旧水泥路面沥青加铺层抗剪切疲劳分析

旧水泥路面沥青加铺层抗剪切疲劳分析摘要：基于剪切疲劳损伤等效原则的标准轴载换算，通过直道试验数据回归得到剪切疲劳方程，对比分析旧水泥混凝土路面加铺GSOG-20沥青材料层与AC-20沥青材料层抗剪切疲劳的效果，选出优选方案。关键词：直道试验；剪切疲劳损伤等效；标准轴载换算；疲劳方程旧水泥路混凝土面加铺沥青路面时，由于旧水泥混凝土路面接缝(或裂缝)的存在，在行车荷载的作用下，旧水泥板在接缝(或裂缝)处将产生弯沉与弯沉差，从而使接缝(或裂缝)上的沥青混凝土加铺层经受较大的剪切应力，在反复的行车荷载作用下，沥青混凝土面层将产生剪切疲劳破坏而开裂即产生反射裂纹，故沥青混凝土加铺层有较大的抗剪切疲劳寿命对防止和延缓其反射裂纹的产生是非常重要的。现通过室内直道试验数据回归得到沥青混凝土加铺层的抗剪切疲劳方程，在同等条件下(同样的初始路表弯沉差)对比分析面层分别为GSOG-20沥青材料层、AC-20沥青材料层、AC-20沥青材料层+玻璃纤维土工格栅3种加铺方案抗剪切性能的优劣。1直道试验路铺设1.1水泥混凝土路面板施工在浇注水泥混凝土路面板前，用水泥砂浆将基层抹平，然后分别对各板板端位置的下卧结构进行处理，使得所浇注的水泥混凝土板在该位置处形成脱空，由此当轮载经过该横缝位置处时，相邻板间能够形成一定的弯沉差，进而在沥青材料层中产生竖向剪切应力，形成剪切破坏效应。在30m有效加载长度范围内铺设6块C30水泥混凝土板，其中，水泥混凝土板的几何尺寸（长×宽×厚）为4.3m×3m×1.2水泥混凝土板接缝弯层测试与传感器的埋设在水泥混凝土板浇注成型后，进行了路面板接缝处弯沉测试，弯沉测点位置布置图见图1-1，测试结果见表1-1。为了准确测量路面结构内部的应力变化，在水泥混凝土路面表面埋设了应变片，位置在单轮底部正下方。进行疲劳试验前，对数据采集系统进行调试，确保各通道数据稳定且不会溢出。影响接缝处沥青加铺层开裂破坏的关键因素之一是接缝的平均弯沉及弯沉差。根据相关研究，影响平均弯沉主要因素在于板底基础均匀支承状况和路面板结构强度，影响弯沉差的主要因素在于板底脱空和接缝传递荷载能力；有效地控制沥青加铺层开裂破坏、延长其使用寿命，应将接缝处平均弯沉及弯沉差控制在某一临界值以下。在美国沥青协会设计方法中，规定80KN标准轴载下接缝平均弯沉和弯沉差应分别不超过0.36mm和0.05mm。在我国，因标准轴载为100KN，不能直接照搬美国标准，尽管目前尚无国家统一的弯沉控制标准，但不少地方借鉴国外规定和当地工程经验，提出了自身的弯沉控制标准，较为普遍的是平均弯沉值为0.42mm或0.45mm、弯沉差为0.06mm。北图1-1弯沉测点位置布置图表1-1弯沉差测试结果（0.01mm）缝号轮重（吨）缝1缝2缝3缝4缝5北侧弯沉差56.010.713.013.011.0南侧弯沉差512.06.013.09.311.7弯沉差平均值59.08.413.011.211.4北侧平均弯沉值57.07.59.811.226.7南侧平均弯沉值511.07.58.79.921.0平均弯沉平均值59.07.59.310.623.9对于本次直道试验路对比试验，本应保证接缝平均弯沉和弯沉差达到上述要求，但由于试验周期要求紧，欲在短时间内使得沥青加铺层产生破坏现象（即达到使用末期状况），对弯沉值的控制不能过于严格；同时，本试验项目的主要目的在于对比研究提出的沥青材料与常规的AC-20材料的性能。因此，在试验路铺设前，结合工程实践，在上述弯沉控制条件基础上适当放松了接缝弯沉控制标准，要求沥青层加铺前接缝弯沉差控制在0.15mm以下。表1-1中数据表明，施工结果达到了预期目标。由于施工中影响因素复杂，难以保证每条接缝弯沉达到同样的数值。1.3加铺沥青路面修筑了两种不同的路面结构，在缝1和2处铺设6cm厚的常规AC-20，在缝3处加铺玻璃纤维土工格栅+6cm厚的常规AC-20，在缝4和5处铺设6cm厚的GSOG-20。具体的材料层为在同一接缝处分别加铺同样厚度的沥青层将获得同样的初始路表弯沉差，此时决定加铺层疲劳寿命差异的因素主要为b值。根据表３-1和３-2，可以计算AC-20沥青混合料加铺层、AC-20沥青混合料+玻璃纤维格栅加铺层、GSOG-20沥青混合料加铺层的b值的平均值分别为b=0.102，0.058，0.042。根据以上结果，对比前述三种沥青加铺结构在同样的初始路表弯沉差值结构条件下，经受荷载反复疲劳作用达到同样的弯沉差情形时的标准轴载累计次数，设Δ/Δ0=1.5，由式3-1得此时三种加铺结构承受的标准轴载累计次数分别为：AC-20沥青混合料加铺层53次AC-20沥青混合料+玻璃纤维格栅加铺层1086次GSOG-20沥青混合料加铺层15586次类似，可以对比该三种沥青加铺结构在同样的初始路表弯沉差值结构条件下，经受同样次数的标准轴载反复作用时各自的路表弯沉差比值Δ/Δ0。如设Ne=100万次，由式3-1得此时三种加铺结构的路表弯沉差比值Δ/Δ0分别为：AC-20沥青混合料加铺层4.09AC-20沥青混合料+玻璃纤维格栅加铺层2.23GSOG-20沥青混合料加铺层1.79上述对比结果表明，三种加铺层结构经受同样的荷载作用之后仍保持结构支承性能最好的是GSOG-20沥青混合料加铺层即其具有最佳的抗荷载剪切疲劳效果，其次是AC-20沥青混合料+玻璃纤维格栅加铺层，最差的是AC-20沥青混合料加铺层。4结语水泥混凝土路面加铺沥青混凝土路面研究沥青加铺层的剪切疲劳效应，在进行标准轴载换算时，不能按现行沥青路面设计规范中的标准轴载换算方法，而应基于剪切疲劳损伤等效原则进行标准轴载换算。通过疲劳分析对比，GSOG-20沥青混合料加铺层较常规的AC-20沥青混合料具有更优异的抗荷载剪切疲劳效果，应用GSOG-20沥青混合料加铺层是一种可靠的加铺方案。参考文献〔1〕黄仰贤.路面分析与设计〔