（道路与铁道工程专业论文）水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究.pdf

沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究 【摘要】 摘要 旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝防治问题是道路改建工程中的一个 世界性难题。本文从旧水泥混凝土路面结构性能模拟入手，建立了旧水泥混凝土 路面沥青加铺层的三维、二维力学分析模型，应用有限元方法详细分析了沥青加 铺层在温度变化( 温度梯度、降温) 和交通荷载作用下的结构应力变化规律和表 征方法，讨论了夹层材料对结构应力的影响，研究了沥青混合料的松弛效应，阐 明了沥青加铺层的反射裂缝形成机理，主要研究结论如下： ( 1 ) 模拟旧水泥混凝土路面板的挠曲性状，建立了接缝传荷、地基强度和地基 强度不均匀性与路面板弯沉特征之间的关系，为沥青加铺层结构应力分析提供计 算参数，为制定旧水泥混凝土路面处治标准和方法奠定基础。 ( 2 ) 应用三维( 二维) 有限元技术详细分析了旧水泥混凝土路面沥青加铺层的 温度应力、荷载应力变化规律，以截面内力和应力集中系数表征结构应力，给出 了截面内力、应力集中系数的回归关系式，以及层间接触刚度修正系数的诺模图。 ( 3 ) 以全国各地气象资料为基础，讨论了沥青加铺层降温作用下的松弛效应， 通过引入当量松弛模量系数的概念，较好地解决了不同温度状况下的沥青加铺层 模量取值。 ( 4 ) 深入分析了温度应力、荷载应力综合作用下的反射裂缝产生机理，提出了 沥青加铺层应力极限状态方程，给出了反射裂缝的产生图式、相应的防治对策及 其适用范围。 ( 5 ) 构建了旧水泥混凝土路面沥青加铺层厚度设计方法，并应用于京珠高速公 路粤境广韶段水泥混凝土路面改建工程中防治反射裂缝措施的选择和沥青面层 厚度设计。 研究成果对加深旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生机理的认识，提 升我国旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的防治水平具有重要意义。 关键词：水泥混凝土路面，弯沉特征，沥青加铺层，反射裂缝，温度应力， 荷载应力，夹层材料，应力松弛，防治对策 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究 c u r r e n t l yt h ep r e v e n t i o no fr e f l e c t i v ec r a c k i n gi na s p h a l to v e r l a yp a v e do n e x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t si s s t i l law o r l d - w i d ep r o b l e m ，p e r t a i n i n gt h i s p r o b l e m ，b a s e du p o nt h ef e a t u r e so fd e f l e c t i o no nc o n c r e t ep a v e m e n t s ，at h r e eo rt w o d i m e n s i o n a lm e c h a n i s t i cm o d e li st h e ne s t a b l i s h e d ，b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d , t h es t r e s s e si na s p h a l to v e r l a ya r o u s e df r o mt e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dc a u s e db y t r a f f i cl o a d sa r et h o r o u g h l ya n a l y z e d , t h ef u n c t i o no fi n t e r l a y e rm a t e r i a l si n p r e v e n t i o nr e f l e c t i v ec r a c k i n gi sa l s od i s c u s s e d ，a n dt h er e l a x a t i o no f s t r e s si na s p h a l t o v e r l a yi ss t u d i e d ，t h ec o n c l u s i o n so b t a i n e da r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e du p o nt h ef e a t u r e so fd e f l e c t i o no nc o n c r e t ep a v e m e n t s ，t h er e l a t i o n s h i p s b e t w e e ns t r u c t u r a lf u n c t i o np a r a m e t e r s ( j o i n tt r a n s f e rc a p a c i t y , f o u n d a t i o n m o d u l u sa n dv o i db e n e a t hc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b s ) a n dd e f l e c t i o ni n d e x e sa r e e s t a b l i s h e d ，a n dt h es t r u c t u r a lf u n c t i o np a r a m e t e r sc a l lb er e f e r r e dt oa st h e b a s i s o fs t r e s sa n a l y s i sf o ra s p h a l to v e r l a ya n de x i s t i n gc o n c r e t ep a v e m e n t st r e a t m e n t 2 b yu s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，t h es t r e s s e si na s p h a l to v e r l a ya r o u s e df r o m t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n ( t e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，t e m p e r a t u r ed r o p ) a n dc a u s e db y t r a 街cl o a d sa r et h o r o u g h l ya n a l y z e d , t h es t u d yf o u n dt h a tt h es t r e s s e sc a nb e e x p r e s s e di nf o r mo f s t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n tt i m e sn a m e l ys t r e s s ，a n dt h e a p p r o x i m a t ef o r m u l af o rs t r e s sc o n c e n t r a t i o nc o e f f i c i e n ta n dn a m e l ys t r e s sa r e p r o v i d e d ，f u r t h e r m o r e ，t h en o m o g r a p ho fm o d i f i e dc o e f f i c i e n tf o rc h a n g eo f i n t e r l a y e rs t i f h l e s si sa l s og i v e n 3 o nt h eb a s i so fn a t i o n a lw e a t h e rd a t a , t h er e l a x a t i o no fs t r e s si na s p h a l to v e r l y d u r i n gt e m p e r a t u r ed r o pi sd i s c u s s e d ，b yi n t r o d u c i n gac o n c e p to fe q u i v a l e n t r e l a x a t i o nm o d u l u sc o e f f i c i e n t ，t h ep r o b l e mo nh o wt oa s s i g nv a l u et oe 1u n d e r d i f f e r e n tt e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni sw e l ls o l v e d 4 t h em e c h a n i s mo fr e f l e c t i v ec r a c k i n go c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n tu n d e rt h e r m a l s t r e s sa n dl o a d i n gs t r e s sj o i n t l yi st h o r o u g h l yd i s c u s s e d ，a n dac r i t i c a ls t a t e e q u a t i o no fs t r u c t u r a ls t r e s si sp u tf o r w a r d ，h o w e v e r , t h em o d e so fr e f l e c t i v e c r a c k i n g ，p r e v e n t i o nm e a s u r e sa n da p p l i c a b l er a n g eo f e a c hm e a s u r ea r ei n i t i a t e d 5 ab r a n d - n e w a s p h a l to v e r l a yd e s i g np r o c e d u r ei sf r a m e d ，a n du s e df o r r e c o n s t r u c t i o np r o j e c to fe x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t sa t g u a n g s h a o s e c t i o no f j i n g - z h ue x p r e s s w a y t h er e s e a r c hr e s u l t a n ti so fi m p o r t a n c ef o rf u r t h e ru n d e r s t a n d i n gt h em e c h a n i s m a n de n h a n c i n gn a t i o n a lp r e v e n t i o nl e v e lo fr e f l e c t i v ec r a c k i n gi na s p h a l to v e r l 够 k e yw o r d s ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t ，d e f l e c t i o nf e a t u r e ，a s p h a l to v e r l a y , r e f l e c t i v ec r a c k i n g , t h e r m a ls t r e s s ，l o a d i n gs t r e s s ，i n t e r l a y e rm a t e r i a l ， r e l a x a t i o no fs t r e s s ，p r e v e n t i o nm e a s u r e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名“司砂气 知7 年厂月l 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：f 日砂氏 一年厂月，e l 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 第1 章绪论 1 1 问题的提出 从2 0 世纪8 0 年代开始，我国水泥混凝土路面铺筑进入快速发展时期，迄今， 全国高级和次高级以上水泥混凝土路面里程超过2 7 万公里。由于达到使用寿命， 或者因车辆超载超限运输，现在有很大一部分早期和近期修建的水泥混凝土路面 已经出现了结构损坏，例如路面板破碎、断裂、唧泥、错台及承载力下降等病害， 其经济性、安全性和舒适性均难以满足经济快速发展对交通增长的需求，路面面 临着修复改建的任务。在旧水泥混凝土路面各种改建方案中，沥青混凝土加铺层 是实际工程中最常用的措施之一。由水泥混凝土路面作为承重基层，沥青面层提 供满足行驶质量要求的高摩阻系数、良好平整度，改善了行车的舒适性，也利于 路面破坏时的快速修补。 但是，由于水泥混凝土路面接裂缝的存在，在温度变化和交通荷载的作用下， 沥青加铺层在接裂缝附近不可避免地要产生应力集中，当该处温度变化和交通荷 载综合作用下的结构应力超过沥青混凝土的强度时，萌生裂纹，随着温度变化和 交通荷载的重复作用，裂纹扩展贯通至加铺层顶面或底面，形成所谓的反射裂缝 ( r e f l e c t i v ec r a c k i n g ) 。反射裂缝的存在，不仅破坏了路面结构的整体强度，而 且由于地表水沿反射裂缝向下渗透使面层逐渐失粘脱落，路基强度降低，严重影 响路面的使用寿命。综合国内外的相关研究和工程实践来看，防止和减缓旧水泥 混凝土路面接裂缝反射至沥青加铺层顶面或底面的措施有三类，第一类，改善沥 青加铺层的性能，增强其结构强度，提高其抗变形能力；第二类是设置夹层；第 三类则为处治旧水泥混凝土路面，消除其板体性，为加铺层提供稳定均匀的支撑。 其中，第一类方法防治反射裂缝的作用和范围有限，工程实践上往往作为辅助措 施；第二类在各国的工程实践上采用较为普遍，是防治沥青加铺层反射裂缝的主 要措施；第三类由于要打碎或打裂旧水泥混凝土板，降低了原路面的承载力，需 另外铺设基层，在路面板破碎严重、断板率较高时采用。 在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间设置夹层( 沥青橡胶层、土工布、土 工格栅或金属网格) ，形成了一个复杂的层状结构。对于这种结构，因材料差异 性大，旧水泥混凝土板存在接裂缝，并常常伴有错台、脱空等病害，目前还没有 一个较成熟的力学分析模型，加铺层结构的温度应力、荷载应力的影响规律尚未 完全清楚，对环境因素( 温度变化) 、交通荷载及防治反射裂缝措施等综合作用 下如何影响沥青加铺层反射裂缝产生的机理知之甚少，至今对各种措施的防治效 果缺乏公认的定量评价。在设计加铺层厚度时，对旧水泥混凝土路面状况了解不 足，加固处理不到位，难于正确选择防治反射裂缝措施，以致按现有方法设计的 加铺层在开放交通的1 2 年时间内就不同程度地出现了反射裂缝，从而降低了 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究 【第1 章绪论】 路面的行驶质量和使用寿命。 鉴于此，有必要从旧路面板弯沉性状分析入手，提供用于沥青加铺层结构应 力分析的旧路面接缝传荷、地基强度和地基强度不均匀性等参数；详细分析带夹 层的沥青加铺层结构的温度应力、荷载应力变化规律；建立环境因素( 温度变化) 、 交通荷载及防反措施等综合作用下加速延缓沥青加铺层反射裂缝产生的影响图 式；进而构建一个防治反射裂缝的沥青加铺层设计方法。 1 2 国内外研究现状 自2 0 世纪3 0 年代开展反射裂缝产生机理研究以来，国内外对防治沥青加铺 层反射裂缝进行了大量的理论、试验研究和工程实践，提出了各种防治反射裂缝 的措施，开发了不同种类的防治反射裂缝工程材料，建立了一些防治反射裂缝措 施效果评定的试验室方法：形成了基于经验的或力学一经验的沥青加铺层设计理 论和方法。1 9 8 9 年，国际建筑材料、体系及结构实验室和专家联合会( t h e i n t e r n a t i o n a lu n i o no fl a b o r a t o r i e sa n de x p e r t si nc o n s t r u c t i o nm a t e r i a l s ，s y s t e m s a n ds t r u c t u r e s ( r i l e m ，f r o mt h en a m ei nf r e n c h ) ) 9 7 g c r 技术委员会组织了第一 次沥青铺面反射裂缝国际会议，其后由r i l e m1 5 7 p r c “s y s t e m st op r e v e n t r e f l e c t i v ec r a c k i n gi np a v e m e n t s 委员会分别于1 9 9 3 ，1 9 9 6 ，2 0 0 0 和2 0 0 4 年 组织了四次沥青铺面反射裂缝国际会议，出版了防治沥青铺面反射裂缝的第一部 手册，概括起来集中反映在以下几个方面：( 1 ) 反射裂缝产生机理；( 2 ) 反射裂 缝力学分析；( 3 ) 防治反射裂缝的措施；( 4 ) 加铺层设计方法。 1 2 1 反射裂缝产生机理概述 目前，普遍认为反射裂缝是温度变化引起水泥混凝土板收缩、翘曲变形，以 及交通车辆驶过接裂缝产生挠曲和剪切变形，使得接缝附近沥青混凝土产生应力 集中所致。 温度下降引起水泥混凝土板收缩，由于沥青加铺层与旧水泥混凝土路面的粘 结作用，在接裂缝附近的加铺层界面上产生温度收缩应力，温度收缩应力超过沥 青混凝土的强度则诱发裂缝，并将温度下降诱发的裂缝称为温度张开型反射裂 缝。温度在旧水泥混凝土路面板厚方向不均匀分布引起板的翘曲变形而导致接裂 缝处沥青面层温度翘曲应力过大而开裂，将此类裂缝称为温度翘曲型反射裂缝。 车辆荷载驶过接裂缝，对接裂缝附近沥青加铺层产生拉伸和竖向剪切作用，拉应 力和剪应力超过沥青混凝土材料的强度( 抗弯拉、抗剪切) 时产生张开型和剪切 型裂缝并扩展，相应地将这类由交通荷载引起得裂缝统称为荷载型反射裂缝。在 实际的道路上，温度应力和荷载应力作用是耦合在一起的，随着周期性温度变化 和车辆荷载重复作用，接缝附近沥青加铺层界面某一处或几处结构应力超过沥青 混凝土极限强度而萌生裂缝并逐渐扩展，形成综合型的反射裂缝。按断裂力学裂 2 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究 【第1 章绪论】 纹扩展分类模式( 张开、剪切和撕开) ，温度应力对应反射裂缝的张开模式，荷 载应力对应反射裂缝的张开和剪切模式，撕开模式在加铺层中不太常见。 温度型反射裂缝通常产生于加铺层的底部，而后逐渐向上扩展至加铺层顶 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，认 为几乎是垂直由底部向上扩展的【1 1 。b u t t o n 等人的“罩面试验 结果表明：当气 温非常低时，裂缝产生在加铺层的项面和底部，而后向加铺层中部扩展 2 1 。 正荷载作用下对应的张开模式反射裂缝一般产生于加铺层的底部，在重复荷 载作用下垂直向上扩展，b r o w n 和c a l t a b i a n o 等人的室内试验证实了这一点【3 4 l 。 偏荷载作用下，反射裂缝以剪切模式在加铺层中向上扩展，r i g o 等人认为裂缝 沿4 5 。角的方向向上扩展【1 1 。 车辆荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合罩面结构时，r i g o 等人分 析结果显示裂缝扩展介于偏荷载与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【l 】。 实际上，沥青加铺层裂纹扩展路径与所处应力状态有关，沿加铺层厚度方向 扩展的同时，还沿着横向扩展，只不过沿两个方向的扩展速度、程度不同而已。 1 2 2 反射裂缝力学分析 ( 1 ) 静力分析法 1 9 7 7 年，奥斯丁工程研究所( a u s t i nr e s e a r c he n g i n e e r s ) 在简单的静力平衡 基础上提出了一种分析反射裂缝的应力和应变的方法【5 】。该方法考虑了两种破坏 模式。一为张开模式，由温度下降引起下卧层水泥混凝土板的水平位移诱发。无 钢丝加固层的接( 裂) 缝处或有钢丝加固层的接( 裂) 缝处的水平位移均能计算。 二为剪切模式，这种模式是由于车辆驶过不连续处接裂缝两侧产生的弯沉差引 起。a r e 在建立静力平衡力学模型时，作了如下假定：1 ) 材料是线弹性的；2 ) 旧路面板内温度变化是均匀一致的；3 ) 板的移动在板长方向是整体、连续的。 a r e 分析方法的力学图式简明，计算方便，考虑了众多因素对沥青加铺层 应力的影响。但是，由于做了一些粗糙的假定，使得该方法并不能准确分析沥青 加铺层的应力分布状况，也无法考虑接、裂缝处应力集中对加铺层反射裂缝的影 响。此外，还存在如下不足：加铺层与旧水泥混凝土路面板的层间接触条件对 反射裂缝来说是一个重要因素，决定了加铺层中应力大小的分布，a r e 采用的 数值需进一步验证：在确定接裂缝处传递荷载的能力时，a r e 方法没有考虑 加铺层对旧水泥混凝土路面板接缝传荷能力的影响，即使这种影响可以忽略，传 荷能力也与荷载大小和路面温度状况有关；a r e 分析方法中没有讨论如何选 择一代表温度来确定荷载作用下加铺层材料的动态模量。 3 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 谈至明( 1 9 9 7 ) 针对温度下降引起旧水泥混凝土板的收缩，导致沥青加铺层 产生张开型反射裂缝，建立了一个有接缝的双层叠合梁模型，讨论了不同夹层状 况、地基摩阻、面层局部处理条件下，有接缝的旧水泥混凝土板出现收缩应变时， 沥青面层和旧路面板截面的平均水平位移和应力的变化规律，引入了一个揭示张 开型反射裂缝产生机理的系数一应变反射系数【6 1 。谈至明( 1 9 9 8 ) 采用弹性地基 上叠合梁模型，研究了旧水泥混凝土路面板翘曲变形对沥青加铺层和对层间结合 状况的影响，给出了沥青加铺层应力和层间竖向反力的计算式及相应诺谟图【7 1 。 ( 2 ) 有限元分析法 国际上，自2 0 世纪7 0 年代以来，m o n i s m i t h 、c o e t z e e 、c h e l a 、m a j i d z a d e h 、 m 9 0 、f r a n c k e n 、m i n h o t o 等人分别采用a n s r - i 、s a p 、f l a c 、s a p l l 5 、s y s t u s 、 a n s y s 有限元程序对接缝附近沥青加铺层的荷载应力、温度应力分布及反射裂 缝产生机理进行了探讨【1 5 ，8 , 9 , 1 0 , 1 1 】。国内，2 0 世纪8 0 年代中期开始，同济大学姚 祖康、倪明、周德云、于宝明、周富杰和李淑明等，长安大学胡长顺、曹东伟等 曾先后采用有限元方法对沥青加铺层中的应力以及各种措施的防治反射裂缝的 效果进行了分析【1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 2 5 ，3 2 1 。兹简述如下： o s u 分析方法是1 9 7 7 年由美国俄亥俄州立大学( o h i os t a t eu n i v e r s i t y ) 的 m a j i d z a d e h 等人提出的，考虑了温度变化引起水泥混凝土板的水平移动和翘曲变 形两种情况下加铺层中的应力分布，并绘成诺谟图来估算沥青加铺层中因温度变 化引起的应力值。o s u 模型应用二维有限元技术来研究接缝的移动对加铺层应 力的影响，加铺层中的应力可由有限元程序计算得到，已制成诺谟图方便应用。 当分析水泥混凝土板翘曲在沥青加铺层中引起的应力时，忽略了加铺层对板翘曲 的影响，由w e s t e r g a a r d 解得到板的翘曲形状，即为加铺层的翘曲形状，由此预 估加铺层中的拉应力【引。虽然o s u 分析方法可以利用诺谟图方便地进行加铺层 厚度设计，但是存在以下问题：没有考虑加铺层对旧路面板变形( 水平移动和 竖向翘曲) 的约束，所以有关加铺层应力的计算可能是不正确的；温度变化引 起板翘曲的同时，也使板产生水平位移，o s u 分析方法没有考虑这种变形对加 铺层应力的影响；没有考虑防治反射裂缝措施对加铺层设计厚度的影响。 c o e t z e e 和m o n i s m i t h 利用有限元方法( a n s r - i 程序) 获得有无橡胶沥青膜 ( s w i ) 的加铺层中裂缝附近的应力分布。对于直接作用在裂缝上方的加铺层 表面上的某一荷载，分析了许多变量对应力的影响，包括：橡胶沥青层的厚度和 劲度；沥青混凝土加铺层的厚度和劲度；旧开裂层的劲度；旧表面的裂缝宽度， 还计算了加铺层表面温度减少2 2 2 。c 时裂缝附近的应力。其假设沥青混凝土的 劲度是一定的，估计了温度变化引起的应力，得到了有无橡胶薄膜夹层时的有效 应力分布，绘出了加铺层厚度对有效应力的影响图和加铺层的劲度与下卧材料的 4 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 劲度之比对有效应力的影响图【5 】。尽管他们的模型只分析了橡胶薄膜夹层，但这 个分析说明了夹层的重要性，而且其思路清晰，给设计提供了有用的帮助。 m i n h o t o 等人应用三维有限元方法，考虑路面主要病害反射裂缝，分析 了温度变化对加铺层寿命的影响，表明温度变化对影响加铺层寿命预估的温度应 力有显著的影响，提出了带裂缝的考虑铺面温度状况和交通荷载综合作用的加铺 层结构三维有限元分析模型来预估其寿命，结果表明，以铺面初始温度为函数的 温度变化对开裂层和加铺层都有影响，此外，对交通荷载和温度变化各自作用下 的加铺层寿命进行了比较，最后，预估了橡胶沥青和常规沥青混合料加铺层的疲 劳寿命，当加铺层设计考虑温度效应( 温度变化) 时，同常规沥青混合料加铺层 相比，橡胶沥青加铺层的疲劳寿命更长【1 1 1 。 1 9 8 5 年倪明运用s a p 5 结构分析程序，平面有限元计算模型，根据g o o d m a n 假设建立旧路面与加铺层间结合条件，计算分析了具有接缝( 或裂缝) 的i e l 水泥 混凝土路面上沥青混凝土加铺层在行车荷载和温度变化作用下的应力位移状况， 分析了反射裂缝的产生发展的主要影响因素，以及加铺层厚度和应力消散夹层防 治反射裂缝的作用【l2 1 。 1 9 9 0 年周德云采用三维有限元法分析了旧水泥混凝土板上沥青加铺层结构 在行车荷载作用和温度变化影响下的应力状况，并对反射裂缝产生机理以及设置 应力应变消散软夹层的阻裂效果进行了深入的探讨；同时他还应用三维有限元方 法对土工织物合理铺筑方式进行了研究，结果表明：旧路面接缝处铺设有限宽度 的土工织物夹层，既能利用土工织物的低模量，又可以不使路面结构的整体性连 续性受到破坏，从而达到降低加铺层温度应力和荷载应力的目的【l4 1 。 于宝明采用有限元半解析法分析加铺层应力状况，对橡胶沥青的合理布置方 式进行了探索；对影响反射裂缝产生的各因素进行了三维有限元分析，结果显示， 影响温度型反射裂缝的主要因素是旧路面与加铺层间的粘结状况、加铺层厚度、 旧路面板的长度、缝宽以及水泥混凝土的线收缩系数。沥青混凝土与水泥混凝土 的模量对加铺层中温度型反射裂缝的形成也有一定的影响，旧水泥混凝土路面板 的厚度、基层模量及其线收缩系数等其他因素的影响是完全可以忽略的【1 5 1 。 1 9 9 3 年倪明采用半解析单元方法建立路面力学模型，计算分析了混凝土路 面上沥青加铺层在温度和行车荷载作用下的三维应力状态，通过与平面应变模型 结果对比，表明三维半解析解与平面应变解具有基本相同的规律，在数值上，平 面应变解夸大了荷载作用，认为偏荷载应力是加铺层产生反射裂缝的重要因素之 一，层间结合条件对加铺层荷载应力影响加大，不容忽视【1 6 】。 ( 3 ) 断裂力学分析法 沥青加铺层中反射裂缝的发展过程可划分为三个阶段：裂缝起裂、扩展和贯 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究 【第l 章绪论】 通。传统的分析方法和极限强度理论集中于研究裂缝起裂阶段，而加铺层裂缝扩 展和贯通阶段的研究可用断裂力学来分析，采用p a r i s 的裂缝疲劳扩展方程 d c d n = a ( a k ) n ( c 为裂纹长度，为车辆或温度荷载作用的循环次数，a 、刀为与 材料相关的参数，a k 为应力强度因子幅值) 来预测裂缝在加铺层中的扩展速率， o d e ( o v e r l a yd e s i g ne q u a t i o n s ) 分析模型即为此类f 1 8 】。其难点是需要知道裂纹 的位置和形状( 平面裂纹、空间裂纹) 。另外，结构复杂时，应力强度因子( 张 开型、剪切型) 幅值难有解析解，只得借助有限元数值解。 r a s h i d 最先倡导采用钝滞断裂带理论分析裂缝问题，他认为，裂缝不是直线 向上扩展的，其扩展路径是围绕集料左右曲线向上发展的。裂缝尖端的应力集中 是一个区域而不是一点，并用均质连续体来代表。在进行有限元分析时，网格的 尺寸要大于几个集料粒径之和，否则是没有意义的【1 9 1 。r i g o 、h a a s 等人在理论 和试验方面的研究工作促进了该分析方法在研究反射裂缝问题时的进一步发展 应用【1 , 2 0 】。钝滞断裂带理论分析方法在把三维的路面结构简化为二维平面应变问 题时，作了如下的假定：1 ) 在对旧路面现场观测的基础上，假定横缝的平均间 距为1 2 m ；2 ) 加铺层与旧路面之间的粘结是良好、均匀一致的：3 ) 加铺层与旧 路面之间粘结强度大于加铺层本身的强度；4 ) 路面各结构层具有相同的温度收 缩系数，假定为2 7 x 1 0 击o c ；5 ) 根据能量准则，假定裂缝带宽度为3 0 m m ；6 ) 热线弹性应力一应变关系由下式表示： 勺= 半一言磊仃碰+ g a t e v ( 1 - 1 ) 式中：8 为单元应变；o 为应力；层为结构层的弹性模量；，为泊松比； a 为温度膨胀系数；a t 为温度变化；当f i ，时，西= 1 ，否则西= o 。 在分析土工网格防治反射裂缝的效果时，把土工网格作为具有一定模量和几 何尺寸的独立层来考虑。与断裂力学分析方法不同的是，钝滞断裂带分析模型把 裂缝看作是集料粒径大小的区域带，而不是简单一条裂缝。相对于其他方法，应 用这种方法分析带有各种夹层的开裂结构，在断裂面上可以得到更现实的应力分 布，也可以有效地评价不同措施的防反效果，但至今还不能解释裂缝的扩展机理。 1 2 3 防治反射裂缝的措施 在几十年的防治反射裂缝的研究和实践中，国内外进行了大量的试验，尝试 了各种防治措施，大致可分为三类：改善沥青混凝土加铺层性能；设置中间夹层； 处治旧路面板。具体包括增加加铺层厚度；应用改性沥青及加筋材料、s a m i 、 土工织物类、土工网格、粘结间断层；封填稳定裂缝，破碎、稳定旧路面板等。 沥青加铺层的常用厚度为4 0 - - - 1 5 0 m m ，增加加铺层厚度，一方面可以减少 旧路面板的温度变化，降低加铺层的拉应力；另一方面可以增加路面结构弯曲刚 6 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪切应力。同时，对于较厚的加铺层来 说，裂缝由加铺层底面扩展到顶面需经历较长的距离，也即可以延长其使用寿命。 美国地沥青学会( 灿) 试验发现增加加铺层厚度可以降低旧路面接缝或裂缝处的 弯沉量，每厘米厚的沥青混凝土加铺层可降低2 弯沉( 最大可达4 - 5 ) 。 但当需要降低的弯沉量超过5 0 时，仅用加厚面层的办法是不经济的，这时可 采用灌浆、换板、改善排水系统、修复接缝等方法【2 l 】。 在1 日混凝土路面板和加铺层之间设置夹层，可以使沥青加铺层底面的应力或 应变因偏离应力集中的接缝( 或裂缝) 端部而降低，同时也可以改变包括夹层在 内的加铺层结构的抗拉和抗剪能力。迄今所采用的夹层种类很多，可分为三大类。 ( 1 ) 应力消散( 吸收) 夹层在旧混凝土路面上设置一层高弹性低劲度的 橡胶沥青软夹层，厚度为l 一5 m m ，模量约为1 0 - 一1 0 0 m p a 。其作用为降低旧路 面与加铺层之间的粘附阻力，使二者易于蠕动滑移，从而减少温度下降引起的 反射裂缝；同时，由于隔开了接缝( 裂缝) 端部，它也可以降低加铺层底面的荷 载应力。但据f r a n c k e n 的分析，软夹层对距面层底面3 - 5 m m 以上的加铺层， 以及位于接缝( 裂缝) 之间的加铺层内的荷载应力具有不良影响，使其应力和应 变比不设夹层时反而增大【2 2 1 。b l a n k e n s h i p 等采用一种由高沥青含量、高聚合物 改性沥青、细粒碎石组成的热拌沥青混合料做应力消散夹层，厚2 5 r a m ；这种混 合料具有在弯拉应变为2 0 0 0 9 e 的荷载下经受住1 0 0 0 0 0 次重复作用的抗弯曲疲劳 的能力以及透水性小的特性，因而，可提供高弹性以抵抗和部分吸收拉应力、剪 应力和弯曲应力，并且在加铺层出现反射裂缝后，夹层仍能保持与旧路面的粘结 和不透水【2 3 1 。 m o l e n a a r 的研究结果表明【2 4 1 ，s a m i 应具有下列性能： s a m i 与旧路面以 及加铺层间的粘层油的抗剪性能：如果抗剪强度过低，使得s a m i 过早的出现分 层现象，造成加铺层很快开裂；s a m i 的劲度：夹层的劲度与夹层的模量、厚 度有关，如果夹层的劲度很低，那么在加铺层的底部引起很大的应变，从而导致 加铺层的开裂。与此相反，如果夹层的劲度过高，或者夹层特别薄，温度应力将 1 0 0 的传递到加铺层中，起不到防治反射裂缝的效果；s a m i 的韧度：如果 s a m i 的韧度太低，那么裂缝将很容易在s a m i 中扩展，使得s a m i 没有防治效 果或者只有部分的效果。 ( 2 ) 土工织物夹层包括聚丙烯或聚酯织物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯无纺 织物。无纺织物的厚度约为0 4 4 m m ，模量约为1 0 - - 一1 6 0 m p a ，临界应力5 2 0 m p a ，i i 缶界应变4 0 ，1 4 0 ：而织物的厚度较薄些，约为0 4 - - 0 7 m m ，模量 则高些，约为4 0 0 - - 1 5 0 0 m p a ，临界应力和应变相应为4 0 - - - 1 4 0 m p a 和8 - 1 5 。无纺织物夹层的主要作用与橡胶沥青应力吸附夹层相似，而织物由于模量稍 高，可对加铺层起少量加筋作用。 7 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 ( 3 ) 格栅包括聚丙烯或聚酯土工格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅 的厚度约为0 8 - 1 1 m m ，模量约为9 0 0 - - 2 5 0 0 m p a ，临界应力和应变与织物相近。 金属格栅的厚度约为2 - - 4 m m ，其模量可达8 0 0 0 - - 1 0 0 0 0 m p a ，刚度大的夹层对 于降低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，但对于降低 荷载产生的应力和应变的作用则远大于软夹层。采用复合式夹层( 下层为应力吸 收层，上层为金属格栅) ，虽然可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂缝，但 仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。 1 9 9 8 年周富杰针对上海市的气候条件和交通状况，提出了5 种防治沥青加 铺层反射裂缝的措施，分别是土工网、土工格栅、土工布、聚胺脂改性卷材( a p p ) 和特种金属网格，并进行了3 。c 、1 5 。c 、6 0 。c 三种试验温度的室内试验【2 5 1 。 在旧混凝土路面的结构损坏较严重，断板率较高，对损坏板进行修复后再采 取其它措旌已不经济时，可以对旧路面板进行破坏和固定。应用混凝土破碎机， 将路面板分解成尺寸为6 0 c m x l 0 0 c m 左右的碎块，随后用重型轮胎压路机在碎块 上碾压数遍，使之牢固地坐落在基层上，与基层顶面之间无空隙。由于板块尺寸 减小，温度下降时的收缩位移大大降低，从而也降低了加铺层的拉应力。同时， 接缝和裂缝两侧板块的弯沉量和弯沉差也随板块尺寸的减小而降低。然而，破碎 大大降低了1 日路面的结构刚度，使破碎混凝土层的性状处于柔性与半刚性之间。 旧路面破碎和固定后，须清除接缝和裂缝内的松散混凝土和杂物，然后摊铺沥青 混合料整平层，填补所有裂缝、接缝和不平处，再在其上铺筑加铺层( 粘结层和 上面层) 。破碎和固定技术在美国已使用了3 0 多年，但对其使用效果仍有争议。 1 9 8 7 年美国联邦公路局的调查报告指出，此项措施在最初几年可有效地减少反 射裂缝，但4 - 5 年后反射裂缝仍会大量出现。 1 2 4 加铺层设计方法 旧水泥混凝土路面沥青加铺层设计方法分为两类，一为经验法，一为力学一 经验法，目的在于防治反射裂缝。经验法采用补足厚度缺额的概念，利用试验验 证结果建立经验厚度关系式。力学一经验法则以弹性地基板或弹性层状体系理论 为基础，利用钻孔和弯沉测定得到的结构参数进行分析，利用试验验证结果进行 修正，并按沥青路面的设计标准( 车辙和弯拉疲劳) 确定所需厚度。 m 弯沉法是美国地沥青学会提出的一种经验法，认为旧水泥混凝土路面接、 裂缝处的弯沉差是引起沥青加铺层开裂的主要原因。此方法以控制接、裂缝处的 板边平均弯沉量和弯沉差为设计标准，要求在加铺前发现和修补已损坏的路段。 其设计标准为设接缝的水泥混凝土路面应满足：相邻两块板实测弯沉差w i w 2 - - 0 0 5 m m ；平均弯沉( w l + w 2 ) 2 - 0 3 6 m m 。a i 提供了简单易行的厚度设计 表格，可方便用于加铺层设计1 2 1 1 。 8 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第l 章绪论】 美国陆军工程师部队( c o e ) 按照与水泥混凝土加铺层相同的概念一f 、足 厚度缺额，依据强化试验路的观测和分析结果，于2 0 世纪5 0 年代中期提出了旧 水泥混凝土路面加铺沥青层的经验厚度| j l o ，的设计公式，c o e 在试验期间观测到， 沥青加铺层下的混凝土板在荷载作用下逐渐开裂，并继续发展到碎裂成 0 4 6 o 6 5 l n 2 的小块，随后路表弯沉随荷载作用而急剧增长，并在地基内出现剪 切破坏。设计公式以路表弯沉未出现小于前述尺寸碎块的完全破坏为标准，因此 在公式中引入了系数一2 6 1 。 美国a a s h t o 设计指南亦采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层的厚 度，但放弃了f 修正系数的考虑，即不考虑加铺后旧混凝土面层的进一步开裂， 其设计公式为【2 7 】： h 。，= a ( 丙d 一 。，)( 1 - 2 a ) h 盯= c b j c 耐c b h “ ( 1 - 2 b ) 式中：h d 为按现有地基承载能力和未来交通要求，由新建混凝土路面设计方法确 定的单层混凝土面层所需厚度( c m ) ； h 盯为旧水泥混凝土板厚度( c m ) ；乃矿为旧路面板的有效厚度( c m ) ： c 0 为考虑损坏裂缝和接缝是否修复的系数，加铺前已经进行了全厚度修补 时，c b = 1 ；否则，按每公里未修复的接缝和裂缝的数量在0 乱1 0 范围内 选取； c k 为考虑旧路面板是否存在耐久性问题( 耐久性裂缝和反应性集料病害) 的系数，无耐久性问题时，c 缸= 1 o ；有耐久性裂缝但未碎裂时，c b d = 0 9 6 - 4 ) 9 9 ；有少量碎裂时，c k = o 8 8 o 9 5 ；严重碎裂时，c t , a = 0 8 0 - - 0 8 8 ； c 矗为考虑疲劳损坏程度的系数，少量横向裂缝板( 0 - - - 5 ) ，c 6 严0 9 7 1 o ； 较多横向裂缝板( 5 - 1 5 ) ，c b f - - 0 9 4 4 ) 9 6 ；大量横向裂缝板，c 知= 0 9 04 ) 9 3 ： 彳为混凝土路面和沥青面层的当量转换系数，它是混凝土路面板厚度缺额 的函数，由下式确定：a = 2 2 2 3 3 + 0 0 0 1 5 3 ( h d - - h e f ) z o 0 6 0 4 ( h d - - h e f ) 。 2 0 0 2 年的a a s h t o 铺面设计指南( 2 0 0 2a a s h t op a v e m e n td e s i g ng u i d e ) 中的加铺层设计修改为基于力学一经验法的设计方法。 d eb o n d t 的加筋沥青加铺层设计是在野外测量、室内测试、理论发展和数 学模拟的基础上形成的。其设计思路为：应用有限元方法，采用断裂力学理论处 理加筋沥青加铺层问题，设计模型考虑如裂缝接缝间断的存在，能预测交通 荷载、温度下降和不均匀的土壤运动的影响；裂缝在加铺层中的扩展；道路 结构的层间滑动；加铺层底加筋的作用。d eb o n d t 等人用截面单元模型模拟 1 日路面结构的裂缝接缝行为，裂缝接缝的界面剪切劲度d 仃必须来自野外记录的 9 沥青加铺层反射裂缝机理与设计方法研究【第1 章绪论】 裂缝的相对运动，其值代表特定环境( 速率和温度) 的接裂