半刚性基层预锯缝技术在沥青路面裂缝防治中的应用研究.doc

半刚性基层预锯缝技术在沥青路面裂缝防治中的应用研究研究报告漯河市公路局公路工程检测中心2007年11月30日目 录第一章 概 述111 研究目的意义112 国内外研究概况213 主要研究内容5第二章 半刚性基层收缩开裂及反射裂缝发展机理分析621 半刚性基层收缩开裂机理分析622 反射裂缝产生及发展机理分析723 本章小结10第三章 半刚性基层沥青路面结构温度场分析1131 路面结构温度场基本理论1132 未铺筑沥青面层阶段路面结构温度场分析1333 已铺筑沥青面层阶段路面结构温度场分析1634 本章小结18第四章 半刚性基层预锯缝技术研究1941 半刚性基层预锯缝处理的目的1942 半刚性基层预锯缝间距的确定1943 半刚性基层预锯缝时间的确定2344 半刚性基层预锯缝深度的确定2445 本章小结25第五章 实体工程应用及经济性分析2651 实体工程应用2652 实体工程应用效果检测2853 经济性分析2954 本章小结31第六章 主要结论3233第一章 概 述11 研究目的意义最近二三十年，世界各国的高速公路和各等级公路都有了很大的发展，尤其是河南省近几年来，在认真贯彻落实党中央、国务院关于加快基础设施建设战略决策，积极顺应国家宏观调控政策，抢抓机遇，全力加快交通建设。截至2006年底，全省公路通车总里程达到23.5万公里（含村道），在全国排在第一位，公路密度141.53公里/百平方公里，在全国排在第二位。其中：高速公路通车总里程在继2005年突破2000公里之后，又突破3000公里大关，2006年底达到3439公里，跃居全国第一；2007年10月底前可望率先在全国实现通车总里程突破4000公里的目标，力争达到4500公里，实现全省95%以上的县通高速公路。1998年2006年，河南省利用“统贷统还”政策，升级改造国、省干线1.2万多公里，新改建桥梁1319座10万余延米。2006年底，全省干线公路达到21244公里，其中国道4811公里，省道16433公里，干线公路中二级以上公路里程占86%，公路等级和服务水平显著提高。漯河市地处河南省中南部，1986年经国务院批准设立为省辖市，目前辖舞阳县、临颍县、郾城区和汇源区。全市总面积为2630平方公里，总人口280万，市区38万。漯河市为豫中南地区的重要交通枢纽，京广铁路纵贯南北，漯宝铁路向西与焦枝线相连，漯阜铁路向东与京九、京沪线相接，沟通了漯河与全国各地的联系。京港澳高速公路、107国道、S238洛界公路、漯平高速公路、漯周高速公路、省道S330逍白线、S241时南线和省道S220七蚁线等重要交通干线在此交汇，漯河已经形成了四通八达的交通网络。随着国民经济的不断发展和社会运输市场的日益繁荣，公路交通运输业也迅猛发展并表现出新的特点：大交通量、重轴载渠化交通。这些必然给公路设计者和建设者在经济与技术要求方面提出了更高的要求。以无机结合料稳定类材料作为基层的沥青路面也正是适应了这两种要求。半刚性基层沥青路面是我国公路的主要路面结构形式，它具有与柔性路面完全不同的结构特征，第一,半刚性基层具有较高的刚度，其受力特性类似于“板体”，具有较强的荷载扩散能力，因此在整个施工和运营期间必须保持半刚性基层的整体性;第二,半刚性基层沥青路面的结构承载能力主要由基层承担，沥青面层主要起功能作用，半刚性基层的弯拉疲劳损坏是这种路面结构的主要破坏形式；第三，半刚性基层沥青路面能适应现代公路交通量大、车辆大型化运输形式的需要，是高速公路、一级公路和二、三级公路的主要路面类型。然而半刚性基层材料尤其是水泥稳定碎石类材料由于脆性，对温度、湿度敏感性较强，在强度形成及使用过程中，因温度变化产生温度收缩裂缝和因含水量变化而产生干缩裂缝。当沥青面层较薄时这种裂缝往往扩展到面层形成反射裂缝。裂缝的存在不仅使车辆行驶质量下降，而且也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，使基层变软，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。鉴于此，根据半刚性基层材料本身的特性，以实体工程为依托，在充分考虑当地气候条件、交通状况、原材料质量和施工技术水平的前提下，提出有效防治半刚性基层沥青路面结构开裂的预锯缝技术措施以及相应的施工工艺。这对更好的应用这一路面结构形式，有效防止和延缓裂缝出现以及路面破坏具有重要的实用价值，对完善半刚性基层路面也具有重要的理论意义。此外，其成果具有较好的社会经济效益。12 国内外研究概况关于半刚性基层预锯缝技术，国内外都进行过一些研究和应用。法国的结构设计指南对在半刚性基层直接用于沥青层的下卧层时，通常都要求对基层采取预裂措施。一种方法是利用下尖上宽的三棱形切割机在基层上每隔3m5m锯一条缝并达到一定深度，同时在缝中灌注沥青材料。另一种方法是在施工7天后的半刚性基层每隔4m左右对基层进行砸碎破坏，即将980kg重的落球仪从距地面高10cm,、20cm、30cm处砸向地面半径为30cm的金属盘上，故意使半刚性基层内产生细小裂纹。法国的规范要求当交通量大于等于14106时，采用较厚半刚性基层必须预裂，以减少基层的收缩裂缝发展，对其它交通量时，也强烈建议预裂。英国称半刚性基层沥青路面为“不确定使用年限的路面” ，因此很少在交通量大的高速公路上用半刚性基层沥青路面，一般仅用在中、低等交通量的高速公路中。在大交通量的高速公路上，半刚性路面转向采用贫混凝土基层，并设置间距为4m的切缝，使贫混凝土结构的横向裂缝在早期产生。德国的规范规定，如果符合下列三个条件之一，基层必须做横向锯缝处理:当基层抗压强度大于9.0MPa；基层厚度超过20cm；基层上面的沥青路面厚度小于14cm。德国、奥地利在厚度小于15cm, 28天抗压强度小于12MPa的半刚性基层刚完成后允许施工车辆在上面通过，或者铺完后24h，在上面通过振动压路机，故意让半刚性基层遭到人为的损伤。而当基层厚度大于20cm,28天强度大于12MPa时，则在压实后马上预切间距为5m、深度为10cm的深缝。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8m12m做一假缝，深6cm8cm，缝宽10mm12mm；锯缝后立即用沥青马蹄脂填缝。沥青面层铺筑后，在水泥土基层锯缝处上面的面层也会出现有规则且较整齐的裂缝，面层上的裂缝也该用沥青马蹄脂填缝。国内锯缝处理最早是在沈大高速公路上采用的。预锯缝间距采取了30m50m一道的做法，有的甚至100m一道，在预锯缝中没有浇灌沥青，也没有在基层和面层间设置隔离层。经过一段时间的使用后，路面不仅在锯缝处有裂缝，而且在离锯缝很近的地方也出现裂缝。2001年在铺筑黑龙江哈双高速公路时，按照法国专家的意见铺筑了10km预锯缝的半刚性基层沥青路面试验路，锯缝间距10m，在预锯缝中浇灌了沥青，但没有在基层和面层间设置应力吸收层。据3年的实际应用观测，锯缝的段落基本上在锯缝位置发生了比较规则的裂缝。此外，在我国东北地区的其它路上也做过预锯缝(只锯缝，不设置应力吸收层)的尝试，但由于沥青面层厚度不够，锯缝都反射到面层上来。可是面层加厚需要大幅增加工程造价，这是不可取的。因此国内一些地区在不加厚沥青面层的情况下尝试采用“锯缝+贴缝”措施(先锯缝，再用土工织物或土工格栅进行贴缝处理)来进行反射裂缝的防治。河南商丘市公路局在铺筑平原路时，在基层碾压成型后进行了横向锯缝，锯缝间距20m。同时用沥青灌缝，并分别采用30cm和80cm 的单层土工布封缝，个别路段采用80cm双层土工布封缝。经多年观测发现，30cm单层土工布封缝路段，裂缝均反射上来；80cm单层土工布封缝路段，反射裂缝相对较少；80cm双层土工布封缝路段，基本无反射裂缝的出现。宁夏银古高速试验路尝试采用预锯缝间距分别为8m,、10m,、12m，缝深10cm宽5mm的预锯缝措施。此外，在锯缝上分别铺贴2m宽特雷维拉土工布、1.5m宽玻璃纤维土工格栅和2m宽金属网结构。经过实际应用观测，基本无反射裂缝出现。综上所述，从国内外研究机构对于预锯缝技术及反射裂缝的防治研究可以得出以下三点结论：（1）在沥青面层足够厚的情况下(国外一般认为大于等于14cm)，只要锯缝间距合理，采用预锯缝并同时进行灌缝的反射裂缝防治措施是可行的。（2）在沥青面层较薄的情况下，只要锯缝间距和土工织物、土工格栅等贴缝材料技术性能良好、贴缝宽度及厚度合理，可采用“锯缝+贴缝”防裂措施进行反射裂缝的防治。（3）目前国内对于“锯缝+贴缝”防裂措施的研究尚处于初步阶段，对于锯缝的合理间距、合理时间、合理宽度、合理深度以及贴缝材料的技术性能要求、合理贴缝宽度等缺乏深入的研究。13 主要研究内容本文以S238常付线改建工程和S220线孟寨至郭庄段公路改建实体工程为依托，通过深入分析水泥稳定碎石基层收缩开裂机理以及反射裂缝产生和扩展机理，从漯河及附近地区的气候及施工实际状况出发，借鉴学习国内外的相关研究成果，进行水泥稳定碎石基层沥青路面结构温度场分析，水泥稳定碎石基层预锯缝技术研究。在结合S238常付线改建工程预锯缝实施路段病害研究基础上，进行实体工程试验，验证理论研究结论的可行性，并进行经济性分析。具体研究内容如下：1、水泥稳定碎石基层收缩开裂及反射裂缝机理分析；2、水泥稳定碎石基层沥青路面结构温度场分析；3、水泥稳定碎石基层预锯缝技术研究；4、实体工程应用及经济性分析。第二章 半刚性基层收缩开裂及反射裂缝发展机理分析21 半刚性基层收缩开裂机理分析半刚性基层收缩开裂包括干缩开裂和温缩开裂两种。国内研究表明：基层的收缩开裂，对于含土较多的材料以干缩为主，对含集料较多的材料以温缩为主。干缩主要发生在竣工后初期阶段，当基层上铺筑沥青面层以后，除了少数路段干湿变化较大外，基层的含水量一般变化不大，此时基层的收缩则以温缩为主。现就干缩机理和温缩机理进行具体分析。1、干缩开裂干缩开裂是指半刚性基层材料因内部含水量变化(水分蒸发)而引起的体积收缩开裂现象。干缩的基本原理是由于水分蒸发而发生的“毛细管张力作用”、“吸附水及分子间力作用”、矿物晶体或胶凝体的“层间水作用”以及“碳化脱水作用”而引起的整体宏观体积的变化。受天气的影响，一般首先散失基层材料中大孔隙中的重力水，这通常不会引起体积变化，接着在毛细管孔中水的毛细管张力的作用下，随着水分的散失，毛细管孔径越来越细，引起收缩。在毛细管张力作用的后期，随着相对湿度的继续降低，吸附水和分子间力开始起作用，颗粒表面吸附水膜变薄，间距变小，分子力逐渐增加，引起体积收缩。另外，碳化收缩也会引起基层材料的整体收缩，由于Ca (OH)2和CO2生成Ca（CO）2结晶物和水，水分散失后引起碳化收缩。由此可见，矿物成分和分散度对基层材料干缩性影响最大，含有较多粘土矿物和分散度大、比表面大的材料有较大的干缩性；集料含量增加可减少基层整体材料的孔隙率、比表面和含水量，从而能较大幅度的降低干缩性；此外，随着养生龄期增加，强度与刚度增加，可在一定程度上降低材料的干缩性能。所以，初期养生不良或施工时材料的含水量太大，极有可能导致半刚性基层产生较大的干缩。2、温缩开裂半刚性基层材料的温缩特性对沥青路面的开裂有重要影响。基层内部的温度变化和温差的影响会使基层产生温度应力。从宏观角度来看，随着温度下降，基层材料开始产生不同程度的收缩，当气温骤降时，产生于基层材料内部的拉应力或拉应变很可能超过材料本身的抗拉强度或极限拉应变，从而导致基层开裂。从微观角度上看，温缩是由固相胀缩和液相胀缩引起的。由于混合料中固相颗粒间的键力、离子电荷、间距及空间结构不同，温度变化时，各向胀缩性不同，导致温缩；同时，由于水的热胀缩很大，温度升高时，水的扩张压力使颗粒间距离增大而产生膨胀，反之，则产生收缩。半刚性基层材料中固相部分的收缩系数取决于各固相的成分及其含量配比。就组成固相的矿物颗粒而言，原材料中粗集料的温缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温缩性较大，因此，在混合料设计和施工时控制混合料中细集料含量或通过掺加胀缩性小的材料，可以减小混合料温缩性。此外，水对半刚性基层材料的胀缩性影响很大，当温度高于冰点时，水的存在会使其收缩系数显著增大；当温度低于冰点时，在含水量较大的情况下，水的冻结会引起整体材料胀缩，从而使其收缩系数减小。因此，施工过程中应严格控制混合料的含水量。22 反射裂缝产生及发展机理分析2.2.1反射裂缝的产生半刚性基层沥青路面反射裂缝产生的主要原因可归结为温、湿变化引起基层开裂，交通荷载作用于裂缝时，缝端沥青面层内产生应力集中，从而导致反射裂缝发生。在沥青路面使用期间，通常有温度变化引起的反射裂缝，称之为温度型反射裂缝，相应地由交通荷载作用引起的裂缝称之为荷载型反射裂缝。1、温度型反射裂缝 外部环境对基层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，由于作用周期较长，沥青面层的顶面和底面温度较接近。在寒冷的季节，基层产生收缩变形，在沥青面层内产生拉应力；在炎热的夏季，基层膨胀，在沥青面层内产生压应力，由此产生的反射裂缝。在日变化温度作用下，沥青面层顶面温度变化较大，底面温度变化较小，使沥青面层出现翘曲变形。随着温度的下降，在沥青面层顶面产生拉应力，底面产生压应力。温度变化越大、越快，产生的应力越大，沥青面层越容易开裂。2、荷载型反射裂缝当行车荷载使经裂缝时，在沥青面层中产生应力作用，根据荷载对裂缝的作用时间，可以把荷载对裂缝的影响过程分为三种情况：（1）车轮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）车轮荷载位于裂缝顶面时，裂缝两侧无相对位移或相对位移较小，沥青层主要承受弯拉应力作用；（3）车轮荷载使离裂缝时，在面层内产生与第一次方向相反的剪应力，在整个过程中面层受到两次剪切一次弯曲，而且是连续的。由上述分析可知，行车荷载的作用下的最不利位置有两种，一种是荷载作用在基层板裂缝的一侧，基层板在这种荷载作用下，裂缝两侧产生相对的竖向位移差，沥青面层中的剪应力增大，造成剪切型反射裂缝；另一种是荷载作用在裂缝顶面，由于在裂缝处的基层板不能承受拉应力，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。2.2.2影响反射裂缝的因素除了温度、行车荷载等外界因素外，路面结构本身特性对反射裂缝的产生也有一定的影响，它包括：基层与面层之间的层间粘结性能；基层性能参数(基层板厚度、弹性模量、裂缝间距、裂缝宽度)；沥青面层结构参数与材料性能。 通常，影响温度型反射裂缝的主要因素是基层与面层的粘结情况、面层厚度、基层裂缝间距、宽度及基层和面层材料的收缩系数；基层和沥青面层的弹性模量也有一定的影响。对于弯拉型反射裂缝，在正中行车荷载的作用下，荷载应力随层间界面模量的减小而增大，随沥青面层厚度的增加而减小，其它因素的影响是较小的。影响剪切型反射裂缝最主要的因素有：基层与面层间的粘结性能、面层的弹性模量、面层的厚度、基层裂缝的宽度、基层板厚度以及基层弹性模量；基层板的刚度对剪切型反射裂缝的产生也有一定的影响，基层裂缝间距等因素是完全可以忽略的。总之，当基层裂缝宽度较小、裂缝间距较大、基层及面层材料收缩系数较大而层间粘结又较紧密时，沥青面层温度型反射裂缝最可能产生；相反，在基层板厚度较小而层间粘结又较差的情况下，沥青面层中容易产生荷载型反射裂缝，特别是剪切型反射裂缝。2.2.3反射裂缝的扩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强度时，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，中间要经过一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在沥青面层厚度方向上的纵向扩展和在沥青面层表面上的横向扩展。1、反射裂缝的纵向扩展断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式。其中温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，交通荷载对反射裂缝影响的主要模式是张开模式和剪切模式，当荷载驶经裂缝的正上方时，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不常出现。与张开模式相对应的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。Rigo等人应用SAPLI5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，Haas认为，裂缝产生在面层的顶面和底面，而后向面层中间扩展。对于正荷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，在周期性荷载的作用下垂直向上扩展。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，Rigo等人对其扩展路径进行了分析，认为裂缝在沥青面层中沿450角的方向向上扩展。当交通荷载(偏荷载)和温度应力共同作用于沥青路面结构时，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作用时的裂缝扩展途径更垂直一些。2、反射裂缝的横向扩展通常，反射裂缝在瞬间不可能贯穿整个路面宽度，除非在荷载和温度应力作用下，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是不稳定的)。较为合理的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝多出现在轮迹处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，而交通荷载则以一定的频率分布在车道上，尤其在渠化交通的路面上。23 本章小结本章通过对半刚性基层收缩开裂及反射裂缝机理进行深入分析，得出以下几点结论：1、干燥收缩主要发生在竣工后初期阶段，当基层上铺筑下封层及沥青面层以后，基层的收缩转化为以温度收缩为主。2、温度应力是产生反射裂缝的主要因素，它引起反射裂缝的产生，并参与了最初的扩展；而荷载应力只是加速了裂缝的进一步发展。3、由温度变化而产生的收缩变形是引起沥青面层反射裂缝的主要原因。第三章 半刚性基层沥青路面结构温度场分析31 路面结构温度场基本理论国内外研究表明，路面结构温度场主要受气温、辐射、风速、云量以及日照时间等因素的影响，而气温和辐射则是路面结构温度场最主要的影响因素。因此，有必要对路面结构所受气温和辐射的变化规律进行分析。在未铺沥青面层和已铺沥青面层两阶段情况下的路面结构所受气温和辐射变化规律都是一样的。根据长安大学王秉纲教授、韩子东等对许昌、郑州两地路面结构温度场的研究结果知：（1）在正常天气时，气温和辐射的日变化过程如图3-1所示。日出后，气温快速上升，在下午2:00左右达到最高；气温的下降速度相对较慢，在清晨5：006:00左右降至最低。升温阶段为9小时左右，降温阶段约为15小时。昼夜平均气温以及气温的变化幅度随太阳总辐射量的增加而增加。(2)气温和辐射是路面结构温度场最主要的影响因素。路表温度几乎与气温同步周期性变化，见图3-2。凌晨5：306:30之间，路表温度最低，而后路表温度快速升高，于中午14：00左右达到最高，至次日凌晨5：306:30左右再次达到最低。路表温度变化幅度远大于气温的变化幅度。（3）气温和辐射的年变化决定了路面结构温度场的年变化规律。气温和辐射的年变化曲线见图3-3、图3-4。夏季太阳辐射量大，气温高，路面结构温度高，冬季则相反。32 未铺筑沥青面层阶段路面结构温度场分析3.2.1未铺筑沥青面层路面结构温度分布及变化规律未铺沥青面层时路面结构温度场类似于水泥混凝土路面，故分析该阶段情况时可借鉴水泥路面的温度场变化规律。借鉴国内对水泥混凝土路面结构温度分布及变化规律的研究结果，未铺沥青面层阶段基层温度分布及变化，有如下规律：（1）基层温度随气温和辐射的昼夜变化而周期性变化。随着深度增加，温度波动滞后时间逐渐增加；（2）随着深度的增加，温度波动的幅度逐渐减小。当基层达到一定深度时，沿深度方向的温度分布可以近似视为线性变化；（3）基层的最高温度和最低温度均出现在基层表面，且表面最低温度有可能低于最低气温；（4）基层在经历了秋冬季节(有些经历夏秋冬三季)后，不论最高温度，还是最低温度，其季节温差都十分明显；并且随着深度增加，季节温差逐渐减小。3.2.2未铺筑沥青面层路面结构温度场计算方法在未铺沥青面层阶段，基层顶面与大气直接接触，底面与下承层相接触，这一点与水泥混凝土路面结构是相似的。但考虑到基层与大气直接接触只是暂时性的，基层内部温度场直接受外界气温和辐射影响相对水泥混凝土板要小。因此，在计算未铺沥青面层阶段路面结构温度场时，不考虑基层表面换热系数及基层表面的温度变化，可推导出路面结构温度场解析解的近似计算公式。首先假定未铺沥青面层阶段路面结构为一均质半空间体系，热量的流动沿着垂直于基层的方向，经基层表面，传入或传出路面结构。根据一维热传导方程可得未铺沥青面层阶段路面结构一维热传导方程为： （式3-1）初始条件为 边界条件 式中：T温度场（）； z温度计算点距基层表面的深度（m）；t时间（s）； r基层材料的密度（kg/m3）； s基层材料的热容量（J/kg. ）；k基层材料的导热系数（J/m.h. ）；T0基层初始温度（）；TA基层表面温度（）；H基层厚度（m）。为求解上述方程，可令和，则上述方程可变为再令，则上述方程由可变为解此微分方程得： 则 （式3-2）式中微分常数c1，c2可根据初始条件和边界条件确定。Z=0时，u=0 由得t=0时，u由得由上可求得：将c1、c2值代入式3-2得到解为 （式3-3）现用Norsett近似计算式代替得其中是的k阶拉盖尔多项式，这里取前三项可得式中则未铺沥青面层阶段路面结构温度场解析解可写成 （式3-4）根据上式并结合不同时刻对应的基层实测或理论计算的表面温度，可近似计算出未铺沥青面阶段路面结构基层内不同时刻沿厚度方向上的温度分布。33 已铺筑沥青面层阶段路面结构温度场分析3.3.1已铺筑沥青面层路面结构温度分布及变化规律根据国内外研究机构对沥青路面结构温度分布及变化规律的研究结果，可得出下列结论：（1）路面结构温度随着气温和辐射的昼夜变化而周期性变化。随着深度增加，温度波动滞后时间逐渐增加；（2）随着深度的增加，温度波动的幅度逐渐减小。而1m深处的温度日变化已经很小，在0.3之内，此深度处的温度年变化占主导地位。面层温度在不同时刻一般呈现曲线变化；当结构层深度大于30cm时，沿深度方向的温度分布可以近视视为线形变化；（3）沥青路面的最高温度出现在距离路表面03cm之间，最低温度出现在路表面，路表最低温度有可能低于最低气温；（4）以年为周期的路面结构温度场在不同季节的温度分布，不论最高温度，还是最低温度，季节温差都十分明显，并且随着深度增加，季节温差逐渐减小。3.3.2已铺筑沥青面层路面结构温度场计算方法对于已铺沥青面层阶段路面结构温度场的理论计算，国内外学者对此进行了大量的研究工作。美国Barber于1957年首先提出了路面结构温度场的理论计算方法，它将路面视为半无限体，大气温度和太阳辐射量假设为正弦函数，进而推导出了路面温度场计算公式。2001年，王秉纲、韩子东等将路面视为层状体系，从热传学基本原理出发，用解析法对一维沥青路面结构温度场进行了深入的研究，并导出了沥青路面温度场计算公式。此外，国内外一些研究者在大量有关路面结构温度变化规律数据的基础上，通过选择适当的函数拟合形式，得出了沥青路面结构中温差的分布函数。本文主要介绍和运用沥青路面结构温差分布函数方法。国内外大量的测量数据表明，沥青路面结构中的温度变化幅度值随着深度增大而逐渐减小，路表发生变温，变温沿深度方向的衰减可按指数函数关系计算。下面介绍两种形式的指数函数。第一种形式是假设在路面体内的每一结构层中温差分布为： （式3-5）式中n路面结构层序号； yn1、yn2分别为第n层顶面和底面的坐标； Tn1、Tn2分别为第n层顶面和底面的温差。第二种形式为根据吴赣昌的二维沥青路面温差模拟函数进行简化而得出的一维温差分布函数： 及 （式3-6）式中T1路面表面温度； b1控制温度随深度变化的因子，一般可取bi=25（i=1，2，3，）； y距路面表面的深度。对于第一种温度分布形式需事先知道每一层顶面和底面的温差；而第二种形式则只要知道路面表面的温差即可，但对bi的取值有要求。34 本章小结本章通过对半刚性基层沥青路面结构温度场的深入分析，得出以下几点结论：1、无论是未铺沥青面层阶段还是己铺沥青面层阶段，路面结构温度都随气温和辐射的昼夜变化而周期性变化，且随着深度的增加，温度波动的幅度逐渐减小；此外，不论最高温度，还是最低温度，其季节温差都十分明显，并且随着深度增加，季节温差逐渐减小。2、未铺沥青面层阶段路面结构温度场类似于水泥混凝土路面结构，基层板的最高温度和最低温度均出现在基层板表面，且表面最低温度有可能低于最低气温；而已铺沥青面层阶段沥青路面的最高温度出现在距离路表面03cm之间，最低温度出现在路表面。3、根据未铺沥青面层阶段基层板所受外界气温和辐射影响的实际情况，推导出了未铺沥青面层阶段路面结构温度场近似解析解。第四章 半刚性基层预锯缝技术研究41 半刚性基层预锯缝处理的目的合理的预锯缝处理包括锯缝、填缝和贴缝三个方面。对半刚性基层进行预锯缝处理的目的；一是有效控制裂缝的产生位置和数量，使裂缝规则化；二是防止路表水通过基层裂缝渗入土基。这是因为半刚性基层是一种水硬性结合料处治的结构层，这种结构层对温度敏感，预先在基层中制造出规则间距的裂缝，并在锯缝缝隙处预加处理(如填缝并进行贴缝处理)，可以防止基层预锯缝反射到沥青面层上来；即使基层预锯缝反射到沥青面层上来，反射裂缝也比由基层自由开裂而产生的面层反射裂缝规则，规则的裂缝边缘在行车荷载的作用下不容易碎裂，而因自由开裂产生的不规则裂缝边缘在行车荷载的作用下容易损伤，由此而产生的龟裂、网裂、坑槽等病害现象要比由自由开裂状态下而引起的这些病害现象少。此外，进行预锯缝处理后，阻断了路表水渗入路基的路径，使路面不会产生卿泥、冲刷现象，从而起到防水和阻止路面进一步破坏的效果。42 半刚性基层预锯缝间距的确定4.2.1影响半刚性基层缩缝间距的因素根据半刚性基层的受力特点，其缩缝间距与下面几个因素有关：1、温度胀缩应力由于大气温度和太阳辐射的周期性变化，致使半刚性基层产生较大的年温差，年温差引起温度变形，周期性较长，温度变化较缓慢，因此基层间距的胀缩在其厚度范围内成均匀分布，这种变形一旦受到约束将产生均匀的温度胀缩应力。由年温差引起的胀缩应力是影响基层缩缝间距的重要因素。2、温度翘曲应力在日温差较大的季节，由于日温差变化周期较短，在路面厚度范围内呈现不均匀分布，板上下形成的温度梯度，将产生翘曲应力，温度梯度会使水泥稳定碎石基层产生翘曲变形的趋势，当这种趋势受到约束时，会在基层板内产生翘曲应力。在气温差较大的情况下，基层顶部温差幅度很大，而基层底部温差幅度相对较小，在最高气温与最低气温两个不同时刻形成的最大变温场也将产生温度翘曲应力。考虑到沥青面层隔温作用，基层内温度梯度不是很大，因此翘曲应力对基层缩缝间距的确定不是主要因素。3、干缩应力由于水泥的水化和水分的蒸发，稳定类基层发生收缩变形，当这干缩变形受到约束时产生干缩应力。干缩应力的大小除了取决于基层锯缝间距，还取决于稳定类基层的干缩系数、基层与面层和底基层的约束情况、失水量等因素，其中失水是产生干缩的内因。因此在施工中若能严格控制稳定类基层的水分散失，通过加强养护，便能够减小甚至完全消除干缩裂缝的发生。而且稳定类基层一旦覆盖上沥青面层之后，其水分散失变得困难。因此干缩应力不是控制缩缝间距的主要因素。4、荷载应力在路面设计中，其中需对荷载作用于基层产生的拉应力进行了验算，所以只要设计合理，荷载应力对基层锯缝间距的确定影响不明显。但是在考虑到温度应力与荷载应力综合，干缩应力与荷载应力综合以及翘曲应力与荷载应力综合成最不利情况时，荷载应力对基层锯缝间距确定有一定影响。4.2.2温度胀缩应力、荷载应力与锯缝间距的关系半刚性基层材料因自身温度变化而胀缩，受土基(或底基层)和面层的约束产生温度应力，在这里讨论的温度应力考虑的是半刚性基层材料的整体平均温度的变化，沥青面层的隔温作用使得基层在深度方向温度的变化不是很大，即基层温度梯度很小，温度翘曲应力忽略不计。同时，应该指出的是一旦铺筑沥青面层后其基层内部失水就变得困难起来，含水量的变化只在初期面层为铺筑前少许，面层覆盖后可以近似认为零。而先前少许含水量变化所产生的干缩应力在长期的使用过程中由于应力松弛作用变得微乎其微，所以可以不考虑干缩应力。长安大学的蒋应军取半刚性基层锯缝间距分别为8m、10m、12m、15m、18m、20m、30m、40m、80m对锯缝间距的变化对温度胀缩应力的影响进行了研究。结果如图4-1所示。图4-1 锯缝间距与温度胀缩应力的关系由此图可以看出，曲线在锯缝间距20m附近的右侧陡而左侧缓，亦即随基层锯缝间距的增长刚开始温度应力急剧增大，间距大于20m增长的趋势变得平缓。这就告诉我们只要基层材料的模量、厚度、抗拉强度以及面层材料的模量、厚度设计的合适，就可以大大提高基层的抗裂性能，也就是说基层的锯缝间距可以大大延长。根据荷载应力的有关研究可知，由荷载应力引起基层拉应力的大小随面层模量、基层模量以及面层厚度的变化成线性变化；而基层厚度、基层锯缝间距等因素对基层拉应力变化不敏感。因此在确定基层锯缝间距时由荷载引起的基层拉应力可以结合具体的面层模量、厚度和基层模量当作定值考虑。长安大学的蒋应军计算的温度胀缩应力、荷载应力和锯缝间距的结果如表4-1所示。结果表明：（1）施工养护初期，如果半刚性基层的抗拉强度很低，则抗拉强度是控制锯缝间距的主要因素。此时抗拉强度和昼夜温差T都对锯缝间距的影响极为敏感。（2）在一般情况下，路面设计年限末期的锯缝间距计算值往往成为控制性的因素。因为随着交通量的增加，荷载疲劳作用增大，由荷载引起的基层拉应力逐步增加，从而必须设法减少温度应力。由于锯缝间距对温度应力影响较大，对荷载应力影响不明显。所以可通过缩短锯缝间距来避免因荷载应力增加而导致基层开裂。另外计算结果也表明高温期施工的基层锯缝间距值小于低温期施工的锯缝间距。（3）基层内季节性温差若在40左右，锯缝间距15m25m范围内；基层内季节性温差如在30左右，锯缝间距25m40m范围内；基层内季节性温差若在20左右，锯缝间距40m60m范围内。表4-1 温度胀缩应力、荷载应力和锯缝间距龄期（d）抗拉强度（MPa）荷载应力（MPa）锯缝间距（m）温度收缩应力T1（）T（MPa）T2（）T（MPa）T3（）T（MPa）70.280810-0.09359-0.08415-0.046710-0.102-0.0918-0.050112-0.1076-0.0968-0.053916-0.1146-0.1031-0.057320-0.1190-0.1071-0.059530-0.1253-0.1127-0.0626280.610.2810-0.093520-0.186930-0.280410-0.102-0.2040-0.306012-0.1076-0.2152-0.322816-0.1146-0.2292-0.343820-0.1190-0.238-0.356930-0.1253-0.2505-0.3758900.860.3820-0.186930-0.280440-0.373810-0.2040-0.3060-0.408012-0.2152-0.3228-0.430416-0.2292-0.3438-0.458420-0.238-0.3569-0.475930-0.2505-0.3758-0.501043 半刚性基层预锯缝时间的确定 采用预锯缝的稳定类基层及时锯缝，使基层有规则的断开以释放基层内的温缩应力，是防止基层养生阶段开裂的最有效的措施。如锯缝太早因强度不足，缝槽被锯缝机打成不规则的毛边；如锯缝太晚基层在早期温度裂缝己经形成，造成开裂。因此，提出合理的确定锯缝时机的方法就显得比较重要。比较养生阶段水泥稳定类基层强度与温度胀缩应力的变化，当温度胀缩应力大于水泥稳定类基层抗拉强度时就有可能在养生阶段发生开裂，这是确定基层锯缝时机的依据。具体确定方法如下：1、确定基层内温升曲线铺筑基层时，在基层厚度中心埋置温度计，碾压完毕后，考虑水泥水化热作用，起初5小时内每15min读取一温度值(最好同时记下该时刻气温)，以后可按30min读取一数据，以温升值为纵坐标，时间为横坐标，绘制成温升过程曲线。 2、根据温升曲线确定基层温度应力假设在与时刻温升曲线达到峰值Tmax，则在t1t0时刻，基层处于升温阶段，在该时刻基层不会出现温度收缩应力，而且强度增长较快，因此该阶段对基层有利；当t2t0，处于降温阶段，此时基层出现收缩应力，如果温度应力超过基层材料抗拉强度时基层便出现开裂，设t2时刻温度为T2。计算出t0以后的温度应力，并绘制成温度应力-时间的关系曲线。3、强度增长曲线基层碾压完毕，在水泥终凝结束开始钻芯取样测试基层材料间接抗拉强度，以后每隔12h钻芯一次测定其间接抗拉强度，钻芯取样不小于5次。将测得的对应的抗拉强度绘制在温度应力-时间的关系曲线，找出两者第一次相交的时间Tmax，该点即为锯缝的极限时间。考虑到还没有覆盖面层，势必会有一定的干缩存在，应该考虑一个适当的安全系数K(K1)。该法刚开始虽然显得有点麻烦，但其试验很简单，一旦取得了气温、基层温度、强度资料后，其复演性好。44 半刚性基层预锯缝深度的确定在进行半刚性基层预锯缝时，锯缝深度也是必须考虑的一个因素。锯缝必须达到一定深度，基层结构才能发生断裂，即基层在温度作用下从此缝向下规则断裂;若锯缝达不到一定深度，则基层结构的断裂将会不规则，达不到预锯缝的目的。因此，对半刚性基层进行锯缝合理深度的确定也是十分必要的。徐江萍教授应用线弹性断裂力学对锯缝合理深度的研究结论认为：（1）当a/H较小时，温度变化值即T值相当大，即线弹性力学在a/H很小时不适用，原因可能是半刚性基层材料实际上是一种硬化水泥浆与集料组成的二相复合材料，线弹性断裂力学的均匀假设前提在半刚性基层表面不成立。故a/H很小时可看作未锯缝的半刚性基层。（2）相对锯缝深度a/H一定时T相差很小，故可以认为变温一定时相对锯缝深度与锯缝时间没有关系。（3）随着基层厚度增大，a/H减小，即基层厚度增加时，相对锯缝深度a/H可以减小，但减小的幅度比较小。（4）对于水泥稳定碎石基层，施工季节不同时，基层变温情况是不同的，故其相对锯缝深度也不同。根据图4-2并结合河南省大部分地区基层施工的实际情况，水泥稳定碎石基层相对锯缝深度的建议值如表4-2所示。图4-2 相对锯缝深度a/H与变温曲线表4-2 相对锯缝深度与基层厚度及变温的关系变温（）30502030520相对锯缝深度3/20H1/5H1/5H1/3H1/3H1/2H45 本章小结通过半刚性基层锯缝研究，得出如下结论：1、温度胀缩应力是确定基层缩缝间距的主要因素，而温度翘曲应力、干缩应力和荷载应力不是控制缩缝间距的主要因素。2、基层内季节性温差若在40左右，锯缝间距15m25m范围内；基层内季节性温差如在30左右，锯缝间距25m40m范围内；基层内季节性温差若在20左右，锯缝间距40m60m范围内。3、从半刚性基层养生阶段强度增长特性、温度变化规律和芯样完整率与基层强度增长关系分析入手，并结合实体工程，总结出了有效确定锯缝合理时间的方法。4、通过半刚性基层相对锯缝深度与温差关系分析可知，相对锯缝深度随着基层板厚度的增加而减小；此外，锯缝间距增加时，相对锯缝深度a/H可以减小，但减小幅度越来越小，并逐步趋于稳定。第五章 实体工程应用及经济性分析51 实体工程应用5.1.1工程概况 S238常付线改建工程，该工程是S238常付线在漯河市区的过境路段，为新建段。路线中段起点位于姚庄西北的新107国道上（K311+984），向东途经姚庄北、塔河南、上跨京广铁路，再经丘里、塔前王北、庙王、跨沙河，中段终点（K321+028）。路线东段起点位于罗庄，顺接中段的终点（K321+028），向东经桂子李，下穿京珠高速公路后，沿桂王村、油李，从归村北侧绕过接老路（K333+525），然后路线沿老路布线至终点周口界（K337+768），路线全长25.784公里，总体走向由西向东。本项目全线设计标准为平原微丘区二级公路标准，设计行车速度80km/h，双向4车道。S220七蚁线孟寨至郭庄段公路改建工程所在地为漯河市西部的舞阳县。舞阳县地处淮河流域，沙、澧河横贯全境，海拔62至102m，南高北低，西高于东，自西向东缓斜。地势分岗地、平原、洼地。岗地约占全县总面积的23.5%，横亘于城关镇和保和、城关、辛安、吴城等乡，一般海拔90m左右，保和乡马岗村西北最高，海拔在102m；平原约占全县总面积的42.6%，分布于孟寨、马村、姜店、侯集、太尉等乡；洼地约占全县总面积的33.9%，分布于北舞渡、拐子王、九街及姜店、马村等部分地区。以上工程所在地属于温暖过渡型季风气候，气候特点表现为“冬季寒冷雨雪少，夏季炎热雨集中，秋季凉爽日照长，春季干旱多大风。”一年当中，冷热交替，四季分明。全年平均气温为14.6。一月最冷，平均气温在0.50.7，七月最热，平均气温为27.6。极端最高温度为40.5，极端最低温度-16，最大冻土深度为17cm，全年无霜期216225天。年平均降水804.1mm，且雨量多集中在7、8、9三个月，年平均风速2.84m/s。5.1.2实体工程试验方案科研小组首先对S238常付线改建工程已经预锯缝实施的路段进行了实地的现场勘察,对于在试验路段出现的裂缝，我们破除沥青面层进行细致的检查,并结合该试验段内业资料和施工记录.认真分析了在技术理论和施工水平的误差,积极就出现的问题和别地市的同行及专家进行请教和交流。在坚信理论指导可行,施工关键工艺和技术能够控制的基础上,我们科研小组在S220线孟寨至郭庄公路改建工程施工过程中,积极应用我们关于半刚性基层预锯缝技术的研究。S220线孟寨至郭庄公路改建工程水泥稳定碎石基层预锯缝技术试验实施方案见表5-1表示。表5-1预锯缝实体工程方案试验路段k144+250-K144+958k142+500-K144+250k141+150-K142+500施工时间2007.52007.82007.9温差232128切缝深度6cm6cm6cm切缝宽度3-5mm3-5mm3-5mm切缝间距25M30M20M贴缝材料APP改性沥青油毡APP改性沥青油毡APP改性沥青油毡5.1.3现场试验工程情况根据施工进度，试验段水泥稳定碎石基层铺筑完并养生3天后进行了预锯缝、填缝以及贴缝处理。1、锯缝处理预锯缝采用大功率混凝土切缝机锯缝，锯缝深度6cm，宽度35mm，锯缝整齐美观，无缝口参差不齐现象。2、填缝处理在铺筑沥青面层前进行填缝处理。在进行填缝前，用铁皮制成一种楔形漏斗，长度2030cm，下口略小于锯缝宽度，上口宽510 cm。灌缝时边向漏斗中加入填缝料，边移动漏斗。灌缝时应注意保温，前进速度与出料速度必须协调，边灌边用铁钩来回钩动，使缝壁上残留的少量灰尘混入填缝料中。 3、贴缝处理结合预锯缝措施，对预锯缝进行填缝处理完毕后在其上铺设一定宽度的带条贴缝材料。贴缝效果与基层的处理情况密切相关，在铺设前必须将基层上可能影响基层与贴缝材料结合的物质如封层料、污物、油脂彻底清除干净，并在基层上的尖锐的部分予铲除以免刺穿贴缝材料。此外，贴缝材料铺设宽度为0.8m，每卷长200m,铺设前按基层宽度裁剪。52 实体工程应用效果检测5.2.1实体工程强度检测对试验路段