（道路与铁道工程专业论文）LSM在旧水泥混凝土路面改造中的应用研究.pdf

摘要 水泥混凝土路面的结构性破坏或功能性缺陷，严重影响了公路使用质量。使 得养护工作越来越重，养护费用逐年增加，大量水泥混凝土路面都面临着翻修改 建的任务。研究水泥混凝土路面的修复方法及规程具有重要的工程实用价值。本 文采用理论分析与工程实践相结合的方法对这一课题进行了较为系统的研究。大 粒径沥青混合料具有良好的抵抗反射裂缝和抗车辙能力，可有效解决以上问题。 本文紧密联系工程实际，以远大路旧水泥混凝土路面改造工程为研究对象， 根据工程条件和可能，针对沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面的难点首先 对旧水泥混凝土路面使用状况进行评定，根据评定结果，对不同标准的路面制定 相应的修复方案。并对水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝形成机理进行了理论 分析，采用有限元方法，利用a n s y s 和o r i g i n 科技软件对水泥混凝土路面上 沥青加铺层应力和位移进行了计算，通过试验验证了理论分析与计算的正确性， 验证了利用拉普拉斯变换方法来计算弹性地基梁，得到的有限长弹性地基梁的弯 曲变形、剪力和弯矩的统一表达式；针对反射裂缝形成机理，提出沥青加铺层反 射裂缝的防治措施。 在借鉴国内外l s m 研究成果的基础上，进行大粒径沥青混合料的路用性能 研究。车辙试验结果表明l s m 抗车辙能力远大于普通沥青混合料抗车辙能力， l s m 集料级配对车辙起决定性作用，形成骨架嵌挤结构是l s m 具有良好的高温 稳定性的关键。同时，采用浸水大马歇尔试验和冻融劈裂试验方法来评价分析大 粒径沥青混合料的水稳定性，结果表明大粒径沥青混合料具有较好的抗水损害能 力。 希望本文的研究成果能在解决沥青路面高温车辙破坏和耐久性不足方面得 到广泛应用。 关键词：旧水泥混凝土路面；反射裂缝：有限元；路面状况评定；大粒径沥青混 凝土；路用性能；施工控制措施 a bs t r a c t t h es t r u c t u r a ld e s t r o y sa n df u n c t i o nf a u l t sa p p e a r si nt h ec o n c r e t ep a v e m e n t s h a v ea f f e c t e dt h eq u a l i t yo ft h er o a d ss e r i o u s l y m o r ea n dm o r em a i n t e n a n c ew o r k s c o s t sa r en e e d e dy e a ra f t e ry e a r l a r g ea m o u n to fc e m e n tp a v e m e n t sa r ef a c i n gt ob e o v e r h a u l e do rr e b u i l t t h es t u d yo fc e m e n tp a v e m e n t sr e h a b i t a t i o na n dm a i n t a i n r u l e si so fg r e a tv a l u ei ne n g i n e e r i n g c o m b i n i n gt h e o r e t i ca n a l y s i sa n dp r o j e c t p r a c t i c e ，t h i si t e m w a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y b e c a u s et h el a r g es t o n ea s p h a l t m i x e s ( l s m ) ，h a st h eg o o dp r o p e r t i e so fe l i m i n a t i n gt h er e f l e c tc r a c ka n dr e s i s t a n c e r u t ，i tc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h e s ep r o b l e m s t h i sp a p e rb a s e do nt h es t u d yo fy u a n d ah i g h w a yr e h a b i l i t a t i o n ，a i mt h e d i f f i c u l t yo fl s mo v e r l a yo na i l i n gp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ( p c c ) p a v e m e n t a f t e r t h ea s s e s s m e n to ft h eo l dc e m e n tc o n c r e t e ，a c c o r d i n gt oi t so u t c o m e ，c o r r e s p o n d i n g r e p a i rs c h e m e so rc o m p i l ec o r r e s p o n d i n gm a i n t a i np l a n sa r ec o n s t i t u t e d t h ep a p e r a n a l y z e si nt h e o r yt h ef o r m e dm e c h a n i s mo fr e f l e c t i n gc r a c ko fb i t u m i n o u sp a v i n g c o u r s eo nc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t i ta l s oc a l c u l a t e st h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n t o fb i t u m i n o u sp a v i n gc o u r s e o nt h ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tb yf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n da n s y sa n do r i g i n t h r o u g ht h et e s t i tt e s t sa n dv e r i f i e st h ec o r r e c t n e s so ft h e o r ya n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n t h eb e a m so ne l a s t i cf o u n d a t i o nw e r ec a l c u l a t e db ym e a n so fl a p l a c e s i n t e g r a lt r a n s f o r m a t i o n t h eu n i t i z e df o r m u l a s o fb e n o l i n gd e f l e c t i o n ，s h e r ef o r c e a n db e n d i n gm o m e n to fb e a m sw i t hl i m i t e dl e n g t hw e r eo b t a i n e d t oc o u n t e rt h e f o r m e dm e c h a n i s mo fr e f l e c t i n gc r a c k ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h ep r e v e n t i o n m e a s u r e sf o r r e f l e c t i n gc r a c ko nt h eb i t u m i n o u sp a v i n gc o u r s e b a s e do nr e s e a r c h e so nl s mh o m ea n da b r o a d ，t h ep a p e rs t u d i e st h ep a v e m e n t p e r f o r m a n c eo fl s m t h ep a p e rs t u d i e sl s mh i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yb yw h e e l t r a c kt e s t ，t e s t ss h o wt h er u t t i n gr e s i s t a n c eo fl s mi sf a rg r e a tt h a nt h a to ft h e n o r m a lh m a b e s i d e s ，t h ea g g r e g a t eg r a d a t i o no fl s ma n ds k e l e t o n c o m p a c t s t r u c t u r ei sv i t a lt ot h er u t t i n gr e s i s t a n c e a l s ot h ep a p e rs t u d i e sl smw a t e rs t a b i l i t y b yt h ew a t e rs u b m e r g e dl a r g es c a l em a r s h a l la n dt h ef r e e z e t h r a wt e s t ，t e s t ss h o w t h ew a t e rd a m a g er e s i s t a n c eo fl s mi sw e l l w es i n c e r e l yh o p et h ea c h i e v e m e n t so ft h i sr e s e a r c hc a nb ep o p u l a r i z e da n d a p p l i e di ns e t t l i n gt h ed e s t r u c t i o no fh i g ht e m p e r a t u r er u t t i n ga n dt h ei n a d e q u a t e i l d u r a b i l i t y k e yw o r d s ：a i l i n gp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ；r e f l e c t i o nc r a c k i n g ； f i n i t e e l e m e n t ；p a v e m e n t s t a t u s e v a l u t i o n ；l s m ；p a v e m e n t p e r f o r m a n c e ；c o n s t r u c t i o nc o n t r o lm e a s u r e s i i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名：1 另旁铁日期潞年，月埸日 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。本人授权长沙理工大学可以将本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 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：1 另舷 日期沁缉，, e l 驴日 导师签名： 日期0 伽多年r 月谚日 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早珀y 匕 我国国民经济持续高速发展使交通运输业呈现出前所未有的发展态势，但随 着交通量及轴载的日益增大，公路沥青路面出现了很多的病害，其中半刚性基层 沥青路面反射裂缝是常见的病害。 反射裂缝是指已开裂的1 日沥青路面或水泥路面内的裂缝在行车荷载和温度 荷载的反复作用下反射到新加铺面层上形成的裂缝1 1 1 。而对于半刚性基层沥青路 面，反射裂缝特指由于半刚性基层在温度梯度和湿度变化下先产生收缩开裂，而 后沿开裂基层向上方反射到沥青面层形成的裂缝。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) 。而且随着雨水或雪水的浸入， 基层变软，在大量行车荷载反复作用下导致路面强度大大降低，产生冲刷和唧泥 现象，使裂缝加宽；裂缝两侧的沥青路面破碎，加速沥青路面的破坏，从而影响 公路使用质量和寿命。 车辆载重和交通量明显增大，对路面的承载能力要求越来越高。半刚性基层 的强度、刚度较大，可承担路面结构在行车荷载作用下的竖向荷载，但沥青面层 与半刚性基层的模量的比值较小，甚至有的路面成为倒装结构( 即基层模量大于 面层模量) ，在垂直和水平荷载的综合作用下，尤其是重载的作用下，基面层间 产生的剪应力较大，加之高温条件，很容易产生层间剪切滑移破坏【1 引。沥青路 面发生剪切滑移后，将严重影响公路的服务质量，轻的需要进行修补，严重的需 挖除后重新进行铺筑，经常需二次中断交通，花费大量人力、物力和财力，给公 路管理部门带来沉重的经济负担并造成巨大的社会压力，直接和间接的经济损失 都很大。 因此，在进行沥青混合料设计时，应考虑它在路面结构中所处层位的功能特 性，一方面通过增大矿料粒径来提高沥青混合料的承载力：另一方面通过增大骨 料之间的相互嵌挤力来提高沥青混合料的整体强度，以抵抗重载作用下产生的剪 切和竖向变形，从而提高沥青路面的强度，满足路面结构性能对沥青混合料的不 同要求。大粒径沥青混合料的研究就是基于这种思想提出的。 通常所说的大粒径沥青混合料( l a r g e s t o n e a s p h a l t m i x e s ，简称l s m ) 一般 是指矿料的最大公称粒径大于2 5 m m ，最大可达6 3 m m 。大粒径沥青混凝土的使 用将有以下几方面的优点：( 1 ) 级配良好的l s m 可以抵抗较大的塑性和剪切变形， 提高沥青路面高温稳定性，具有较好的抗车辙和反射裂缝的能力；( 2 ) 大粒径集料 】 的增多，会减少沥青用量，从而降低工程造价；( 3 ) 可一次性摊铺较大的厚度，缩 短工期；( 4 ) 沥青层内部储温能力高，热量不易散失，利于寒冷季节施工，延长施 工期。 基于上述特性，深入系统地开展l s m 的性能研究，对减轻沥青路面的车辙、 剪切变形( 反射裂缝) 等病害，提高路面使用性能，延长沥青路面的使用寿命，节 约工程费用，具有重要的现实和经济意义。使建成后的公路维持良好的营运效益， 保持公路的服务质量，使公路交通更好的服务于国民经济。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 反射裂缝理论研究 半刚性基层材料在外界温度、湿度变化下产生干温缩裂，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并且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。另外，在行车荷载的反复作用下，基 层裂缝顶部沥青面层层底产生应力集中现象，并且在车轮偏荷载作下，基层裂缝 两侧产生弯沉差，引起沥青面层的剪切破坏，并逐步向上扩展，也是形成反射裂 缝的重要原因。目前，关于反射裂缝的研究主要集中在以下几种方法： 1 2 1 1 传统的沥青路面结构破坏理论与设计方法 自从人们在道路上开始使用沥青路面结构形式以来，就开始了对沥青路面破 坏形态及其原因的探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面结构破 坏进行研究，并提出相应的抗裂设计方法。 在早期，人们主要基于对不同类型数据的调查采集，经过数据整理分析，总 结提出经验性的公式和方法，计算或预测沥青路面结构相应结构破坏的使用寿 命。后来随着塑性力学与传统的疲劳强度理论的发展与推广应用，关于沥青路面 结构破坏的研究开始进入理论分析阶段。 塑性力学在道路中的应用，主要是确保结构的承载力，即利用材料的抗剪强 度指标，运用塑性破坏理论，分析道路结构层的屈服破坏，并在材料选择和结构 设计上防止这种破坏的出现，如根据早期美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 实施 的实地性能测试结果指出了提高结构层内粘聚力的重要性f 2 】【3 1 。 随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏是由于荷载在路 面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了路面混合料的抗拉强度而发生的。美、 英、苏、前联邦德国等国，根据十多年的大量实验，相继进行了基于疲劳强度理 论的设计上的重大改革。并且，目前各国沥青路面设计仍主要沿用这种疲劳强度 理论。 2 1 2 1 2 基于断裂力学的沥青路面破坏理论与应用 传统的疲劳强度理论承载的循环作用而对材料造成的损伤的累积，但相关的 分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没考虑材料、结构内部先天 存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这种得运 用传统疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实际情况 存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使设计结果仍带有较大程 度的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学的观点，结构的破坏 正是由于其内部存在的缺陷引起应力集中与内部损伤，当这种应力集中与损伤累 积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部缺陷的发展，并导致结构 的破坏【4 1 。断裂力学及其疲劳断裂力学在工程上的应用与发展，引起或即将引起 有关结构设计的革命性改革，包括其中的设计理论、计算方法、设计和验算指标 等方面。 基于结构内部存在裂缝之类缺陷的断裂力学理论与方法在沥青路面工程中 的应用，大约开始于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，至今为止，依次经历了线 弹性断裂力学、疲劳断裂力学与粘弹性断裂力学等几类断裂力学理论与方法的应 用发展阶段1 2 1 j 。 线弹性断裂力学：其对沥青路面结构开裂破坏分析的主要贡献在于，能够计 算分析沥青路面在交通荷载和温度荷载下的开裂机理及各类反裂措施阻止沥青 路面开裂的原理，并引入了应力强度因子，能量释放率及相应的断裂韧性参数等 概念，提供了人们科学认识沥青路面开裂的方法与手段( 包括计算参数和开裂判 断准则) 1 4 j 。1 9 8 0 年，m o n i s m i t h 等人用热弹性力学，对交通荷载与温度荷载作 用下的开裂基层( 或旧路面) 与面层中的应力分布特征进行了研究，并就橡胶沥青 夹层对裂缝尖顶端附近应力集中的消散作用进行了分析。结果表明，软弱夹层能 有效地降低裂缝顶端的应力集中，延缓反射裂缝的扩展【5 】【6 1 。s e e d s 等人将降温 过程中i e l 水泥路面缝边的张开位移作为主要特征参数，通过力学分析得出了温度 收缩引起的加铺层中的应力响应，并开发了相关的计算程序，可进行加铺层的设 计及温缩型反射裂缝疲劳寿命的预估【7 1 。国内长沙交通学院利用线弹性断裂力学 理论与方法，结合光弹模型试验进行了较系统的研究，取得了一系列的研究成果 疲劳断裂力学：人们普遍采用基于应力强度因子的p a r i s 公式( 1 1 ) 描述沥青 路面疲劳裂缝的扩展过程，并以此计算疲劳裂缝扩展寿命。根据理论分析结果和 疲劳断裂试验数据，提出沥青路面结构的使用寿命预测方法【8 】【9 l 。 d 。d r1 1 彳( 必”)n1 、 工。工， 】l】 式中：“a 一裂缝随荷载循环次数的扩展速率； 从一荷载循环过程中裂缝应力强度因子的变化值： a ，n 一材料参数。 3 由于沥青混合料性质的复杂性，至今关于沥青混合料及沥青路面疲劳断裂的 研究仍在进行中，与提出成熟的沥青路面设计方法还存在较大差距。 粘弹性断裂力学：沥青属于一种粘弹性材料，沥青路面开裂主要为温度型开 裂，但基于粘弹性力学方面的应用研究近几年才开始发展。研究工作主要集中在 沥青材料的粘弹性特性及低温抗裂指标的试验研究及沥青路面温度应力计算方 面，应用粘弹性断裂力学理论与方法进行理论分析方面的工作尚不多。郑健龙、 王秉纲对沥青路面温度收缩开裂的热粘弹特性进行了研究。有部分学者与研究部 门开始应用疲劳损伤力学分析沥青路面疲劳破坏。周志刚、张起森应用疲劳损伤 力学理论与方法研究沥青类路面疲劳破坏机理和各类抗裂措施( 如加筋) 的抗裂 机理1 1 叭。 基于断裂力学的沥青路面破坏理论通常根据裂缝面的位移方式，可将裂缝分 为三种类型，张开型( i 型) ，剪切型( i i 型) 和撕开型( i l l 型) ，如图1 1 所示。其相 应的应力强度因子为k i ，k i i ，k i l l 2 4 】【2 5 1 。 图1 1 裂缝类型 1 2 1 3 有限单元法 将力学理论应用于实践的基本途径之一是数值方法中的有限单元法。由于能 够获得解析解的实际问题很少，所以有限单元法在实际中得到了广泛的应用，实 际的需要反过来又促进了有限元自身的进一步发展和完善。 1 9 6 5 年，张佑启、z i e n k i e w i c z 率先提出了弹性地基板的有限元分析方法。 从2 0 世纪7 0 年代起，w a n g s k 、黄仰贤、e b e t h a r d t 等人先后用有限元法分析 了w i n k l e r 地基、弹性半空间地基、层状地基上混凝土路面的挠度和应力。随着 更多学者的不断研究，有限元法可用于分析不同地基类型、不同地基接触程度、 单层和多层路面、不同荷载构形和作用位置等复杂条件下路面的应力和位移1 1 1 l 。 同时，作为研究成果，出现了许多可用于分析研究和工程设计的应用软件，如美 国陆军工程师水道研究所周瑜棠的w e s l i o i d 和w e s l a y e r 程序、波特兰水泥 协会s d t a y a b j i 等人的j s l a b 程序、伊利诺大学的i l l i s l a b 程序、黄仰贤的 k e n s l a b s 程序、黄仰贤和s h a r p 的p m r p d 程序以及华盛顿大学的e v e r f e 程 4 序等。 计算机技术的日益成熟，使三维有限元方法和程序在路面的应力状况分析中 得到了更多的运用。 我国从2 0 世纪7 0 年代后期开始将有限元方法应用于路面的应力分析。姚祖 康等人应用有限元分析程序c p e 1 分析了弹性半空间地基上四边自由板的挠度 和应力，并依据疲劳损耗分析了临界荷载位置【1 2 】。卢正宇、张起森等采用完全 三维弹性理论和2 0 节点空间等参数有限元方法对弹性地基板上以企口缝形式相 连接的两块水泥混凝土面板在行车荷载作用下的力学行为进行了分析计算，得出 了在荷载作用下企口缝的破坏形式及裂缝可能发生的位置。王继林等人利用 a n s y s 对旧有水泥路面加铺沥青罩面结构进行三维建模和定量分析评价。通过 对荷载位置、沥青罩面层厚度、特种夹层厚度和沥青罩面材料的模量变化进行多 次模拟后，总结出路面罩面结构优化设计方案。符冠华等人利用a l g o r 9 1 ，采 用三维有限元静力分析方法，计算分析了具有半刚性基层路面上沥青面层在行车 荷载和温度变化作用下应力的变化情况，从理论上深入研究了应力吸收层和加筋 层在不同情况下防治反射裂缝的效果，提出了两种夹层的模量推荐取值1 1 3 】【1 7 儿5 1 1 。 周富杰和孙立军利用a d i n a 程序，采用三维有限元分析方法，分析了半刚性基 层路面各结构特性对沥青面层荷载应力和反射裂缝的影响，为形成基于反射裂缝 的半刚性路面评价方法提供理论基础【l5 。 1 2 2 针对半刚性基层沥青路面反射裂缝的主要措施 针对防治反射裂缝这一问题，国内外研究人员进行了进行的大量试验，取得 了一定成果并广泛用于工程实际。在对半刚性基层沥青路面反射裂缝机理分析的 基础上，目前国内外防裂技术措施种类很多，除加厚沥青面层、采用优质沥青及 改善半刚性基层材料的抗裂性能外，主要采用能吸收和消散裂缝尖端应力、应变 的中间层以及改善基层受力状况的方法【3 4 l 【3 卯，综合起来主要有以下几类。 1 2 2 1 将原水泥混凝土板破碎、稳固后再用沥青混凝土罩面 加铺层结构设计，必须建立在对旧路面的结构性能进行全面调查和确切评价 的基础上，当调查评定的旧混凝土路面的断板率、平均错台量和接缝传荷能力均 处于差级水平，尤其是当旧面层板下出现严重唧泥、脱空或地基沉降时，对旧混 凝土路面进行大面积修复后再铺筑加铺层己不是一种经济有效的技术措施。这 时，应对旧面层混凝土进行破碎和压实稳定处理，并用做新建路面的底基层或垫 层，破碎稳定处理既减少了大面积挖补所产生的废旧混凝土碎块对环境的不利影 响又保留了旧路面一定程度的结构完整性。 国内外资料表明，破碎和稳定旧路面是防止反射裂缝较有效的方法，其作用 的机理是分散水泥混凝土板的温度应变和应力，使之小于沥青混凝土加铺层混合 5 料的路用力学性能极限值，不至于破坏加铺层。将水泥混凝土板破碎成能将板的 水平位移减小，以消除产生反射裂缝的温度应力，同时还能使块与块之间形成集 料嵌锁，同时还能保持水泥混凝土碎块原来具有的大部分强度，为加铺层提供可 靠的支撑。 水泥混凝土路面经过破碎以后，将其稳定到基层上。保证各点均能与原基层 接触，从而提高承载能力。如果板块不稳定，水泥混凝土块就会松动，并引起加 铺层裂缝。常用的稳定板的方法是用重型( 3 5 t 以上) 压路机碾压，以确保破碎的 水泥砼路面水平和竖向达到稳定状态。压路机的碾压速度小于2 5 m s 。碾压过程 中发现的软弱点或松动碎块要去除，并用水泥混凝土修补。、 破碎稳定以后，测定破碎板稳定基层弯沉。若代表弯沉值不能满足设计要求， 应按沥青路面设计规范进行补强层结构设计，设置半刚性基层。， 1 2 2 2 增加沥青面层厚度 反射裂缝明显受沥青面层厚度的影响，厚度超过1 5 c m 的面层可以有效防止 反射裂缝的扩展；还可以降低车辆荷载引起的剪应力。国外资料表明，在半刚性 基层上铺筑l o c m 的沥青面层时，在形成反射裂缝前可以累计通过标准轴载 ( 8 2 t ) 1 0 x1 0 6 次，如沥青面层加厚到1 5 c m ，则可以通过2 0 x1 0 6 次，如沥青面 层加厚到1 7 5 c m ，则可以放心使用。沥青面层5 c m 时有9 5 反射，厚1 5 c m 时 只有2 4 的反射裂缝【1 6 】。当然过分的增大沥青面层厚度，也会产生经济浪费。 增加面层厚度的另一个好处是，可以使半刚性基层的水分缓慢减少，由此而减小 干缩应力，防止裂缝先在基层中产生。 1 2 2 3 土工织物中间层 自8 0 年代以来，土工织物中间层在我国得到了广泛应用，一般多用于具有 严重基层裂缝沥青路面或水泥路面上加铺沥青新面层的中间防裂层。总的研究结 果表明防裂效果不错，但对于垂直错动位移和水平位移较大的情况效果不明显 1 3 6 o 经初步分析，土工织物中间层防治路面裂缝的机理可归纳为以下3 个方面： ( 1 ) 隔离作用，铺放土工织物中间层，将开裂的基层与沥青混凝土面层隔离，避 免了基层与沥青混凝土面层的直接接触，从而使基层裂缝拉应力不能直接传递到 沥青混凝土面层；( 2 ) 力1 1 筋作用，土工织物中间层具有一定的强度，可承受一定 的基层裂缝拉应力，提高了路面结构层的抗拉强度，因而可减薄路面结构层的厚 度；( 3 ) 消能缓冲作用，土工织物为具有一定延伸性的材料，有较好的柔韧性， 相当于设置了一弹性层，基层裂缝拉应力通过土工织物中间层扩展至更宽范围， 从而缓解了裂缝处应力强度。 因此，在选择土工织物时应考虑下列几方面的因素：( 1 ) 耐热要求，作为防 6 止反射裂缝的土工织物是铺设在半刚性基层与沥青路面之间；( 2 ) 防裂要求，土 工织物起应力消散薄膜的作用，所谓薄膜作用是指若半刚性基层产生裂缝，铺在 其上的土工织物在行车荷载作用下，在裂缝处将呈弧形而产生拉应力，因此必须 保证土工织物具有一定的抗拉强度1 3 引，一般要求为7 5 0 n 5 0 m m ；3 、顶破要求， 土工织物的抗拉强度不是越高越好，原因是在裂缝处的土工织物在缝隙中央可能 被顶破，为此在满足强度的前提下应具有一定的延伸率，_ 般要求在3 0 以上 1 3 9 1 o 1 2 2 4 基层预切缝 基层预切缝方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯缝，且 设法让这种裂缝仅保留在基层本身，而不反射到面层。基层采用预锯缝来减少沥 青面层反射裂缝的措施在国内外工程实践中有一定的应用，在国外应用较早，如： 德国1 9 8 6 年设计规范规定，当沥青面层厚度小于或等于1 4 c m 时，基层厚度不 管多大，只要基层抗压强度大于1 2 m p a ，基层必须预切缝；前苏联指出：为了 避免薄沥青面层下水泥稳定土基层产生不规则的紊乱的裂缝反射到沥青面层上， 也为了减少裂缝的破坏作用，建议在水泥土基层上每隔8 m , - 1 2 m 作一假缝，深 6 c m 一- 8 c m ，缝宽1 0 m m - - 1 2 m m 。这些足以说明采用基层预锯缝措施有利于减少 基层收缩裂缝的产生【4 们。 它的防裂原理主要是通过锯缝改善基层约束条件，从而在一定程度上释放温 度应力来达到防裂目的。同时，在锯缝防裂基层上铺设一定宽度土工织物，既起 到了防渗作用，又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层应力集中，从而延缓或消 除了面层反射裂缝的产生。 1 2 2 5 级配碎石中间层 级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间的中间层在国内外许多地区得到 应用，已证明其防止反射裂缝效果良好。如：加拿大通常冬季严寒，但试验路结 果表明，级配碎石中间层防止反射裂缝非常有效，同时，地处温暖地带的澳大利 亚及南非试验路也同样得到这一结论。在国内，沪宁高速公路无锡试验路，经 过二年的交通和环境因素作用，级配碎石中间层路段裂缝率很小，而未设路段反 射裂缝较为明显【3 3 j 。 。 级配碎石中间层之所以能有效防止和减缓半刚性路面反射裂缝，主要基于以 下几点原因： ( 1 ) 级配碎石属于散粒体，它具有较高抗压、抗剪切强度却不具备受拉能力， 故它不传递裂纹尖端处较大的拉应力及拉应变，且处于夹层的级配碎石实际上是 三向受压，因此从理论上讲，它完全吸收了外荷作用下裂缝尖端的应变能，消除 了裂缝扩展的可能性【4 1 1 ； 。 7 ( 2 ) 从理论上讲，可以认为级配碎石收缩系数极小，几乎为零，加上其本身 并不传递应力和位移，因此它能消散、吸收单纯由环境因素变化，尤其是温度骤 降情况下裂纹尖端的高应力及应变； ( 3 ) 隔离作用大大降低下卧半刚性基层遭受温度、湿度的影响，使半刚性基 层进一步收缩的可能性大为减小。 1 2 2 6 大粒径沥青碎石层 为减少刚性基层上沥青面层的反射裂缝，可设置开级配大粒径沥青碎石结构 层，该层可以作为沥青路面的下面层。沥青碎石层厚应与集料最大粒径相匹配， 压实成形后空隙率为1 5 2 0 。由于空隙率大，使得发生在裂缝处的应力和位 移得以消散，从而减少或防止反射裂缝的产生或减缓反射裂缝的扩展速度。该种 结构应用实践表明效果良好 除以上几种主要措施外，国内外还有采用橡胶沥青封层【4 2 】和应力吸收膜【4 3 l 等措施，实践证明，这些措施达到了一定的防裂效果，对公路建设起到了有益的 指导作用。但是目前各类措施的防范效果在定性、定量上很不一致，且各类措施 防范效果很有限：因而，如何采取措施以减少或延缓路面的开裂仍有待于进一步 的研究。 目前，国内外虽然没有完全掌握反射裂缝的产生和发展机理，无法从根本上 消除反射裂缝，但工程实践已经表明，采用应力夹层、开级配沥青碎石混合料、 级配碎石等结构层可以消除或者延缓反射裂缝的产生，可为建设半刚性基层耐久 性沥青路面提供借鉴。 1 2 3 旧水泥混凝土路面上沥青加铺层反射裂缝疲劳试验研究 理论分析表明1 1 】，行车荷载和温度变化是引起旧水泥混凝土路面上沥青加铺 层产生反射裂缝的主要原因，行车荷载主要使下卧路面结构在裂缝两侧产生竖向 位移差，引起剪切型反射裂缝；温度变化主要使路面结构在裂缝两侧产生水平位 移，引起张拉型反射裂缝。当加铺层与旧路面层间连续接触时，温度变化的影响更 为显著。 1 为了研究反射裂缝的产生和发展机理，定量的评价具体工程情况的优劣，尽 管可以修筑试验路进行长期观测，以期查明反射裂缝的形成机理和开展规律，寻求 防治反射裂缝的技术措施，但由于试验路的环境变化复杂，需要的观测周期长，在 短时间内很难得出比较有应用价值的结果。与试验路相比，沥青加铺层室内疲劳 试验周期短、见效快，是分析研究评价沥青加铺层反射裂缝的有效途径。其中， 江苏省交通科学研究院与东南大学联合进行的由温度影响的反射裂缝疲劳试验 研究在这方面提供了宝贵的经验。 该试验为了比较沥青混凝土不同加铺层材料、夹层材料、不同结构组合对延 8 缓水泥混凝土反射裂缝产生扩展的效果，采用模拟加铺层在旧水泥混凝土路面上 的运动进行对比试验，得到了定量的不同材料和结构抗反射裂缝能力的数值，提 出了合理的防治措施。下面简要的介绍该试验的得到一些宝贵的经验。 ( 1 ) 试验原理 温度变化在旧水泥混凝土路面板产生两种变形。一种是由于混凝土板上下表。 面的温度坡差不同而产生的翘曲变形；另一种是温度均匀升降使路面板产生的伸 缩变形。水泥混凝土路面板的线胀系数大于沥青混凝土，因此，一年中因温度升降 而产生的伸缩变形是引起沥青混凝土加铺层反射裂缝的主要原因。基于此，在模 拟温度荷载引起沥青混凝土加铺层反射裂缝的试验时，采用水平位移的变化模拟 下板因温度升降而产生的伸缩变形。 。， 试验的主要目的是对几种沥青加铺方案在室内反射裂缝疲劳试验机上进行 横向加载反射裂缝试验，测定沥青加铺层抗反射裂缝的能力。 ( 2 ) 试验设备与方法 ： 室内疲劳试验设备，如图1 2 所示。 卜型巴 骂 户 ) 图1 2 反射裂缝疲劳试验示意图 图1 2 中a 和b 为2 0 0 2 0 0 x 1 5 c m 的两块水泥混凝土板，其中a 板固定，b 板可以沿水平方向移动，u 为两板间的缝隙，可用来模拟路面水泥混凝土板的接缝 或裂缝；u 的变化范围为o 2 0 m m ；c 为沥青混凝土加盖层，可按现场施工条件( 如 铺筑厚度、碾压遍数等) 进行铺筑；d 为防止反射裂缝的防裂层( 也可模拟施工条 件铺筑) ；p ( n ) 为施加在b 板上的水平等幅变化荷载，使a 和b 两板的间隙可按一 定的频率和一定的相对位移张开或闭合，即可以模拟道路原水泥混凝土板的接缝 或裂缝由于温度变化引起的道面板伸缩而产生水平位移。为了模拟温度条件下的 工作环境，反射裂缝试验机配有7 5 0 0 大卡的降温设备，可使路面的结构工作环境 降到要求的低温状态。通过试验可测得此加铺层抗反射裂缝的能力。 ( 4 ) 疲劳试验 由于温度变化产生的水平荷载其大小由接缝处相对水平位移控制，试验时水 平位移为0 5 2 7 m m ，加载频率控制在3 次r a i n ，加载疲劳次数由数字记录仪显示 9 丁引1打抖址 并记录，反射裂缝展开情况人工观察并记录。 按照试验操作方法和原有的试验经验，并且便于在同等条件下进行比较，本试 验水平位移按以下方式控制：水平位移从0 5 r a m 开始试验，疲劳作用次数为 1 5 0 0 次作为基准，再增大到1 0 m m ，疲劳7 0 0 次还没有裂缝产生时水平位移再增大 到1 5 m m ，随着裂缝的出现并且逐渐反射到表面，应力产生集中，水平位移将会自 动增大，直到裂缝完全贯通时，位移量达到最大值。 4 ( 5 ) 结论 通过疲劳试验结果的分析比较，可以得出如下结论，供旧水泥混凝土路面加铺 改造工程中参考。 1 ) 同样厚度的沥青加铺层，采用不同的沥青，不同的沥青混合料，设置不同的 防裂层，其抗反射裂缝能力明显不同。 2 ) 上面层采用s m a l 6 混凝土明显比采用a c l 6 i 型沥青混凝土抗反射裂缝 能力强，按照试验数据可以说，s m a l 6 抗裂能力是a c l 6 i 的两倍以上。 3 ) 使用玻璃纤维格栅或土工布能够提高加铺层的抗反射裂缝能力，比较试 验结果可以说，玻璃纤维格栅和土工布提高抗裂能力一倍以上。 4 ) 试验结果可以看出，玻璃纤维格栅的的防裂作用比土工布稍好一些。 5 ) 使用改性沥青的混合料抗反射裂缝能力有所增强。 6 ) 综合6 个方案试验结果，改性沥青s m a 加上玻璃纤维格栅的方案抗裂能 力最强。 该试验假定原水泥混凝土板下完全稳定的情况下，加铺层上不加竖向荷载，仅 模拟因温度变化而引起的水平位移所产生的反射裂缝。而对原水泥混凝土板下脱 空、基础局部软弱并有竖向荷载的情况，加铺层结构抗反射裂缝能力还需要进一 步研究。 本文采用类比的思想借此为突破口，在国内外大量试验研究的基础上另辟蹊 径，展开一系列的试验、研究。 1 3 本课题的研究内容及研究思路 1 3 1 研究内容 本研究结合湖南省长沙市“大粒径沥青混合料在远大路旧水泥混凝土板罩面 工程中的应用技术研究”项目，在借鉴国内外研究成果的基础上，通过室内试验 对l s m 力学性能、抗疲劳性能的研究，以深入系统研究大粒径沥青混合料的路 用性能。主要研究内容如下： ( 1 ) 材料性质分析 1 ) 沥青的技术指标试验 2 ) 集料的物理力学性质试验 1 0 ( 2 ) 粗骨料对沥青混凝土开裂阻力的影响 采用断裂力学平面有限元程序，通过在均质的沥青混凝土引入一个粗骨料， 应用断裂力学分析粗骨料的引入对沥青混凝土中的应力分布、裂纹尖端的应力强 度因子等因素的影响，以及粗骨料的粒径及其距裂纹尖端的距离对裂纹尖端应力 强度因子的影响规律。 ( 3 ) l s m 的路用性能研究 1 ) l s m 的高温稳定性 着重研究最大公称粒径为3 1 5 m 这种类型大粒径沥青混合料的抗车辙能力。 2 ) l s m 的水稳定性 采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验两种方法来研究不同级配沥青混合料 的水稳定性。 3 ) l s m 的力学性能研究 研究l s m 的回弹模量这一反映路面材料力学性质的重要指标，作为路面结 构设中进行力学验算或厚度计算的一个主要参数。 ( 4 ) 水泥砼上l s m 结构的地基弹性梁响应分析 引入地基弹性梁模型探讨旧水泥砼上加铺的沥青混合料结构的行为响应。 ( 5 ) 旧水泥砼板加铺层结构数值解有限元分析 模拟实际路况，采用简易模型应用通用有限元程序，对水泥路面加铺层结构 的力学性能进行分析，为路面结构设计理论的完善提供依据。 ( 6 ) l s m 的施工 ， l s m 高温稳定性好、承载能力大、施工厚度大以及降温缓慢，因此l s m 具 有较好的可压实性，因易于压实施工空隙率也小；同时l s m 有足够的压实时间， 在较低温度施工时具有明显的优势。但在l s m 生产中仍然存在很多施工问题， 本课题基于此探讨并提出相应的施工指导原则。 1 3 2 研究思路 本课题采用理论、试验和试验工程相结合的方法，从分析其强度形成机理出 发，利用大量室内试验和自主设计试验来研究l s m 的力学强度和路用性能，提 出l s m 抗裂性能分析方法，并指导实际工程的施工。 第二章粗骨料对l s m 开裂阻力影响分析 在旧水泥混凝土路面的沥青混凝土罩面的实践中，人们发现采用含大粒径骨 料的沥青碎石作为防裂层的防裂效果普遍要比沥青砂( 最大粒径为5 m m ) 的防裂 效果要好得多，使用寿命较长。将沥青混凝土看作是一种均质材料的假设显然也 难以对此现象作出合理的解释。沥青混凝土是典型的非均匀材料，骨料的存在使 沥青混凝土中的应力分布很不均匀，但是一般均是将其看作是一种均质、各向同 性的材料，忽略了它的不均匀性对沥青混凝土性能的影响。这种简化处理方法， 使得理论分析结果很难与实际相符合。为了探讨大粒径沥青混凝土的抗反射裂缝 性能优于小粒径沥青混凝土的机理，本章采用了长沙理工大学应荣华教授利用 v i s u a lf o r t r a n 编写了一个断裂力学平面有限元程序，通过在均质的沥青混凝土 引入一个粗骨料，应用断裂力学分析粗骨料的引入对沥青混凝土中的应力分布、 裂纹尖端的应力强度因子等因素的影响，以及粗骨料的粒径及其距裂纹尖端的距 离对裂纹尖端应力强度因子的影响规律。根据分析结果，可以较好地解释大粒径 沥青混凝土的抗裂性能优于小粒径沥青混凝土的机理，使用大粒径骨料能较好地 改善路面的使用寿命。 2 1 反射裂缝断裂力学分析 目前最常用的反射裂缝分析方法是运用断裂力学进行分析，断裂力学是从构 件中存在的宏观裂缝这一点出发，利用线弹性力学和弹塑性力学的分析方法，对 构件中裂缝问题进行理论分析和试验研究的一门学科。 通过断裂力学的分析，能把构件内部的裂缝大小和构件工作应力以及材料抵 抗断裂的能力( 即断裂韧性) 定量的联系起来，从而可对含裂缝构件的安全性和寿 命给出定量或半定量的估算。 线弹性断裂力学应用弹性理论研究裂缝扩展规律和材料的断裂准则，它是断 裂力学的基础。6 0 年代以来，线弹性断裂力学在工程实际中，特别是在宇航工 业部门得到了广泛应用。在线弹性断裂力学中，把裂缝体视作线弹性材料，利用 弹性力学的方法去分析裂缝尖端的应力场、位移场，以及与裂缝扩展有关的能量 关系，并由此找出控制裂缝扩展的物理量。理论和实践表明，这样分析得到的结 果，对于高强度和超高强度材料是足够精确的；对于中、低强度材料，只要裂缝 尖端的塑性区尺寸远较裂缝尺寸为小时，经过适当的修正，也是有效的【4 儿2 4 1 。 1 2 2 2 1 裂缝尖端的应力场和位移场 对含有裂缝的二维弹性力学问题，可采用复变函数法、积分方程法以及权函 数法等进行分析求解。应用w e s t e