铺筑了厚2 3 锄厚的碾压混凝土层， 碾压混凝土上加铺了5 锄厚的热拌沥青混合料。安达卢西亚高速公路上，设置了 2 0 c m 的水泥稳定层，其上铺设了2 5 锄厚的碾压混凝土，为了养生和兼作粘油层， 洒布了沥青乳液，上层铺设了6 锄沥青混合料联结层和4 c m 沥青混凝土为了防 止反射裂缝的产生，在联结层和表层的沥青混凝土之间，使用了起加固作用的土 工材料。1 9 8 4 1 9 8 6 年间，西班牙在高等级干线公路上，将r c c 作为路面下层， 上层铺筑沥青层，铺设面积已达3 0 1 0 5m 2 。1 9 眇1 9 9 1 年西班牙在马德里通往 法国边界的高速公路上，修筑r o c + a c 复合式路面，采用双层式a c 层厚达1 2 c m 。 1 9 趵年1 月澳大利亚p i 血市在水泥稳定基层上修筑了r c c + a c 复合式路面。巴 西一些城市在市区承受中等交通和重交通的道路上成功修筑了复合式路面。 1 9 踮年日本在某停车场对r ( c 作为沥青混凝土下层的适应性进行了研究，并 将这种结构形式写进了1 9 9 0 年6 月出版的碾压混凝土路面技术指南( 草案) 中， 根据日本铺装杂志1 9 9 3 年报导，在山阳高速公路河内至西条段修筑了9 l 的 水泥混凝土( c c 卜沥青混凝土( a c ) 复合式路面试验路，共1 1 种结构类型，路面下 层为不同厚度的连续配筋混凝土( c r c ) 或碾压混凝士( r c c ) ，上层为1 0 c m 双层式沥青混凝士或5 c m 单层式沥青混凝土。 英国关于c r c + a c 的设计己载入道路指示2 9 号，这是目前唯一由国家机 关颁布关于此类路面的设计方法。道路指示2 9 号指出，当应用最小的沥青面 层厚度9 c m 时，等效于有缝混凝土板厚2 5 c m 。嘶g o r y 建议的相关计算法偏于 保守，对于厚1 0 锄的沥青面层，c r c 的板厚比c r c p 路面厚减少1 7 鼬2 c m 。 英国道路学者认为，在结构上保持薄的面层更为有利，因为混凝土板的刚度远大 于沥青面层，而且承担较大的汽车荷载，另一方面，他们认为应用小于l o c m 的沥 青面层在实践上比较困难，因而此时要省去联结层或用较小粒径的集料，这对层 间结合是不利的。薄的沥青面层减少了隔热作用，而当面层厚度小于4 c m 时，其 隔热作用则可能完全没有。在c r c + a c 结构中，较单一的c r c 路面可节省约3 0 的钢筋量，并减少板的温度位移，从而使板的自由边位移减少，可不需锚固，极 大的减少了经费。 在美国，c r c + a c 复合式路面结构形式较多用于旧路维护阁，卯年代就用沥 青加铺层来修复p ( = c 、c r c 路面，用以改善荷载承受能力，提高路面的表面性能。 另外有许多针对层间结合状态的研究，2 0 0 2 1 0 2 3 1 0 美国威斯康星州交通部进 行了一项研究课题，评估热拌沥青混凝土界面粘结性能。在新泽西州的亚特南大 市，联邦航空管理局的国家机场道路设施试验场利用f w d 来分析层间的界面结合 损害翻，其根据是损害和未损害的路段，表面的回弹模量相差很大，可以用肿 来求得回弹模量确定层间结合状态的损伤程度，但当路面较厚时，层间结合状态 第一章绪论 4 对回弹模量的影响则可以忽略，因此需要寻找其他的丧失粘结性能所产生教果。 为了确定层间结合状态丧失所产生的效果，需使用界面径向应力作为比较的基础。 利用界而上和界面下的径向应力的代数差来求得。尽管该项目原意只是考虑沥青 混凝土内部发生层间滑移，但可以借鉴分析不同材料间的层间结合状态。 对于连续配筋混凝土( c r c ) 复合式路面的设计理论与设计方法，国外一些公 路工作者进行了一些有益的探索性计算与分析。英国g 堍o r y 曾建议将c r c + a c 复合式路面的c r c 层厚与a c 作相关计算，用弹性理论分析计算沥青表层复合结 构的作用。日本将沥青层表面作用的荷载按4 5 度角扩散到混凝土板上，按阿灵顿 半经验公式计算板底应力。前苏联则按应力扩散角考虑沥青层的影响之后，用弹 性地基上无限大板计算板的荷载应力。h t h 盯等人运用线弹性断裂理论对这一问题 进行计算和分析，并进行室内试验验证，提出反射裂缝增长速率的计算模型。 m a j i d 豫d c h 等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了分析，认为这种 路面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲产生的，并提出 了计算面层拉应力的方法。b f 忍n c k 等人分析研究了因温度变化罩面层底部引起 拉应变及车辆荷载通过接缝时，两块板产生挠度而引起罩面层剪应变。n a n j i m c h 等人应用三层弹性理论对此进行求解，并考虑了应力消解层的效应。c c l 跚w r t 利用有限差分法对沥青加铺层进行荷载和温度综合作用下的力学分析。1 9 鼯年， t ，勋孤曲岫朗等人用二维有限元计算了p ( 、c a c 复合式路面结构接缝的传荷能 力，分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力、最大弯沉和最大剪应力，接缝处 引入杆单元和梁单元。1 9 如年，m a h m o i l d 等人对水泥混凝土基层上的沥青层利用 八面体进行了分析研究，提出了沥青层的临界厚度 1 2 2 国内研究现状 在我国，。七五”期间，开展了我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研 究( 国家科技引导性项目n o 0 2 5 ) 的研究，其中对水泥混凝土( 双层板) 复合式路面 设计理论与方法进行了研究；“八五”期间交通部科技立项，长安大学( 原西安公路 交通大学) 、全国水泥混凝土路面技术委员会、河南省交通厅、安徽省高速公路管 理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究所等单位承担了碾压混凝土与沥 青混凝土复合式路面修筑技术研究，对r c c + a c 复合式路面从设计理论、设计 方法与参数选用到施工技术进行了深入的研究，取得了一定的成裂q f 7 】嘲嘲；同时 长安大学承担了碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法研 究1 9 9 3 年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学的俞建荣等对碾压水泥 混凝土+ 沥青混凝土复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究咖【i ”。国内近年来 对r c c + a c 复合式路面研究较多，并在全国修筑了较多的工程实体，但这些实体 工程的使用情况并不理想，最近应用的工程较少。 第一章绪论 5 对于复合式路面的理论计算，我国也分为弹性层状体系法和有限元法。长安 大学的王秉纲、胡长顺等对碾压水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计理 论与方法进行了系统研究，采用八节点等参元【l 习对复合式路面的荷载应力与温度 应力进行了计算与分析，研制了i i 盘界荷位时板底最大应力计算诺谟图，结合室内 试验、试验路及实体工程的研究，提出了复合式路面结构设计方法。长沙理工大 学的李宇峙、张起森等用线弹性断裂力学理论【明进行沥青加铺层厚度设计。同济 大学、空军工程学院等应用空间等参元、层状体系理论、断裂力学等对册a c 复合式路面结构进行了初步分析 对于粘结层抗剪强度，长安大学的胡长顺教授【i 埘和北京建筑工程学院的高金 歧【l 习等先后进行过粘结层的层问剪切试验，原理大体一致，只是试验的仪器，材 料和试验条件有所区别。 目前国内水泥混凝土路面使用情况并不理想，很多工程出现了早期损害现象， 在重交通、雨水等因素的综合作用下，水泥混凝土板损坏严重，许多地方正在进 行旧混凝土路面的改造，其中直接加铺沥青面层是国内外的一种常用的加铺方式， 对其设计理论与设计方法也不完善。长沙交通学院与湖南省高速公路管理局于 2 0 0 2 年1 2 月完成的“旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺设计及应用研究”2 0 0 2 年通过湖南省科技厅组织的课题鉴定，提出一套设计方法与修筑技术，对全国的 旧水泥混凝土路面改造具有指导意义。 我国规范( j t gd 4 p 2 0 0 2 ) 中沥青混凝土加铺层厚度设计方法是建立在控制水 泥混凝土下面层的荷载疲劳弯拉应力盯。和温度疲劳弯拉应力之和不超过混凝 土板的抗弯拉强度的基础上的【1 日。计算的临界荷位为下面层的纵向边缘中部。结 构设计前先对旧路面损坏状况和接缝传荷能力进行评价，等级为中或优良时，可 采用沥青加铺层。以旧水泥混凝土板接( 裂) 缝处平均弯沉、弯沉差作为设计指 标来预测沥青加铺层疲劳开裂寿命，进行沥青加铺层厚度设计，没有考虑温度应 力对反射裂缝的影响，对沥青罩面层厚度的设计仅提出了不同交通量等级下适宜 厚度范围。另外，规范中没有针对新建公路中采用复合式路面结构的设计方法， 这不利于复合式路面结构的今后发展。 总的来说，在国内复合式路面结构方法研究中，以弹性层状体系理论为基础 的沥青面层设计法，由于理论上采取了半无限的假定，往往不能考虑接( 裂) 缝等 受力不利的位置，提出的设计标准实用性较差，脱离不了柔性路面设计的影响。 此外，该理论无法真正考虑刚柔两类材料的复合，只能简单地视为两种弹性材料 的叠加，不能够很好地考虑水泥砼和沥青砼两种材料受力特性上的差异，对两种 材料的界面考虑只能用古德曼模型，无法体现两种材料复合的优越性。而且，依 此理论计算的沥青面层厚度往往偏厚，和实际应用有较大的差距；而以断裂力学 第一章绪论 6 为基础的设计方法，虽能够很好地考虑裂缝初期发生、发展情况，但由于道路材 料的断裂力学参数难以确定，并且在已经产生贯通裂缝的道面上铺筑沥青面层时， 裂缝尖端的奇异应力已经消失，用断裂力学来考察己没有优越性。实际应用存在 一定的困难。 综上所述，国内外设计方法的共同点是，基于一定的破坏理论，在试验路的 基础上提出的经验法。“重防治，轻设计”，以实用为指导思想。缺乏对沥青面 层破坏理论系统的探讨和研究。未能形成通用的设计理论。 1 3 课题研究意义和主要内容 1 3 1 研究意义 随着计算机技术的不断发展，使运用先进计算手段模拟、分析各种复杂路面 结构设计问题成为可能，因此，运用数值分析方法，借助大型有限元分析软件a n s y s 研究适合我国国情的水泥混凝土板加沥青上面层的复合式结构与性能己成为一个 迫切需要解决的课题，同样也是高速公路建设以及旧水泥混凝土路面改造必须首 先解决的问题。因此，本课题的主要目的是希望通过本次研究，能够对今后高速 公路复合式路面结构设计起到很好的借鉴作用，有力地推动高速公路建设的发展。 1 3 2 研究的主要内容 本文研究的主要内容有； 总结复合式路面结构的各种病害并进行原因分析，再根据结构常见的破坏类 型，提出复合式路面设计的相关指标，并作为复合式路面结构分析的主要研究指 标； 对复合式路面进行荷载应力三维有限元分析，综合考虑各种因素的影响，得 出加铺a c 层后p c c 板板底弯拉应力的变化规律以及a c 层应力的变化规律； 对复合式路面进行温度梯度分析，得出加铺沥青混凝土层后对水泥混凝土板 的影响，再据此分析整个复合式路面结构的温度应力变化规律； 结合上述分析结论，提出p c c + a c 复合式路面的寿命预估模型； 提出复合式路面结构的设计方法 第二章结构病害原因分析与设计指标 第二章结构病害原因分析与设计指标 7 2 1 复合式路面病害原因及分析 复合式路面病害的表现形式多种多样，本章首先介绍一下其主要病害的表现形 式，并先对其原因作定性分析；然后，根据不同的破坏类型，从力学方面定量给 出设计指标，以便作为接下来复合式路面结构分析的主要研究指标。 2 1 1 国内复合式路面病害现状 由于复合式路面结构的复杂性，虽然在“八五”期间西安公路交通大学、同 济大学等科研单位做过不少的理论研究，但实体工程较少，仅有少数几个省份做 过尝试，如河南、陕西等省，而且使用情况都不太理想。接下来本文就河南省的 几条刚柔复合式路面的病害状况进行分析介绍。 河南地处中原，承东启西，连南贯北，有着得天独厚的地理区位优势。国家 高速公路网规划中的“五纵七横”国道主干线中的最重要的一纵一横一京珠和连 霍高速公路在河南呈“十”字交又，在该省长达1 0 0 0 多公里；1 0 4 条共1 9 0 6 8 公 里的国、省道在此纵横交织。河南在国家的战略格局中，发挥着重要的桥梁和纽 带作用。河南的交通发展不仅仅关系到河南省经济的发展和人民生活水平的提高， 而且事关全国交通发展的大局，中原通才能全国畅。 经过对河南高速公路网路面结构使用状况的调查分析可知，河南省高速公路 路面结构基本上使用常规沥青路面结构型式，在运营时间不久后出现泛油、松散、 裂缝坑槽、车辙等明显病害。大量数据显示，河南省高速公路的路面结构使用性 能是不容乐观的，超重载现象比较严重，路面结构病害也比较严重，有的甚至影 响了正常的路面通行在路面使用早期，病害就比较严重。 根据本文的资料收集，在河南，目前有三条高速公路采用了复合式路面结构， 他们分别是开郑高速公路、郑新高速公路和新许高速公路。接下来本文分别对上 述三条高速公路的路面概况和病害情况作基本介绍。 开郑高速公路 1 ) 路面概况 全长8 1 麟，路面结构为：从上到下依次为5 c m a c 1 6 i 型中粒式沥青混凝土， 2 2 c m 碾压水泥混凝土r c c ，1 5 衄水泥稳定碎石，1 5 衄水泥石灰稳定土 2 ) 病害情况 山路面裂缝 根据资料显示，横向裂缝一般为间距1 0 米一道路面贯通裂缝，最大缝宽2 3 脚。该路段路面施工为全厚式碾压混凝土，每间隔1 0 米切缝以减少温度应力， 第二章结构病害原因分析与设计指标 b 部分标段施工时改为现浇混凝土，施工缝间距1 0 米。经分析路面上出现的贯通裂 缝即由此反射形成的。每块混凝土板上由于温度应力、车辆荷载共同作用或其下 基础刚度差异，由此出现了路面不规则的反射裂缝。 b 路面坑槽、哪浆、沉陷、车辙 开郑路在运营期间出现了部分坑槽、沉陷、卿浆和车辙等病害在2 0 0 1 年开 始进行的该项目工程大修中，对以上病害进行了处理，目前路面上己很少见到该 类病害现象。 郑新高速公路 1 ) 路面概况 路面一般结构层由上而下依次为上面层为5 c m 中粒式沥青混凝土a c 一2 0 i ，下 面层为2 3 衄碾压水泥混凝土r 0 c - 3 0 # ，基层为1 5 伽水泥稳定碎石，底基层为水泥 石灰稳定土。 2 ) 维修养护史 郑新高速于1 9 9 4 年1 2 月建成通车，四年后( k o + 0 0 0 l ( 2 5 + 3 0 0 ) 出现较为严熏 的损坏，主要病害有：a c 层剥落、拥抱或开裂；路面沉陷、坑槽；较多的裂缝( 伴 随板边破碎) 。 根据病害程度及类型，分别采取挖补、压浆、更换面板等措施处理后，全段 加铺5 c m a c - 2 0 i 型中粒式沥青混凝土和4 c m a c _ 1 6 i 型中粒式沥青混凝土( 其中东半 幅采用了s 雎改型沥青) 。本次起止时间为2 0 0 0 年8 月2 0 日2 0 0 1 年6 月1 日， 大修工程路面部分费用为1 0 2 0 0 万元。 2 0 0 1 年3 月2 0 日至2 0 0 1 年9 月1 日对l 【2 5 + 3 0 0 k 4 7 + 8 4 0 段进行大修，全段 加铺5 c m c - 2 0 i 型粗粒式沥青混凝土和4 c m a c 一1 6 i 型中粒式沥青混凝土( 其中东半 幅采用了s b r 改型沥青，西半幅采用s b s 改性沥青) ，此次大修工程路面部分费用 为8 3 7 9 6 万元 通过两次大修工程( 调查文件称为改善工程) ，路面强度、平整度和抗滑性能 得到改善，但反射裂缝并未能得到根治，在1 年后再次出现较多的反射裂缝，需 要在每年雨季和冬季来临前，使用美国k 0 伽灌缝材料灌缝。 3 ) 路面病害现状 该路段目前的主要病害为横缝、纵缝和轻度车辙。郑新养护工区2 0 0 3 年5 月 2 0 日2 4 日对路面病害调查的结果为：路面翻浆1 1 处：裂缝5 0 6 8 m ，沉陷、网裂、 坑槽8 1 2 5 m 2 。 新许高速公路 1 ) 路面概况 路面一般结构层由下而上依次为水泥石灰稳定土1 5 锄、水泥稳定碎石2 0 c m 、 第二章结构病害原因分析与设计指标 9 水泥混凝土2 5 伽和5 c m 中粒式沥青混凝士a c 一2 0 i 内侧路缘带宽o 7 5 m ，外侧设 2 5 m 紧急停车带和o 7 5 m 宽的路肩。 2 ) 路面病害现状 新许养护工区2 0 0 3 年5 月2 0 日2 4 日对路面病害调查的结果为：路面翻浆 5 l 处约2 6 7 2 ；裂缝1 7 8 2 6 m ；车辙1 8 9 2 2 ；沉陷、网裂、坑槽1 4 8 7 m 2 其中裂缝较为严重的路段为k 5 + 5 0 0 k 7 + 5 0 0 ( 东半幅) ，平均每6 m 就有一道横 缝，裂缝宽度多为l o c m 左右，部分裂缝具有支缝。k 1 0 + 0 0 0 k 1 7 + o o o 段( 东半幅) 也有较多横缝。养护部门己对裂缝进行灌缝处理。 从以上工程实例来看，目前水泥混凝土板加铺沥青层后的路面早期损坏现象 主要有以下特征( 两种常见的复合式路面病害形式见图2 1 ) 图2 1两种常见的复合式路面病害类型 f i 9 2 11 w ol d n d so f p 坨v a i l i n gd i s 血s s 嚣c o m p 沁p a v e 扣m & 高温车辙及变形这种病害在高温地区、交通量大及超载、重载路段是最 严重的沥青路面破坏形式。 b 路表开裂在寒冷地区，沥青路面的开裂普遍存在。这些开裂包括沥青上 面层本身的温缩裂缝和由水泥混凝土板接缝处产生的反射裂缝。在雨季及春融季 节，大量的水从裂缝中渗入路面基层，会使路面的承载能力逐渐下降，反过来又 会造成路表面早期损坏。 c 水损害破坏。在多雨地区的雨季或季节性冰冻地区的春融季节，路表面常 常出现局部卿浆、松散、脱粒，最终导致出现大面积坑槽，若沥青面层混合料透 水和蓄水，这种病害就会普遍存在，成为路面最严重的早期损坏形式。 2 1 2 复合式路面病害原因分析 路面结构设计问题 第二章结构病害原因分析与设计指标竺 在我国复合式路面结构设计中，由于缺乏相关规范的指导，设计过程中只能 够照搬国外的经验，或者一些经验上的东西，缺乏切实可行的理论支持，在进行 结构设计时，或者将复合式路面当成水泥混凝土路面进行设计，所采用的设计依 据都是参照水泥混凝土路面设计规范在进行，只是将计算结果中的部分水泥层厚 度转换成了沥青层的厚度，未考虑沥青层自身的因素，这样计算出来的结果往往 造成沥青层厚度较厚；或者是将复合式路面当成了沥青路面进行设计只用层底弯 沉作为设计控制，而忽略了水泥混凝土板层底弯拉应力的影响以及冬夏温差变化 幅度大对于水泥混凝土板的温缩开裂的影响。另外，设计时没有重视防止反射裂 缝问题，路基路面应作为整体进行综合设计。还有，结构层设计厚度太小也是导 致路面早期破损的重要原因之一路面面层受行车水平力和垂直力的综合作用， 在面层结构内产生剪应力从力学角度而言，这种综合作用越大，面层产生的剪 应力就越大，对车辆在公路上的不同位置进行受力分析可知，在车辆启动、制动 处，纵坡较大的坡道以及合成坡度较大的弯道内侧，路面面层所受车辆的水平力 和垂直力的合力较大，较易发生剪切破坏。 沥青层材料的选择 沥青混合料摊铺在水泥混凝土层上，沥青混合料本身的性质对整个复合式路 面结构的影响其决定作用。 1 ) 沥青混合料的级配及密实性对沥青混凝土路面的抗渗性起决定性作用。 开级配沥青混合料的孔隙率较大。抗渗性较差。而密级配的沥青混合料孔隙率 较小，一般在6 蹦，可以有利的阻止水分的渗透作用，所以一般沥青混凝土路面 底层采用粒级稍大的混合料结构层，而面层采用粒极较小的且较密实的结构层。有 利于提高沥青混合料路面的抗滑性和抗渗性。使路面形成一个整体的防渗结构，减 少沥青混凝土路面早期破坏的可能性。 2 ) 沥青混合料的性质是影响沥青路面温度收缩性裂缝的主要原因 一方面沥青混合料的低温劲度是决定是否开裂的根本因素，沥青劲度又是决 定沥青混合料劲度的关键。沥青老化越严重，劲度越大，裂缝出现越早。另一方面 沥青的温度敏感性也影响裂缝的产生，感温性大的沥青易开裂。一般情况下，含蜡 量高使沥青的拉伸应变减小，脆性增加，温度敏感性变大，裂缝就容易产生。 水泥混凝土层的影响 1 ) 水泥混凝土粘结性、收缩性能影响 水泥混凝土下面层较之级配碎石、沥青稳定碎石等柔性材料，热容量小，与沥 青表面层的附着粘结性能差，尤其是本身收缩的附加影响，使沥青层的横向裂缝要 多些。特别是由于我国高速公路分期修建，施工较快，造成水泥混凝土层养生不足， 修筑不久后就开裂了，这些裂缝在荷载和温度的作用下，由下层逐渐反射到沥青层 第二章结构病害原因分析与设计指标 旦 表面，形成反射裂缝。 2 ) 水泥混凝土下面层的厚度影响 调查发现，水泥混凝土层缺陷是诱发沥青层龟裂、唧浆的主要原因，主要是由 于水泥混凝土层的厚度不足造成的。实际使用经验表明，水泥混凝土层的厚度与车 轮荷载的作用次数直接相关。厚度大，其承担的标准轴载的累计当量轴次就大。由 此可看出水泥混凝土层的厚度大小对路面早期破坏的影响是相当严重的。 施工质量与养护因素的影响 1 ) 施工污染是造成路面早期病害的一个重要原因，水泥混凝土层清扫不净， 残余浮土、碎石、油污等形成隔离层，使沥青层与水泥混凝土层之间不能形成一 个有机整体，造成层间粘结性差。 2 ) 上面层沥青混合料离析和不均匀严重，这样容易造成局部渗水，使路面出 现病害。 3 ) 面层铺筑过程中易出现压实度不足，造成面层内部孔隙率较大，使得沥青 混合料粘结力、防水性能下降，如碾压设备不当或碾压遍数不够；拌和厂离施工 现场较远，运距过长，运输途中沥青混合料热量损失较大，运至现场后温度不能 满足铺筑要求；片面追求路面平整度，低温施工，或拌和过程中油温过高致使沥 青老化。 4 ) 路面早期养护措施不及时、不完善也是复合式路面产生病害的原因。 外界因素的影响 1 ) 天气因素 高速公路路面面层损坏的一个很重要的原因是由于路面渗水所引起的。天气 降水渗到沥青面层中而排不出去，这样在汽车荷载及温度变化的作用下，沥青面 层产生破坏。 2 ) 人为因素 交通肇事及车辆漏油、千斤顶引起的路面损坏 3 ) 超限超载运输 随着我国经济的迅速发展，重型货车超限超载现象十分严重，这也是导致路 面早期破坏、缩短路面设计使用寿命的主要原因之一 2 2 复合式路面破坏类型与设计指标 由上一节的分析可知，复合式路面破坏主要是因为沥青层产生裂缝或接触面 发生剪切破坏，即由于选择的结构层的某一部分强度不足引起的，因此要从强度 方面对路面材料进行控制。目前，对复合式路面的主要破坏类型有一定了解，但 对这些破坏没有提出确切的控制指标。本节根据刚柔复合式路面的特点，借鉴路 第二章结构病害原因分析与设计指标里 面铺装的设计指标【1 7 】，针对复合式路面的主要破坏类型，提出相应的设计指标， 这些设计指标也是接下来分析复合式路面受力特点的研究重点。 2 2 1 反射裂缝 水泥混凝土路面加铺沥青层后，下面水泥混凝土板的接缝会在加铺层表面反 应出来，这种与水泥混凝土板接缝相对应的裂缝称为反射裂缝。这种裂缝导致加 铺层开裂，使水沿缝下渗，在汽车荷载和温度的反复作用下，路面发生破坏，严 重影响路面的使用功能和寿命。 反射裂缝是由于水泥混凝土板在接缝附近的位移引起接缝上方沥青加铺层内 出现应力集中所造成的。水泥混凝土板在接缝附近的位移，包括由于环境温度的 变化而引起的水泥混凝土板的水平向伸缩和由于荷载作用而引起的水泥混凝土板 边缘的竖向弯沉。沥青加铺层粘附在水泥混凝土板上，水泥混凝土板因温度下降 而收缩时，由于水泥混凝土板与加铺层之间的粘附阻力，带动沥青加铺层出现相 应的收缩变形。水泥混凝土板的收缩围绕两条接缝间的中线向内进行，因而板降 温时会导致接缝上方的沥青加铺层内出现较集中的拉应力。此拉应力超过沥青混 合料的抗拉强度时，加铺层便会出现开裂。拉应力的大小随水泥混凝土板的收缩 变形量和层间的粘附阻力而变化。接缝间距越长，水泥混凝土板与基层间的摩阻 力越大，板平均温度下降量或下降速率越大，混凝土板与沥青层之间的粘附作用 越强，则沥青加铺层内出现的拉应力便可能越大。 车轮荷载驶经接缝时，混凝土板的驶近板先向下弯沉，随后驶离板向下弯沉 而驶近板回复，因而，接缝两侧的板端出现弯沉差，使接缝上方的沥青加铺层经 受较大的弯拉应力和剪切应力。此弯拉应力和剪切应力如果超过沥青混合料的弯 拉强度和抗剪强度，在接缝处的沥青加铺层便会出现反射裂缝。混凝土板越薄， 接缝的传荷能力越弱，基层的刚度越小，则轮载作用下相邻板的弯沉差便越大， 而沥青加铺层便越可能出现弯拉应力和剪切应力而引起的反射裂缝。同时，轮载 和作用次数的增大，也会加快反射裂缝的发展。 现今，反射裂缝已成为复合式路面最主要的病害之一，如何控制与防止反射 裂缝己成为加铺层设计的关键。己有的防止反射裂缝措施是在a c 层与p c c 板间设 置防裂夹层( 国外称之为s a l f r 结构，即应力吸收扩散夹层) ，其形式有土工布、土 工格栅、改性沥青防水毡、改性沥青砂、橡胶沥青砂、改性( 橡胶) 沥青混凝上、 沥青碎石等【l 羽。但工程实践表明，如果防裂夹层选择不当或设置不好，防裂夹层 可能会加速裂缝的产生【搠。因此，研究反射裂缝防治措施的力学机理对指导设计、 避免实际操作中的盲日性有重要意义。 以控制反射裂缝作为复合式路面的设计标准时，应以沥青上面层的最大拉应 力和最大剪切应力作为设计指标，设计中控制沥青层的最大拉应力和最大剪切应 第二章结构病害原因分析与设计指标堡 = = 旺t ， 式中吼。：理论计算得到的沥青上面层的最大拉应力：包括由汽车轮载引起的 f 一：理论计算得到的沥青上面层的最大剪应力； 第二章结构病害原因分析与设计指标丝 青混凝土的受力状态。 另一方面，复合式路面的黑色面层与水泥混凝土路面的强度及模量相差较大， 如果二者界面之间联结不牢，会出现黑白路面脱离的。二层皮”现象。最终导致 黑色面层单独承受水平荷载而产生推挤、拥包、车辙、拉裂、水损坏等。此外， 水泥混凝土路面的接缝由于交通荷载及温度应力的作用，会通过沥青层向上反射， 导致沥青层因反射裂缝而开裂。在黑白路而之间设置应力吸收层，既可以起到“承 上启下”的粘结作用，防止“二层皮”的产生，又能起到防水与排水作用，防止 水损坏的产生，同时还能吸收水泥路面接缝处的反射应力，起到阻止或延缓反射 裂缝产生与扩展的作用。鉴于此，应力吸收层必须具有突出的粘结力，以保证与 黑白路面尤其是水泥路面的粘结；同时，还必须具有足够的高温抗变形与低温抗 开裂能力，即必须具有突出的高温抗剪切变形能力和低温延展性及柔韧性。此外， 还必须能够排水。 归结起来，应力吸收膜中间层防止裂缝发展的机理主要是：显著地降低了主 应力和剪应力的大小；改变了主应力方向和裂缝传播过程；减缓了裂缝的传 播速度。迄今所采用的夹层种类大致可分为三大类：应力吸收夹层、土工织物夹 层和格栅。但它们的抗剪和抗拉强度各不一样，从而导致路面结构铺筑的夹层性 能的差别。因此研究不同类型夹层的抗剪强度，以及选用抗变形能力较高的沥青 层材料对确保a c 层稳定性具有重要的意义。 以控制层间剪切破坏作为复合式路面的设计标准时，应以层问的最大剪应力 作为设计指标，设计中控制层间最大剪应力不超过夹层材料容许抗剪强度，即： f 一纠f 】- ( 2 2 ) 式中f 。：计算得到的沥青层底面最大剪应力； 【f 】。：夹层材料的容许抗剪强度。 对于夹层材料的容许抗剪强度【f 】。，长安大学【l 】为了研究p c c + a c 复合式路面 的p c c 与a c 层问抗剪强度规律，研制了层间测试系统，该系统可自动采集处理加 载、卸载及垂直、水平位移等数据，试件平面尺寸为3 2 3 2 c m 。 试验中，层间粘结材料选用如下材料：乳化沥青；乳化沥青+ 矿粉；热 沥青；热沥青+ 矿粉；乳化沥青+ 石屑；热沥青+ 石屑；橡胶沥青。施加垂 直压力为0 1 肝a ，剪切速率为3 5 衄m i n ，试验温度2 5 ，分别测试各种粘结材料 的最佳用量，并在各自最佳用量时，测定其剪切变形与剪应力规律，结果见图2 2 。 从图2 2 可知，层间粘结材料按抗剪强度大小的排序为：橡胶沥青 乳化沥青 十石屑 热沥青十石屑 乳化沥青 乳化沥青十矿粉 热沥青 热沥青+ 矿粉。 通过实验及计算分析，综合考虑温度、垂直荷载、剪切速率等影响因素，获 得对应于路面实际行车荷载作用下的夹层材料抗剪强度公式为： 第二章结构病害原因分析与设计指标 【f 】j = 墨，c + d ：留 ( 2 3 ) 式中：五，剪切速率修正系数，与实际设计车速有关，见表2 1 ； l 争 霉 x 一 4 ，o 1 荫l l 矗 图2 2不同粘结类型的a 【，一f 关系图 f i 9 2 2t k ”h n 彻d i a g r a m o f u f 曲s 如曲r i t yg l 嘴哆p e 盯z 垂直荷载，可近似取0 7 肝a ； c ，印时粘结材料的粘聚力与内摩擦角 表2 1 凰取值 车速( k m ，h ) 1 2 0l 8 07 06 0 层间有结合料 5 5 15 2 54 9 6 4 6 54 2 9 x v 层间无结合料 5 0 14 7 94 5 44 ”3 9 6 水泥混凝土下面层与沥青混凝土上面层之间采用的夹层材料一般为橡胶沥 青、改性沥青和乳化沥青等高分子聚合物，这些材料的性质随温度的改变而变化 很大。在高温季节，夹层材料的抗剪强度较低，很容易发生层间剪切破坏，事实 也表明，夹层剪切破坏一般发生在高温的夏季，因此层间抗剪强度这项设计指标 特别适用于高温情况下的复合式路面结构层设计。 2 2 3 车辙 第二章结构病害原因分析与设计指标 车辙是铺装层在车辆轮载重复行驶下逐渐形成的永久性变形，表现为铺装层 表面在行车道的轮迹带上出现纵向沉陷。此永久变形由两部分组成，一部分是由 沥青面层在行车荷载反复作用下进一步压密产生的，可称其为压密变形，另一部 分是因为沥青混合料在高温时的强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用，轮下的部 分沥青混合料产生剪切变形逐渐被挤压到两侧，使两侧的沥青面层鼓起，产生所 谓的侧向流动，这一部分是主要的。产生车辙的原