應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)中剪切應(yīng)力的影響分析

1、2010年 04期 (總第 64期 作者簡(jiǎn)介:陳鵬舉 (1969- ,男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,高級(jí)工程師,主要從事公路建設(shè)管理工作 。針對(duì)半剛性基層反射裂縫的問題,以往的防反射裂 縫思路往往是改善半剛性基層本身的材料 、 設(shè)計(jì) 、 施 工 、 質(zhì)量控制等,考慮到國外應(yīng)力吸收層在水泥板防反 射裂縫的工程應(yīng)用,提出如下防反射裂縫的思路:反射 裂縫產(chǎn)生發(fā)展于瀝青面層內(nèi),而砂粒式瀝青混合料本身 具備非常優(yōu)異的防反射裂縫的功能,在結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)證通 過的情況下,增加獨(dú)立的抗反射應(yīng)力吸收層來滿足其防 反射裂縫的功能性要求 。 這種設(shè)置應(yīng)力吸收層的結(jié)構(gòu)即 可發(fā)揮半剛性基層的優(yōu)點(diǎn),又可以避免半剛性基層致命 的弱點(diǎn),

2、是半剛性基層瀝青路面防止反射裂縫的新思 路 。 盡管應(yīng)力吸收層的定義更加突出了作為使用功能的 一方面,但實(shí)質(zhì)上是一種特殊的瀝青混凝土,因此其主 要設(shè)計(jì)參數(shù)和普通瀝青混凝土無異,包括抗壓模量 、 劈 裂強(qiáng)度 、 泊松比等 。 但需要明確指出的是,由于應(yīng)力吸 收層瀝青混合料集料均為細(xì)集料,且瀝青含量高達(dá) 8%10%,其抗壓回彈模量較低,其對(duì)路面結(jié)構(gòu)中的剪切應(yīng) 力有明顯的影響,本文采用彈性多層體系理論,對(duì)這種 影響進(jìn)行詳細(xì)分析 。1應(yīng)力吸收層參數(shù)1.1抗壓回彈模量研究表明,經(jīng)過特別設(shè)計(jì)的砂粒式應(yīng)力吸收層對(duì)防止溫度和荷載應(yīng)力導(dǎo)致的開裂效果明顯 。 Strata 混合料 級(jí)配范圍 、 湖北武黃 、 漢宜

3、高速公路試驗(yàn)路及實(shí)體工程 確定的范圍對(duì)半剛性基層上應(yīng)力吸收層的級(jí)配確定有指 導(dǎo)意義 。 經(jīng)過比較可知,湖北省采用的級(jí)配完全包含在 Strata 應(yīng)力吸收層級(jí)配范圍內(nèi),這說明湖北省總結(jié)的級(jí) 配范圍更加接近工程使用級(jí)配 。 因此,半剛性基層上應(yīng) 力吸收層的級(jí)配采用湖北省推薦的范圍,瀝青混合料試 件制備等細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn) 1。瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎沉計(jì)算時(shí)需要瀝青混凝土的抗 壓回彈模量,該抗壓回彈模量試驗(yàn)測(cè)試溫度 20 ,此 外,如進(jìn)行彎拉驗(yàn)算時(shí),則采用測(cè)試溫度 15 時(shí)的抗壓 回彈模量,劈裂強(qiáng)度的試驗(yàn)溫度同樣是 15 。試驗(yàn)采用圓柱體試件,抗壓回彈試驗(yàn)的試件個(gè)數(shù)為 6個(gè) 。 按照規(guī)范步驟進(jìn)行抗壓試驗(yàn),

4、7級(jí)回彈,原點(diǎn)修 正后取第 5級(jí)的數(shù)據(jù)計(jì)算回彈模量,試驗(yàn)結(jié)果見表 1。根據(jù)表 1的測(cè)試結(jié)果,結(jié)合文獻(xiàn) 1,按照規(guī)范確定 瀝青混凝土模量的方法,確定應(yīng)力吸收層 15 回彈模量 取 值 為 300500MPa , 20 回 彈 模 量 取 值 為 200300MPa 。 1.2泊松比泊松比定義為側(cè)向壓力與軸向應(yīng)變的比值 。 在進(jìn)行 回彈模量試驗(yàn)時(shí),量測(cè)軸向和側(cè)向應(yīng)變,就可確定泊松應(yīng)力吸收層對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)中剪切應(yīng)力的影響分析陳鵬舉 1,張常梅 2,劉金利3(1. 鄂爾多斯市公路工程監(jiān)理所,內(nèi)蒙古鄂爾多斯017000; 2. 鄂爾多斯市公路質(zhì)量監(jiān)督站, 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000;3. 內(nèi)蒙古公路工

5、程局,內(nèi)蒙古呼和浩特010000摘要:文章研究了砂粒式應(yīng)力吸收層的回彈模量和泊松比等參數(shù),針對(duì)設(shè)置砂礫式應(yīng)力吸收層的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)和兩種常規(guī)瀝青路面結(jié)構(gòu),分析了不同位置層間剪切應(yīng)力的變化規(guī)律,認(rèn)為設(shè)置應(yīng)力吸收層對(duì)路面結(jié) 構(gòu)的剪切應(yīng)力影響較大,應(yīng)提高中面層抗剪強(qiáng)度和層間粘結(jié)能力 。 關(guān)鍵詞:應(yīng)力吸收層;剪切應(yīng)力;層間粘結(jié) 中圖分類號(hào):U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B表 1抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果道路工程342010年 04期 (總第 64期 比 。 由于泊松比對(duì)路面響應(yīng)的影響較小,通常可假定適 當(dāng)?shù)闹涤糜谠O(shè)計(jì),而不是根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)確定其值 。2路面結(jié)構(gòu)2.1設(shè)置應(yīng)力層的路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)傳統(tǒng)的半剛

6、性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖 1所示,推薦 的含有應(yīng)力吸收層的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖 2所 示 。圖 1傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)圖 2應(yīng)力吸收層路面結(jié)構(gòu)從圖 1和圖 2對(duì)比可知,含有應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的半 剛性基層瀝青路面把取消了下面層,其余結(jié)構(gòu)層沒有變 化 。 可以預(yù)見的是,因應(yīng)力吸收層的模量較低,且厚度2030mm ,無法直接取代下面層,這兩個(gè)結(jié)構(gòu)層不可能 存在等量替換的關(guān)系 。 為了使路面結(jié)構(gòu)滿足彎沉的要 求,必然需要增加結(jié)構(gòu)層厚度,如果增加面層的厚度, 導(dǎo)致工程費(fèi)用大量增加,因此增加基層厚度是一個(gè)必然 的選擇 。此外,應(yīng)力吸收層的存在,必將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力 的重新分配,需要經(jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算考慮其對(duì)于表面層

7、、 中 面層的影響 。 各層厚度和參數(shù)見表 2,標(biāo)記為路面結(jié)構(gòu) 一 。2.2典型路面結(jié)構(gòu)和參數(shù)圖 1作為半剛性基層瀝青路面的典型結(jié)構(gòu)的代表, 其厚度和參數(shù)如表 3所示,標(biāo)記為路面結(jié)構(gòu)二 。 在標(biāo)準(zhǔn) 荷載下計(jì)算路面結(jié)構(gòu)二的豎向變形,結(jié)果為 0.341mm , 增加路面結(jié)構(gòu)一水泥穩(wěn)定基層的厚度,使其豎向變形達(dá) 到 0.341mm ,這種路面結(jié)構(gòu)標(biāo)記為路面結(jié)構(gòu)三 。 結(jié)果表 明路面結(jié)構(gòu)三水泥穩(wěn)定基層的厚度增加到 30cm ,其余 參數(shù)同路面結(jié)構(gòu)一 。 2.3剪切應(yīng)力計(jì)算位置在荷載作用下,路面結(jié)構(gòu)存在變形,由于變形導(dǎo)致 路面結(jié)構(gòu)中必然存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力,與應(yīng)力相對(duì)的有 應(yīng)變,理論上講,存在三個(gè)方向應(yīng)力

8、和三個(gè)切向應(yīng)力, 與此對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也存在與各個(gè)截面上 。 一般在路面分析 中經(jīng)常應(yīng)用的主要是豎向變形 、 拉應(yīng)力 、 壓應(yīng)力和剪應(yīng) 力 。 規(guī)范中用于厚度設(shè)計(jì)的路面荷載及計(jì)算圖示如圖 3所示 。對(duì)于上述三種路面結(jié)構(gòu),采用彈性層狀體系進(jìn)行計(jì) 算和分析 。 計(jì)算圖式采用 公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTG D50-2006 推薦的雙圓均布荷載,荷載接觸壓力表 2設(shè)置應(yīng)力層的瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)表 3 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)35為 0.7MPa 。圖 3路面荷載及計(jì)算點(diǎn)圖示對(duì)于特定的瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層,車轍的產(chǎn)生一方面 和壓應(yīng)力有一定的關(guān)系,另外和層間的剪應(yīng)力狀態(tài)關(guān)系 密切,過大的壓應(yīng)力造成結(jié)構(gòu)層較大的壓縮

9、變形,如果 不能及時(shí)恢復(fù),則變形逐漸累計(jì)而形成壓密性車轍 。 另 一個(gè)比較嚴(yán)重的問題是,瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層在荷載的作 用下,產(chǎn)生過大的剪應(yīng)力,其數(shù)值超過了瀝青混凝土材 料的抗剪強(qiáng)度,引起剪切變形造成流動(dòng)性車轍,一旦路 面出現(xiàn)了剪切流動(dòng)變形,則車轍深度必然較大,且很難 處理,因此對(duì)于剪切應(yīng)力的分析和討論對(duì)于應(yīng)力吸收層 路面結(jié)構(gòu)是重中之重 。本文分析的剪切應(yīng)力的計(jì)算位置為兩個(gè) 。 一個(gè)為單 圓荷載中心位置,即位置 B 對(duì)應(yīng)的不同深度的位置;另 一個(gè)為兩輪間隙的中心位置,即位置 A 對(duì)應(yīng)的不同深度 位置 。3剪切應(yīng)力分析3.1典型結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力對(duì)路面結(jié)構(gòu)二中位置 A 和位置 B 的剪切應(yīng)力進(jìn)行 分析,

10、計(jì)算結(jié)果如圖 4所示 。 從圖 4可知,位置 A 的剪 應(yīng)力隨著深度的增加逐漸變大,在中面層達(dá)到最大值, 隨著深度的進(jìn)一步增加,逐漸減小,在中面層底部,剪 切應(yīng)力只有最大值的 10%左右,在下面層層底,剪切應(yīng) 力增加到最大值的 14%左右 。 位置 B 的剪應(yīng)力隨著深度 的增加而減小,表面層剪應(yīng)力較大,但同時(shí)也在表面層 迅速衰減 。圖 4路面結(jié)構(gòu)二不同位置剪切應(yīng)力隨深度變化曲線 3.2應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力針對(duì)路面結(jié)構(gòu)一,對(duì)位置 A 和位置 B 的剪切應(yīng)力 進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖 5所示 。 從圖 5中可知,位置 A 剪 切應(yīng)力的變化規(guī)律和結(jié)構(gòu)二明顯不同,結(jié)構(gòu)二中該位置 的剪切應(yīng)力盡管隨深度衰減

11、較慢,但數(shù)值表現(xiàn)為減小的 規(guī)律,而結(jié)構(gòu)一不僅沒有衰減,且越接近應(yīng)力層頂面, 剪切應(yīng)力有進(jìn)一步增大的趨勢(shì) 。 應(yīng)力吸收層的存在,導(dǎo) 致了中面層層間剪切應(yīng)力增加,在中面層底部,位置 C 的剪切應(yīng)力增加了 35%。 路面結(jié)構(gòu)一和路面結(jié)構(gòu)二位置 B 處的剪切應(yīng)力規(guī)律基本一致,但應(yīng)力吸收層的存在使 中面層層底剪切應(yīng)力和應(yīng)力吸收層的剪切應(yīng)力差值較 大,變化梯度很大 。 而在應(yīng)力吸收層內(nèi)部,剪切應(yīng)力處 于較低的水平,位置 A 和位置 B 的數(shù)據(jù)趨于一致 。圖 5路面結(jié)構(gòu)一不同位置剪切應(yīng)力隨深度變化曲線 3.3路面結(jié)構(gòu)三剪切應(yīng)力為了進(jìn)一步討論應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)中的剪切應(yīng)力,對(duì) 路面結(jié)構(gòu)三不同位置的剪切應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)

12、算,結(jié)果圖 6所示 。 從圖中可以看出,路面結(jié)構(gòu)三和路面結(jié)構(gòu)一位置 A 和位置 B 不同深度的剪切應(yīng)力變化規(guī)律一致 。圖 6路面結(jié)構(gòu)三不同位置剪切應(yīng)力隨深度變化曲線 針對(duì)三種路面結(jié)構(gòu),將標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下的位置 A 和 位置 B 的剪切應(yīng)力隨深度變化的曲線繪制于圖 7中 。 從 圖 7中可知,基層厚度的增加,對(duì)應(yīng)力吸收層內(nèi)的剪切 應(yīng)力影響較小,對(duì)于位置 A 出現(xiàn)最大剪切應(yīng)力的位置和 峰值均沒有影響;對(duì)于位置 B ,基層厚度增加,可使中 面層剪切應(yīng)力平均降低 7%左右 。圖 7 三種路面結(jié)構(gòu)不同位置剪切應(yīng)力隨深度變化曲線 (下轉(zhuǎn)第 40頁 362010年 04期 (總第 64期 5年多來,全線平整度

13、良好,在 2008年下半年,全省高 速公路平整度大檢測(cè)中,衡德高速平整度指標(biāo)最好,無 明顯橋頭跳車 。 經(jīng)對(duì)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過 超載預(yù)壓的橋梁,目前沉降只有 410mm ,而未經(jīng)過預(yù) 壓的衡水東互通 2號(hào)跨線橋 、 清涼店分離立交兩座橋, 沉降達(dá) 6cm 左右 (現(xiàn)已做處理 ;對(duì)于路基修好后又增 加的通道 、 小橋涵等構(gòu)造物,通過液態(tài)粉煤灰回填處 理,也均未出現(xiàn)明顯沉降,無明顯橋頭跳車 。4結(jié)語橋頭跳車產(chǎn)生的原因是多方面的,只要根據(jù)工程實(shí) 際,采取適當(dāng)?shù)拇胧?就能將橋頭跳車病害降到最低程 度 。 衡德高速公路通過采取提高地基承載力 (地基承載 力不足部分采用了水泥攪拌樁 、 旋噴樁

14、 、 超載預(yù)壓 、 液態(tài)粉煤灰回填等多項(xiàng)措施,有效防止或減緩了橋頭跳 車的發(fā)生,積累了防治橋頭跳車的寶貴經(jīng)驗(yàn) 。參考文獻(xiàn):1邊平濤, 等 . 軟土地基橋頭跳車產(chǎn)生的機(jī)理與工程對(duì)策 . 公路, 2005 (8:91-93.2王明懷 . 高等級(jí)公路橋頭跳車病害的成因與防治研究 . 華東公路, 1996(1: 31-33.表 2衡德高速三合同段液態(tài)粉煤灰混合料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(上接第 36頁 !4結(jié)論通過對(duì)典型結(jié)構(gòu)和應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析后認(rèn) 為:(1 應(yīng)力吸收層的設(shè)置對(duì)路面結(jié)構(gòu)剪切應(yīng)力的影響 非常大,特別是位置 A 處的剪切應(yīng)力,應(yīng)力吸收層路面 結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)剪切應(yīng)力指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注 。(2 路面結(jié)構(gòu)三的剪切應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果表明,盡管 變 形 能 夠 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 , 但 高 荷 載 應(yīng) 力 作 用 下 (1.1MPa,中面層會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 0.42MPa 的剪切應(yīng)力,考 慮適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),已經(jīng)超過了重交瀝青混凝土抗剪強(qiáng) 度,因此應(yīng)力吸收層路面結(jié)構(gòu)應(yīng)組合應(yīng)考慮加強(qiáng)中面 層,特別應(yīng)提高中面層的抗