發(fā)布時間：2016-09-28 06:30

1 緒論 

1.1 研究目的和意義 
自從 1988 年滬嘉高速公路的建成通車截止到 2015 年底，中國高速公路通車總里程達到 12.5 萬公里，超過美國居于世界第一。近幾年，我國經濟高速發(fā)展，公路交通基礎設施也取得了突破性的發(fā)展，我國已形成比較完善的高速公路網絡。但是由于瀝青路面長期暴露于自然環(huán)境當中并且在行車荷載循環(huán)往復的作用下，隨著交通量的迅速增長和超載現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，使得部分瀝青混凝土路面較早地出現(xiàn)了病害，造成大多數(shù)路面結構都達不到設計使用年限的要求。瀝青混凝土路面會出現(xiàn)各種形式的病害，例如裂縫、坑槽、車轍、松散、推移、泛油、波浪、擁包等病害，這些病害若不及時維修就會嚴重影響道路的路用性能和行車安全性。隨著我國早期的高速公路陸續(xù)進入大修階段，高速公路路面的養(yǎng)護維修任務也日趨繁重。因此很有必要對瀝青路面的病害進行分析研究，探討防治對策。 目前我國已建成的高等級公路中普遍采用的是半剛性基層瀝青路面結構類型。這是因為半剛性基層材料具有強度高、穩(wěn)定性好、板體性好等優(yōu)勢滿足了公路建設經濟與技術方面的要求。這也就造成了在今后高等級公路建設中半剛性基層材料仍然會扮演重要角色。但是自從 20 世紀 70 年代，美國等發(fā)達國家都減少了采用半剛性基層瀝青路面結構。究其原因就是半剛性基層即使在交通量不大，也不可避免的產生干縮裂縫和低溫收縮裂縫，進而擴展到瀝青面層形成反射裂縫，影響道路的路用性能導致過早破壞。反射裂縫主要對路面性能和耐久性產生以下不利的影響：（1）路表水會通過任何裂縫進入路面結構內部，甚至侵入土基當中，在動水壓力作用下不斷沖刷路面材料降低瀝青與集料的粘著力并且削弱了路基的強度和穩(wěn)定性。（2）由于裂縫的存在造成路面板體不連續(xù)，使得裂縫處應力集中傳遞給路基頂面過大的應力。（3）路面內一旦出現(xiàn)裂縫若不及時處理，瀝青面層底面的拉應力,頂面的剪應力就會大幅增長,進而發(fā)展成大面積的網裂、松散、坑槽等破壞，將大大縮短路面結構的壽命。（4）磨耗層在荷載、變溫等因素的綜合作用下會沿裂縫發(fā)生集料和瀝青的剝落，進而引起松散、坑槽等病害。因此，反射裂縫是半剛性基層瀝青路面的主要病害，有必要對反射裂縫進行深入研究,探討其形成和擴展機理，并提出有效的防治措施。 
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1.2 研究現(xiàn)狀
關于半剛性基層瀝青路面斷裂分析的理論及反射裂縫防治研究,國內外均已做了大量的研究工作。自從將斷裂力學理論與方法應用在瀝青路面工程中,依次經過線彈性斷裂力學、疲勞斷裂力學和粘彈性斷裂力學等幾種理論的發(fā)展階段。其中線彈性斷裂力學提出了應力強度因子、能量釋放率、及斷裂韌性等參數(shù),為模擬瀝青路面開裂提供了科學有效的方法和手段。1971 年 Majidzadeh 最早將斷裂力學理論引入道路工程研究中，并應用斷裂力學的原理和理論解釋路面開裂并預測了瀝青混凝土路面的疲勞壽命[1]。 在半剛性基層瀝青路面反射裂縫的研究中,由于反射裂縫尖端應力的奇異性，傳統(tǒng)的強度理論對一些問題和現(xiàn)象不能給出合理的解釋。斷裂力學理論認為結構的斷裂破壞主要是由結構內部微缺陷引起應力集中或損傷，進而導致超過材料和結構身的容許值，最終導致結構破壞。1979 年 Coetzee 釆用 ANSR-I 有限元程序中的平面應變有限單元，將有效應力作為研究參照，研究了在溫度和荷載作用下瀝青路面幵裂后裂縫尖端附近的應力場分布，同時認為反射裂縫主要是由于基層開裂后的水平和垂直位移引起[2]。2010 年 Dave 等基于斷裂力學的粘著斷裂模型來對反射裂縫進行模擬，并且分析了溫度荷載作用下瀝青路面反射裂縫的發(fā)展規(guī)律[3]。劉善平等采用空間力學模型并用有限元半解析法及斷裂力學理論，分析了半剛性基層瀝青路面裂紋問題[4]。陳團結等采用三維有限元方法并且基于動力學和線彈性斷裂力學理論，對垂直貫穿路面的橫向裂縫擴展問題進行了充分的研究[5]。張亞軍等采用結點等參元的有限元分析模型并結合斷裂力學理論和奇異單元，對江蘇省典型的半剛性基層瀝青路面結構在荷載和溫度共同作用下反射裂縫的擴展進行了分析[6]。 
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2 瀝青路面分析的基本理論 

2.1 線彈性斷裂力學基本理論

斷裂力學的研究對象包括宏觀的斷裂現(xiàn)象和微觀的結構破壞機理。從宏觀上講，主要包括研究各種環(huán)境下結構中裂紋的生成、擴展、失穩(wěn)開裂及止裂等規(guī)律，研究定量地確定裂紋尖端的應力強度因子 K、J 積分和能量釋放率等表征應力應變場的參量的方法,通過大量的實驗確定帶裂紋材料的斷裂韌度或臨界 J積分值，研究斷裂準則及其適用范圍和條件并將其應用于工程結構分析 [31]。 線彈性斷裂力學主要研究裂紋尖端附近的塑性區(qū)很小的情況,將塑性區(qū)以外的材料當成線彈性材料而裂紋作為邊界條件，由裂紋尖端附近的應力場和位移場來確定促使裂紋擴展的特征參量（表征裂紋尖端場強），還要在大量實驗的基礎上測定材料的抗裂紋擴展的特征參量（斷裂韌度），從而建立裂紋擴展而導致結構失效的條件，即斷裂準則。工程結構中的裂縫由于受不同外部荷載的影響，按外加作用力特點及位移特點,可以抽象為張開型、滑開型和撕開型三種基本類型[32][33]。張開型（Ⅰ型）表現(xiàn)為外部荷載正應力σ垂直于裂縫平面，兩個裂縫面產生垂直于裂縫平面的相對位移,裂縫向與σ方向垂直的方向擴展�；_型（Ⅱ型）表現(xiàn)為外部荷載剪應力τ與裂縫面平行且垂直于裂縫前緣，兩個裂縫面產生在裂縫平面內且垂直于裂縫前緣的滑移。撕開型（Ⅲ型）表現(xiàn)為外荷載剪應力τ平行于裂縫面且與裂縫前緣平行，兩個裂縫面產生在裂縫平面內且平行于裂縫前緣的錯動。如圖2.1。 

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2.2 瀝青混合料粘彈性理論
對路面結構響應主要的影響因素有路面結構設計、路面材料屬性、外界荷載以及外部環(huán)境等，其中路面材料屬性直接影響著路面響應。實際上，材料屬性表現(xiàn)為兩大類，即彈性和粘性。只具有彈性特性的材料在外荷載作用下其變形一般與時間無關，且一般情況下具有固定的形態(tài)。在外荷載作用下只具有粘性特性的材料將產生殘余變形且變形是不可恢復。但是瀝青混合料的力學特性既不同于傳統(tǒng)的彈性固體材料又不同于傳統(tǒng)的粘性流體材料。在某些特殊條件下，同時表現(xiàn)粘性和彈性特征，即粘彈性材料。彈性材料的力學響應與外荷載的變化過程無關，而只與當時的外荷載狀態(tài)有關，即不考慮外荷載的加載歷史。然而粘彈性材料不僅和加載歷史有關，還與當時的加速度有關，當作用在粘彈性體的時間越短即速度大時，粘彈性性材料表現(xiàn)為彈性，當作用在粘彈性體時間較長即速度小時，粘彈性材料表現(xiàn)為粘性。從粘彈性材料的本構關系中就可以看出力學特性與時間的密切關系，其本構方程一般為時間的函數(shù)。 經過對瀝青混合料大量的試驗，發(fā)現(xiàn)在不同溫度和不同時間條件下測定的特征函數(shù)曲線有著大致一樣的形狀。這就說明了瀝青混合料的粘彈力學特征函數(shù)既是時間的函數(shù)又是溫度的函數(shù)。實驗證明，粘彈性材料隨著溫度的下降，其粘性會減弱而彈性會增強；反之，粘彈性材料隨著溫度的升高，其粘性逐漸增強而彈性減弱。 
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3 半剛性基層瀝青路面反射裂縫的建模分析 ...... 21 
3.1 瀝青路面反射裂縫的產生和發(fā)展 .... 21 
3.2 行車荷載作用下路面結構的分析 .... 22
3.3 溫度荷載作用下路面結構的分析 .... 28 
3.4 基層反射裂縫的防治措施.... 34
3.5 本章小結 ...... 38 
4 瀝青路面車轍的建模分析 ....... 41 
4.1 瀝青路面車轍病害的產生和發(fā)展 .... 41 
4.2 瀝青路面結構及材料性質與參數(shù) .... 42
4.3 路面作用荷載的確定 ..... 44
4.4 瀝青路面結構有限元模型的建立 .... 46 
4.5 瀝青路面車轍形成規(guī)律及影響因素分析 ..... 47 
4.6 瀝青路面車轍的防治措施.... 58 
4.7 本章小結 ...... 63 
5 瀝青路面病害處治 ........ 65 
5.1 工程概況 ...... 65 
5.2 瀝青路面病害處治方案設計 ...... 66
5.3 瀝青路面病害處治質量控制 ...... 71

5 瀝青路面病害處治 

5.1 工程概況 

自 1994 年京港澳高速河南段逐段建成并運營以來，交通量逐年遞增，交通量總體規(guī)模保持較高水平。然而高速公路服務水平卻逐年下降，路面縱橫縫較多及路況較差已不能滿足發(fā)展的需要。2012 年起，駐信高速改擴建全面展開，將現(xiàn)有雙向四車道擴建為雙向八車道。駐信段改擴建工程起于同期規(guī)劃的漯駐段改擴建項目終點（K0+000=京港澳 K873+306），向南經駐馬店市驛城區(qū)東、確山縣東、信陽市明港東、信陽市東、澀港鎮(zhèn)西止于雞公山互通式立交以南豫鄂省界處（K133+924.75=京港澳 K1007+338），到達改擴建項目終點。路段全長136.848 公里，其中駐馬店市境長 58.299 公里，信陽市境長 78.549 公里。駐信段的東、西半幅各車道的路面損壞狀況指數(shù)（PCI）評價大多為優(yōu)良，也有部分路段較差。其中行車道破損最為嚴重，超車道次之，硬路肩相對較好；西半幅的行車道和超車道較東半幅路況較差，硬路肩卻優(yōu)于東半幅。道路的破損狀況不僅與行駛車輛有關，道路原本施工壓實度、路基的強度及后期養(yǎng)護的好壞同樣影響著破損的檢測結果。而行車道行駛車輛尤其是重載車輛相對較多，是行車道的損壞程度較其他車道嚴重的主要原因。 

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結論 

本文基于線彈性斷裂力學和粘彈性理論并采用有限元法，分別對半剛性基層瀝青路面的反射裂縫和車轍病害進行力學分析和影響因素分析，進而探討了病害的預防和處治。主要工作體現(xiàn)在以下幾個方面： 
（1）通過對半剛性基層瀝青路面反射裂縫的建模分析，發(fā)現(xiàn)適當增大面層厚度、增大面層模量、增大基層模量均能夠抑制荷載型基層反射裂縫的向上擴展。適當減小面層和基層的模量、溫縮系數(shù)均能抑制基層裂縫的張開型開裂，但是減小基層的模量和溫縮系數(shù)效果更顯著。因此，建議首先從材料及結構方面，面層選用勁度模量大、針入度大、溫度敏感性低的瀝青或改性瀝青，，并且采用合理級配的集料、適當增大面層厚度來提高抗裂性能；基層考慮材料的類型、級配組成、含水量等因素選用溫縮系數(shù)和干縮變形小的材料，適當降低基層的模量來提高抗裂性能。另外，可以采用加鋪土工合成材料、基層頂預切縫、在面層和基層間增加柔性基層、面層與基層間設置應力吸收層等預防基層反射裂縫擴展的技術。 
（2）通過對瀝青路面車轍的建模分析，蠕變主要產生于中面層，其次為下面層，中面層承受了較大的剪應力因而更容易發(fā)生流動變形，導致該結構層的蠕變越大。環(huán)境溫度、軸載、行車速度均對瀝青路面車轍產生顯著的影響，瀝青面層厚度增大車轍量增幅逐漸變小。因此，建議應選用間斷級配及形成骨架結構的級配類型，并選用粘度大、勁度模量高的瀝青并適當添加改性劑、抗車轍劑、纖維穩(wěn)定劑等提高瀝青混合料的抗車轍性能。另外，可以采取面層加土工格柵、路面結構優(yōu)化組合、加強施工質量和道路運營期管理等措施提高或保證路面的抗車轍能力。 
（3）通過對瀝青路面病害處治的實踐，只有合理的病害處治方案設計和嚴格的病害處治質量控制才能使得減少或延緩病害的發(fā)生和擴展達到良好的效果。
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參考文獻(略) 

本文編號：125048