摘要 在調(diào)查了國內(nèi)多條高等級水泥混凝土路面使用狀況后，發(fā)現(xiàn)溫度變化和層間 滯留水是造成水泥混凝土路面使用壽命減短的重要原因。為此，進行了貧混凝土 基層混凝土路面層間作用機理及處治技術(shù)研究，以減少或避免溫度變化和層間滯 留水對路面的破壞，從而提高水泥混凝土路面的使用壽命。 針對溫度變化對路面使用性能的影響，展開層間作用機理研究，發(fā)現(xiàn)層間界 面層在溫度變化下必然產(chǎn)生斷裂破壞，得到層間過渡層斷裂破壞后的層間接觸模 型；研制了現(xiàn)場層間推移試驗儀器，進行層間界面層的應(yīng)力和應(yīng)變試驗，得到層 間界面層斷裂破壞后的層間界面參數(shù)；展開層間力學(xué)特性研究，分別進行面板無 溫度翹曲變形和翹曲變形下的路面應(yīng)力應(yīng)變計算，得到層間最佳的接觸參數(shù)，指 出基層表面需磨光處理。由于基層表面大面積磨光處理既不經(jīng)濟，也不現(xiàn)實，故 提出層間設(shè)置柔性隔離層，進行柔性隔離層下的路面應(yīng)力應(yīng)變計算，得到層間隔 離層較佳的厚度和剛度范圍，然后與層間不設(shè)隔離層比較后，指出層間宜設(shè)置隔 離層，以改善路面的受力特性。 針對層間滯留水對路面使用性能的影響，開發(fā)了適合柔性隔離層的沖刷試驗 儀，進行稀漿封層、微表處和瀝青混凝土等的沖刷試驗，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的抗沖 刷性能相對較好。 綜合溫度變化和層間滯留水對水泥混凝土路面層間性能的影響，得到具有排 水防裂性能，且厚度為l c m 、剛度為9 0 0 m p a 的隔離層為最佳的層間材料，提出 了最佳層間材料的結(jié)構(gòu)模型。 關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面貧混凝土基層層間作用機理層間界面層 層間試驗?zāi)枎靵瞿Ｐ蛯娱g力學(xué)特性 隔離層沖刷性能透水濾漿隔離防裂層 a b s t r a c t a f t e rt h ei n v e s t i g a t i o n so nt h eu s i n gc o n d i t i o no fs e v e r a ld o m e s t i ch i g h w a y s u r f a c e sm a d eu po fc e m e n tc o n c r e t e ，w ef o u n dt h a tt h a ti ti st e m p e r a t u r ev a r i a t i o n a n dr e m a i n e dw a t e rb e t w e e nl a y e r st h a ta r ec a u s i n gt h es e r v i c el i f eo ft h eh i g h w a y s u r f a c e st ob er e d u c e d t h e r e f o r e ，w eh a v e b e e nr e s e a r c h i n go nt h ea c t i o nm e c h a n i s m a sw e l la st h eh a n d l i n gt e c h n o l o g yb e t w e e nt h el c a nc e m e n tc o n c r e t eb a s ea n dt h e c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts oa st or e d u c eo ra v o i dt h ed e s t r u c t i v e n e s so ft h eh i g h w a y s u r f a c em a d eb yt e m p e r a t u r ev a r i a t i o no rt h er e m a i n e dw a t e rb e t w e e nl e v e l sa n dt h e n t op r o l o n gt h es e r v i c el i f eo ft h ec e m e n tc o n c r e t eh i g h w a yp a v e m e n t t h er e s e a r c ho nt h ei n t e r l a y e ra c t i o nm e c h a n i s mi ss t a r t e db a s e do nh o w t e m p e r a t u r ev a r i a t i o ni n f l u e n c e so nt h eu s i n gf u n c t i o no ft h ep a v e m e n t ，s ot h a ti t i s f o u n dt h a tb r e a kd e s t r u c t i o nw i l lh a p p e nt ot h eb o u n d a r yl a y e r sb e t w e e nl e v e l s i n e v i t a b l ya n dt h e nt h el e v e lc o n t a c t i n gm o d a l so fl e v e lt r a n s i t i o n a ll a y e r ；w e d e v e l o p e dt h es c e n el e v e lp a s s i n gt e s t i n gi n s t r u m e n tw i t hw h i c hw eh a v ed o n et h e e x p e r i m e n to fl e v e lb o u n d a r yl a y e r ss t r e s sa n ds t r a i n t h e nw eg o tt h ep a r a m e t e ro f l e v e lb o u n d a r yl a y e rw h o s el e v e lt r a n s i t i o n a ll a y e rh a sb e e nb r o k e na n dd e s t r u c t e d ； a n dt h e ns t a r t e dt h es p e c i a lr e s e a r c ho nl e v e lm e c h a n i c sb yc a r r y i n go nk n e a d i n g b o a r dn o n t e m p e r a t u r ew a r p i n gd i s t o r t i o na sw e l la sb yc o m p u t i n gt h es t r e s sa n d s t r a i na b i l i t i e so fh i g h w a yp a v e m e n tw i t hw a r p i n gd i s t o r t i o nt og e tt h eb e s tc o n t a c t p a r a m e t e ro fl e v e l sa n dp o i n to u tt h a tt h el e a nc e m e n tc o n c r e t eb a s es u r f a c en e e d p o l i s hp r o c e s s i n g i ti s u n e c o n o m i c a la n di m p r a c t i c a lt op o l i s hm o s to ft h eb a s e s u r f a c e s ow es u g g e s te s t a b l i s h i n gf l e x i b l ei n s u l a t i n gl a y e r sb e t w e e nl e v e l sa n d c o m p u t i n gt h es t r e s sa n ds t r a i no ft h ep a v e m e n tw i t hf l e x i b l ei n s u l a t i n gl a y e r st og e t b e t t e rs c o p e so ft h i c k n e s sa n dr i g i d i t yo fl e v e li s o l a t i o nl a y e r s ，t h e nc l e a r l y ，i ti sg o o d t oe s t a b l i s h i s o l a t i o nl a y e r st oi m p r o v et h es t r e s sc h a r a c t e r i s t i co fp a v e m e n t sb y c o m p a r i n gw i t ht h o s el e v e l sw i t h o u ti s o l a t i o nl a y e r s w i t ht h ei n f l u e n c eo no p e r a t i o n a lp e r f o r m a n c em a d eb yt h er e m a i n e dw a t e r b e t w e e nl a y e r s w ed e v e l o p e dak i n do fw a s h i n go u tt e s t e r sw h i c hf i tf o r t h ef l e x i b l e i s o l a t i o nl a y e r sw i t hw h i c hw ec a nc a l t yo nw a s h o u te x p e r i m e n t so fs l u r r ys e a lc o u r s e ， m i c r os u r f a c i n ga n da s p h a l tc o n c r e t e t h e nt h er e s u l ti st h a tt h ea n t i w a s h o u tf u n c t i o n o fa s p h a l tc o n c r e t ei sr e l a t i v e l yb e t t e r a b o v ea l l ，a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o na n dt h er e m a i n e d w a t e rb e t w e e nl e v e l si n f l u e n c eo nt h ef u n c t i o no ft h eh i g h w a yp a v e m e n tm a d eb y c e m e n tc o n c r e t e w ef o u n dt h a tt h eb e s tl e v e lm a t e r i a li sat y p eo fi s o l a t i o nl e v e l w h i c hi slc mt h i c ka n d9 0 0 m p ar i g i dw i t hf u n c t i o no fd r a i n i n gw a t e ra n d a n t i c r a c k i n gw h i l em e n t i o n e dt h eb e s ts t r u c t u r a lm o d a lo fl e v e lm a t e r i a l k e yw o r d ：c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t l e a nc e m e n tc o n c r e t eb a s e i n t e r l a y e ra c t i o nm e c h a n i s mb o u n d a r yl a y e r i n t e r l a y e rt e s t m o h r - c o u l o m bm o d e l i n t e r l a y e rm e c h a n i c s w a s h o u te x p e r i m e n t m a t e r i a lw i t hd r a i n i n gw a t e ra n da n t i c r a c k i n g h 論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明：本人所呈交的學(xué)位論文是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行 研究工作所取得的成果。除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，對論文的 研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本論 文中不包含任何未加明確注明的其他個人或集體已經(jīng)公開發(fā)表的成 果。 本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。 論文作者簽名： 炒夕年廠月1 日 論文知識產(chǎn)權(quán)權(quán)屬聲明 本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下所完成的論文及相關(guān)的職務(wù)作品，知識產(chǎn)權(quán)歸 屬學(xué)校。學(xué)校享有以任何方式發(fā)表、復(fù)制、公開閱覽、借閱以及申請 專利等權(quán)利。本人離校后發(fā)表或使用學(xué)位論文或與該論文直接相關(guān)的 學(xué)術(shù)論文或成果時，署名單位仍然為長安大學(xué)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 加矽年f 月曰 年月 日 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 研究的目的和意義 隨著我國經(jīng)濟實力的不斷增強，公路建設(shè)得到了前所未有的高速發(fā)展，特別 是改革開放后，我國開始建設(shè)一級公路和高速公路，各級公路的總里程均大幅度 增長。如1 9 7 8 年前我國無一級公路和僅有少數(shù)二級公路，1 9 8 5 年我國僅有4 0 0 k m 一級汽車專用公路和2 1 2 0 0 k m 二級公路m ，1 9 8 5 年之后，我國公路建設(shè)就進入 了一個跨越式高速發(fā)展的階段。 截至2 0 0 7 年年底2 1 ，全國公路總里程達3 5 8 3 7 萬公里，等級公路里程2 5 3 5 4 萬公里，占公路總里程的7 0 7 ，高速公路5 3 9 萬公里( 高速公路的總里程躍居 世界第二位) ，一級公路5 0 1 萬公里，二級公路2 7 6 4 萬公里，形成四通八達的 公路網(wǎng)，從而極大地推動我國經(jīng)濟的發(fā)展。 截至2 0 0 7 年年底眨1 ，全國有鋪裝路面1 2 5 0 3 萬公里，其中瀝青混凝土路面 4 0 16 萬公里，水泥混凝土路面則達到8 4 8 8 萬公里。由于重載車輛、路面結(jié)構(gòu) 內(nèi)和結(jié)構(gòu)外排水不暢、路面結(jié)構(gòu)組合仍待優(yōu)化等原因，導(dǎo)致我國的水泥混凝土路 面和瀝青混凝土路面均出現(xiàn)較為嚴重的早期破壞。如一級和高速公路水泥混凝土 路面的設(shè)計年限為3 0 年，然而實際使用壽命很少超過l o 年，國道1 0 7 廣東某段 一級公路水泥混凝土路面于1 9 9 7 年建成通車，2 0 0 5 年初局部路面大修，2 0 0 6 年 全線進行升級改造，實際使用不到1 0 年就開始大修或改造；廣西某高速公路水 泥混凝土路面1 9 9 7 年建成通車，2 0 0 6 年開始路面大修，實際使用1 0 年后就開 始加鋪改造。 然而國外某些國家的水泥混凝土路面使用了5 0 - - 6 0 年，路面狀況仍比較好， 如比利時首都布魯塞爾南部的一條水泥混凝土路面使用6 7 年后，路況仍然較好 昭1 ；德國柏林至慕尼黑高速公路水泥混凝土路面，上個世紀三十年代建成通車， 使用5 0 多年后路況仍然較好h 1 。 大量的研究成果和國內(nèi)多條高速公路的調(diào)查結(jié)果表明1 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 】，溫度變 化和滯留在路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)的水是造成我國水泥混凝土路面破壞的重要因素。 溫度變化引起水泥混凝土面板的脹縮和翹曲變形，面板脹縮和翹曲變形受到 基層與面層之間界面層限制，從而在基層與面層之間產(chǎn)生溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng) 力大于層間的約束應(yīng)力，那么，基層與面層之間的層間界面層將產(chǎn)生斷裂破壞， 第章緒論 從而在基層與面層之間形成微細空隙；層間界面層斷裂破壞后，面板脹縮和翹曲 變形變得較為自由，溫度升高時，水泥混凝土面板、接縫填縫料膨脹，縮縫、脹 縫縫隙寬度變窄，填縫料變軟，一旦移出的填縫料被車輛輪胎粘結(jié)帶走，那么接 縫填縫料將缺損，溫度降低時，水泥混凝土面板、接縫填縫料收縮，縮縫和脹縫 縫隙寬度變大，填縫料變脆，可能引起填縫料斷裂或與縫壁脫離，從而為地表降 水進入基層與面層之間提供通道；層間界面層斷裂破壞后，水泥混凝土面板在溫 度梯度作用下產(chǎn)生翹曲，由于半剛性或剛性基層剛度較大，翹曲面板的四個角頂 處基層難以產(chǎn)生沉降，造成面板與基層的部分脫空，為地表降水進入基層與面層 之間提供通道。 由于基層與面層之間沒有排水通道，造成進入基層與面層間的水長期滯留在 結(jié)構(gòu)層內(nèi)，在行車荷載作用下水分遷移，同時產(chǎn)生水壓力，在壓力水作用下，水 分通過微裂縫向基層材料內(nèi)部滲透，自由水的存在減短半剛性或剛性基層材料微 裂縫區(qū)尖端的韌帶高度，孔隙水的存在減弱韌帶的作用，從而降低半剛性或剛性 基層材料的斷裂能，加速基層的疲勞破壞1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 l 。 在面板脹縮、翹曲變形和動水壓力作用下，基層表面會產(chǎn)生磨損?；鶎颖砻?磨損后，在動水壓力形成的拖曳力作用下，顆粒被搬動，從接縫馳離端搬運至接 縫馳入端，導(dǎo)致馳入端抬起，馳離端沉陷，形成典型的路面錯劊1 4 _ 5 1 。部分被 搬動的顆粒從接縫處擠出，造成面板底面脫空，從而使水泥混凝土面板的使用壽 命減短。 因此，改善基層與水泥混凝土面層之間的層間性能，減少層間界面層斷裂破 壞和層間脫空，減少地表降水進入層間結(jié)構(gòu)內(nèi)，提高基層的抗水沖刷性能或及時 排除層間結(jié)構(gòu)水，將減少水泥混凝土面板的早期破壞和提高水泥混凝土路面的使 用壽命，其具有非常重要的經(jīng)濟和社會意義。 為此，本文將重點研究貧混凝土基層與水泥混凝土面層的層間處理技術(shù)，旨 在減輕溫度變化對水泥混凝土路面的影響，減少進入層間的結(jié)構(gòu)水對基層和隔離 層的損壞等，從而防止水泥混凝土面板的早期損傷或損壞，提高水泥混凝土路面 的使用壽命，以指導(dǎo)清連一級公路升級改造( 高速) 工程兩百余公里路面加鋪設(shè) 計和路面施工控制，并為其它類似工程的設(shè)計與施工提供參考。 2 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 1 2 1 層間相互作用研究現(xiàn)狀及分析 貧混凝土基層與水泥混凝土面層的層間相互作用研究，吳國雄、易志堅等 1 9 , 2 0 , 2 1 2 2 2 3 ，2 4 2 5 ，2 6 】認為：由于基層表面凹凸不平和基層基體材料存在空隙，面板澆 筑時水泥砂漿極易滲入基層，從而在基層與面層之間產(chǎn)生界面層。路面混凝土凝 固初期，界面層將基層與面層緊緊結(jié)合在一起，幾乎成為一體。隨著時間的推移， 基層和面層各自的彈模、泊松比和強度以各自不同的速度在增長，同時面層水泥 混凝土逐漸凝結(jié)，混凝土將產(chǎn)生收縮變形和周期性的溫度變形，在面板橫縫切割 后面層與基層之間存在不等量變形，將導(dǎo)致本來融為一體的基層、界面層和面層 沿界面層開裂和破壞，造成面層與基層分離，且分離界面處于一種非光滑的凸凹 不平狀態(tài)。 層間界面層的斷裂引起面板的損傷或損壞，文獻【1 9 2 1 ，2 7 , 2 8 , 2 9 , 3 0 , 3 1 l 從斷裂力 學(xué)、損傷力學(xué)和路面疲勞破壞的基本原理出發(fā)，得出了混凝土面板開裂破壞有3 個階段，分別為初始薄弱層( 層問界面層) 的形成和微裂縫的產(chǎn)生階段；板中微 裂紋的生成及其與板底微裂紋的連通階段；最后疲勞荷載的作用，導(dǎo)致面板裂縫 上下貫通，使路面產(chǎn)生斷裂破壞階段。 按斷裂力學(xué)原理，水泥混凝土路面的疲勞破壞過程分為兩個階段，即路面完 好無損至板底表面形成明顯的裂紋階段和裂紋擴展至路面板完全斷裂階段，并 且第一階段通常占材料總壽命的8 0 ，裂縫擴展至面板完全斷裂所需的循環(huán)作 用次數(shù)僅2 0 【2 1 , 2 7 , 3 2 】。然而，在確定混凝土路面的疲勞強度時，人們往往都是基 于經(jīng)典的應(yīng)力一壽命法，卻對萌生裂紋的循環(huán)作用次數(shù)和使這一裂紋擴展到突 然破壞的疲勞次數(shù)不加區(qū)分【2 。 易志堅等2 1 ，2 7 , 3 3 , 3 4 , 3 5 托3 7 1 采用斷裂力學(xué)有關(guān)原理，并進行相關(guān)室內(nèi)試驗：指 出半剛性基層水泥混凝土路面的層間接觸形式并非規(guī)范中假定的光滑接觸模型， 而是層問具有巨大的抗剪切強度，該剪切應(yīng)力極大地阻止了混凝土面板的自由收 縮和溫度變形。肖益民等人 3 8 3 9 , 4 0 1 在室內(nèi)二灰碎石基層和水泥穩(wěn)定基層上成型 了c 3 5 混凝土，測定了層間第一次斷裂破壞和層間破壞后的水平推移應(yīng)力和應(yīng) 變，結(jié)果表明：層間第一次斷裂破壞需要克服相當(dāng)大的阻力( 粘結(jié)力) ，而在層 間界面層破壞后，只需克服很小的阻力( 滑動摩擦力) 就能使面板移動，且面板 3 第一章緒論 與基層接觸界面破壞后，面板在半剛性基層上滑動時的摩擦系數(shù)大于6 0 。趙煒 誠等“1 ，4 2 4 3 4 4 1 人認為混凝土面層與貧混凝土基層之間的結(jié)合面是這個路面體系 中的一個薄弱環(huán)節(jié)，其界面剪切和粘結(jié)強度都低于兩側(cè)的混凝土強度，并從微觀 角度定性地分析界面作用的本質(zhì)和影響因素。 為了消除層間界面層對路面使用性能的影響，文獻【2 3 4 5 ，4 6 , 4 7 , 4 8 1 建議層間設(shè)置 隔離層或隔離劑，以消除層間相互粘結(jié)，避免層間界面層斷裂破壞而造成面板的 損傷或開裂。國內(nèi)湖南某高速公路，在半剛性基層與水泥面板之間增設(shè)透層瀝青， 基層與面層因憎水性瀝青薄膜的存在，部分隔斷基層與面層的連接，通車運營5 年后未發(fā)現(xiàn)基層唧漿，板底脫空等現(xiàn)象，路面使用性能較好 4 9 , 5 1 , 5 2 , 5 3 】。傅智刪認 為，基層與面層之間增設(shè)柔性夾層，不但可以緩沖車輛沖擊和振動，提高行車舒 適性，而且可減少基層表面溫度、濕度變化對面板的影響。 國外針對半剛性基層或剛性基層水泥混凝土路面的層間作用機理研究較少， 他們主要通過工程實踐，總結(jié)出層間應(yīng)采取的結(jié)合形式。如德國的水泥混凝土路 面，基層嚴格按照混凝土面層的橫向和縱向縮縫鋸切對應(yīng)的縮縫，然后拉毛貧混 凝土基層表面，隨后鋪筑水泥混凝土面層，旨在加鋪后的水泥混凝土面層與貧混 凝土基層完全連接為一個整體，采用該層間處理形式和路面結(jié)構(gòu)的柏林至慕尼黑 高速公路，通車運營y s o 余年后路況仍比較好【4 】。然而，美國部分州則采用基層 與面層分離的界面形式，在貧混凝土基層強度達到設(shè)計要求后，若基層表面粗糙， 則采用磨光機磨光基層表面，隨后噴灑憎水性薄層乳化蠟，使基層與面層完全分 離，路面使用壽命也較長f 4 3 , 5 4 , 5 5 , 5 6 , 5 7 , 5 8 。比利時在貧混凝土基層上直接加鋪水泥 混凝土面板，觀測結(jié)果表明，面板開裂和基層沖刷較嚴重，而在貧混凝土基層與 水泥混凝土面層之間增設(shè)6 c m 瀝青混凝土層后，面板開裂明顯減少，路面使用 性能明顯改善1 3 j 。 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀表明，半剛性基層或剛性基層水泥混凝土路面層問存在界面 層的觀點是一致的，然而界面層的強度是否低于面層和剛性基層或半剛性基層， 沒有具體的試驗數(shù)據(jù)，僅是理論推斷：層間界面層的強度隨著水泥齡期的增長是 如何變化的，目前還處于探索階段；層間界面層斷裂破壞后，溫度變化引起層間 相互作用和層間接觸形式又是如何，也是處于探索階段。 國外的研究現(xiàn)狀表明，貧混凝土基層水泥混凝土路面采用層間加固( 如德國) 4 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 或?qū)娱g分離( 如美國) ，水泥混凝土路面的使用壽命均較長，而介于層間加固與 層間分離的路面結(jié)構(gòu)( 如比利時) ，路面破損較為嚴重，使用壽命較短，但在貧 混凝土基層與水泥混凝土之間增設(shè)瀝青混凝土柔性隔離后，路面使用壽命較長 ( 如比利時) 。 因此，分析貧混凝土基層與水泥面板的層間作用形式，揭示層間相互作用機 理，通過現(xiàn)場試驗驗證或修正層間作用機理，從而指出不同層間處理措施的邊界 條件，結(jié)合已有工程的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)，進行層間處理措施試驗和比較，提 出經(jīng)濟合理的層間處理方法，顯得尤為必要。 1 2 2 層間相互作用力學(xué)研究現(xiàn)狀及分析 為了比較不同層間處理措施對路面受力的影響，需展開層間相互作用的力學(xué) 特性研究。鑒于貧混凝土基層的剛度大、板體性好，在其上加鋪水泥混凝土面層， 路面結(jié)構(gòu)可模型化為彈性地基i - - _ 由基層和面層組成的雙層板【5 9 , 6 0 , 6 1 】。文獻【6 2 6 3 ，“，6 5 】分析了雙層板的層間結(jié)合形式，并給出了層間結(jié)合式、層間分離式和層間 部分結(jié)合式模型的應(yīng)力和位移公式。 層問結(jié)合式雙層板的荷載應(yīng)力計算，將雙層混凝土板換算為等剛度的單層- 。 板，然后計算下層板的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力；層間分離式雙層板的荷載應(yīng)力則分 別計算上層板和下層板的荷載應(yīng)力，但僅考慮上層板溫度應(yīng)力，總應(yīng)力值為荷載 應(yīng)力和溫度應(yīng)力之和。然而分離式雙層板在溫度翹曲和軸載共同作用下，上層板 的總應(yīng)力并不是分別計算翹曲應(yīng)力和荷載應(yīng)力之后的簡單疊加【5 9 ，6 6 1 。文獻 4 5 , 6 7 , 6 8 1 研究表明，面板翹曲時，水泥混凝土面板可能僅部分與基層完全接觸，部分與基 層分離，在路面行車荷載作用下，現(xiàn)場實測面板底面的拉應(yīng)力遠大于溫度應(yīng)力和 荷載應(yīng)力的簡單疊加。 水泥混凝土面層在溫度變化時產(chǎn)生脹縮變形，若貧混凝土基層限制了水泥混 凝土面層的變形，則在基層與面層之間產(chǎn)生剪切應(yīng)力，該剪切應(yīng)力為一對大小相 等、方向相反的作用力與反作用力。由于貧混凝土基層與水泥混凝土面層的強度 差異，兩者彈性模量的不同，故在相同的層間剪切應(yīng)力作用下，層間的位移將不 一致，可得貧混凝土基層直接鋪筑在水泥混凝土面層上，層間接觸形式為滿足古 德曼( g o o d m a n ) 模型的部分結(jié)合式【6 2 , 6 9 , 7 0 。 部分結(jié)合式古德曼模型的結(jié)合系數(shù)介于0 - o o 之間，層間的剪切應(yīng)變難以測 5 第一章緒論 得，因此，古德曼模型僅是一個理論模型，難以指導(dǎo)工程實際，且難以測定層間 的結(jié)合系數(shù)。因此，設(shè)計規(guī)范【7 l 】僅提供了結(jié)合式和分離式雙層混凝土板的荷載 疲勞應(yīng)力與溫度疲勞應(yīng)力的計算公式，而沒有給出層問部分結(jié)合式的計算公式。 部分結(jié)合式模型的荷載應(yīng)力計算，除了采用古德曼模型外，目前還有采用摩 擦模型、彈簧模型或摩擦彈簧模型進行力學(xué)計算。摩擦模型描述界面上的受力 狀態(tài)，為層間分離后的層間接觸模型；彈簧模型描述平面狀弱界面的變形特性， 用法向剛度和切向剛度來描述彈簧層頂部與底部力學(xué)量之間的關(guān)系，模擬層間的 壓縮和剪切變形。如t o t s k y “b7 2 1 在1 9 8 1 年提出了將多層路面體系模型轉(zhuǎn)化為由 板單元和彈簧單元交替組成的體系，板單元模擬體系的彎曲，而彈簧單元模擬體 系中的層間相互壓縮。k h a z a n o v i c h 等h 1 7 3 1 在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了8 節(jié)點2 4 個自由度 的單元，上面4 個節(jié)點置于上層板的中軸，而下面4 個節(jié)點則置于下層板的中軸， 一組層間彈簧聯(lián)系上下兩層板，其彈簧剛度取決于上下兩層板的豎向壓縮性質(zhì)： s = 擊 s 。s l = 辮 s ：嬰! 二世 。 紅( 1 一p 2 2 ；) 式中：甌、s 分別考慮上層板和下層板壓縮的彈簧剛度； 啊、置、。上層板的厚度、彈性模量和伯桑比； 吃、易、j l l ：下層板的厚度、彈性模量和伯桑比。 采用此模型，還可以分析上、下層之間設(shè)置夾層的情況。夾層的作用如同在 層間設(shè)置一組彈簧。如果夾層材料的彈性模量為e b ，則夾層彈簧的剛度便可定義 為： 甌= 而2 e 而o ( 1 - u t , ) 式c o 玩、毛、地夾層的厚度、彈性模量和伯桑比。 6 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 包括夾層在內(nèi)的層間彈簧剛度s 則為： s = t * + 一+ 一 s 。s ls b 與上述等剛度單層板計算方案相比，這一計算模型既可考慮上層和下層板的 壓縮作用，也可考慮層間設(shè)置不同材料組成的夾層對雙層板撓度和應(yīng)力的影響， 該模型提出了界面法向剛度的計算方法。趙煒誠等人h 借鑒上述思路，提出了 界面處的切向剛度，并通過計算得出切向剛度的計算方法。 余定選訂4 1 提出了在上層和下層板之間設(shè)置8 個節(jié)點2 4 個自由度的夾層單元 模型，考慮豎向剛度系數(shù)和切向剛度系數(shù)兩個部分，前者為上下兩層間產(chǎn)生單位 豎向位移差的法向應(yīng)力，后者為產(chǎn)生單位水平位移差的剪應(yīng)力。這一模型可用于 分析設(shè)置夾層對雙層板繞度和應(yīng)力的影響，但它沒有考慮上層和下層的壓縮作 用。 采用彈簧模型雖然可以計算部分結(jié)合式雙層板的荷載應(yīng)力，然而由于彈簧模 型的法向剛度和切向剛度測定較為麻煩，也只能作為一種理論方法，難以指導(dǎo)工 程實際，兼之在貧混凝土基層與水泥混凝土面層之間存在界面層，該界面層厚度 很薄，難以測得界面層的強度，進而給彈簧模型的計算結(jié)果帶來較大的誤差。 部分結(jié)合式雙層板的溫度應(yīng)力計算模型，基本上均假定雙層板緊密接觸，面 板的翹曲變形由板體自身重量和地基約束來平衡，如談至明、姚祖康7 5 6 ，7 7 ，7 8 ，7 9 ，8 0 ，8 1 1 導(dǎo)出不同層間結(jié)合狀況下由層間變形協(xié)調(diào)條件引起的層間約束應(yīng)力 的計算通式，分析板間約束應(yīng)變的特性，并給出其計算公式。然而混凝土板在溫 度梯度作用下產(chǎn)生的翹曲變形，首先可能損壞貧混凝土基層與面層之間的界面 層，其次是面板與貧混凝土基層出現(xiàn)部分脫空。為了消除部分脫空造成計算結(jié)果 與實際應(yīng)力的差別，文獻5 9 1 將地基與面板的脫空量，修正為緊密接觸，然后采 用迭代法，進行應(yīng)力計算，最后將荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力進行簡單疊加。 就力學(xué)模型而言，水泥混凝土路面屬于彈性地基板三維連續(xù)體系。只有經(jīng)過 一系列簡化假定和復(fù)雜的數(shù)學(xué)推演，才能建立以解析法為基礎(chǔ)的應(yīng)力分析方法。 在求解微分方程和變形連續(xù)方程的解析解時，以軸對稱彈性空間的一般解為基 礎(chǔ)，把平衡微分方程轉(zhuǎn)換成為貝塞爾( b e s s e l ) 微分方程，利用漢克爾積分變換法。 7 第一章緒論 導(dǎo)出應(yīng)力和位移分量的一般表達式【8 2 1 。 彈性地基板理論的研究雖已有百年歷史，撓度和應(yīng)力的解析解【8 2 3 1 卻主要 局限于無限大板的情況，w i n k l e r 地基上矩形板的解析解近年才出現(xiàn)。w e s t e r g a a r d 的板中、板邊和板角應(yīng)力計算公式，長期以來得到路面界的廣泛采用，但其板邊 公式也僅在十幾年前才得到確證，而板角公式至今尚無嚴密的論證。這種應(yīng)力 分析法無法反映許多工程結(jié)構(gòu)中的實際問題，具有一定局限性。 隨著有限元分析方法和計算機技術(shù)的發(fā)展，各種復(fù)雜邊界條件下彈性地基板 的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力都可得到滿意的數(shù)值解，為混凝土路面結(jié)構(gòu)分析提供了強 有力的工具。黃仰賢與鄧學(xué)鈞通過簡化方法或迭代方法，將有限元分析范圍擴大 到由若干塊板組成的多板系統(tǒng)。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀表明，首先雙層板的溫度應(yīng)力計算和荷載應(yīng)力計算是相對獨 立的，即面板受到的應(yīng)力是溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力的簡單疊加，此與實際情況不盡 相同；其次，目前的層間接觸形式和結(jié)合系數(shù)比較理論化，難以指導(dǎo)工程實際； 第三、隨著有限元分析方法和計算機技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜邊界條件下的彈性地基板 荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力都可得到滿意的數(shù)值解。 為此，耦合雙層板的溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力，建立能夠反映層間結(jié)合形式的計 算模型，采用通用有限元軟件，計算各種復(fù)雜邊界條件下的彈性地基板荷載應(yīng)力 和溫度應(yīng)力，以指導(dǎo)工程實踐，具有非常重要的意義。 1 2 3 層間材料性能研究現(xiàn)狀及分析 為了減少層間界面層的斷裂破壞而損傷水泥面板，在半剛性基層或剛性基層 表面噴灑隔離劑( 如乳化瀝青) ，鋪筑塑料或土工布等卷材，或鋪筑瀝青混凝土【” 3 ，1 9 ，2 0 ，7 1 ，踟。為了排除進入基層與面層之間的層間水，文獻 2 0 2 2 ，2 3 ，8 5 】提出在 半剛性基層或剛性基層與水泥混凝土面層之間設(shè)置透水濾漿隔離層，具體做法 是：在碾壓找平后的基層表面鋪設(shè)一層薄膜隔離層，再在薄膜隔離層上鋪設(shè)一絲 網(wǎng)結(jié)合層，再在薄膜隔離層上直接澆筑水泥混凝土面層。 貧混凝土基層與水泥混凝土面層之間增設(shè)柔性隔離層后，由于隔離層連接貧 混凝土基層和水泥混凝土面層，面板脹縮和翹曲變形時，一旦隔離層受到的拉應(yīng) 力和拉應(yīng)變超過夾層材料的最大拉應(yīng)力或拉應(yīng)變，隔離層將產(chǎn)生斷裂破壞t 4 5 j 在層間設(shè)置隔離劑或隔離層后，目前的研究主要集中在減少水泥混凝土面板 8 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 損傷等領(lǐng)域，以提高面板的使用壽命等【2 1 2 2 , 2 4 1 ，而對隔離層本身性能的研究幾 近空白，如隔離劑自身材料的技術(shù)要求、適用條件，及隔離層自身技術(shù)要求。 由于對層間隔離層材料的研究不夠深入，造成未能充分認識工程實踐中的成 功經(jīng)驗或失敗教訓(xùn)，如江蘇某舊瀝青路面在加鋪水泥混凝土路面改造時，一個加 鋪方案是將水泥混凝土面層直接加鋪在舊瀝青路面上，另一個加鋪方案則是在舊 瀝青路面上加鋪半剛性基層后再加鋪水泥混凝土面板。通車運營3 年多后表明， 增設(shè)半剛性基層的路面加鋪方案，其破壞程度遠大于未加鋪半剛性基層的路面結(jié) 構(gòu)方案，其原因未見深入分析，未見在舊瀝青混凝土面層上加鋪水泥混凝土面層 前，對舊瀝青面層具體的技術(shù)要求。 因此，只有充分認識隔離層或隔離劑材料自身可能遭到的破壞，分析材料自 身應(yīng)具備的性能和適用條件，深入研究和比較不同隔離層或隔離劑的性能，才能 找到或研制出經(jīng)濟合理的層間隔離劑或隔離層材料，從而減少或消除水泥混凝土 路面的早期損壞，提高水泥混凝土路面的使用壽命，具有非常重要的社會和經(jīng)濟 意義。 1 3 主要研究內(nèi)容 綜合國內(nèi)外貧混凝土基層或半剛性基層與水泥混凝土面層層間相互作用研 究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)在層間界面層、層間隔離層材料等研究已取得了大量的成果， 然而還有一些問題缺乏系統(tǒng)性研究，有一些問題還處于探索階段，有一些問題尚 未展開研究，歸納起來可分三點： ( 1 ) 對層間相互作用機理缺乏系統(tǒng)研究，對層間界面層的強度及溫度變化 引起層間相對位移等還處于探索階段，尚缺層間作用機理的驗證或修正等研究； ( 2 ) 尚缺乏層間結(jié)合狀態(tài)的現(xiàn)場試驗研究，層間設(shè)置柔性隔離層對水泥混 凝土路面應(yīng)力應(yīng)變的影響還處于探索階段： ( 3 ) 對層間隔離層材料性能缺乏系統(tǒng)研究，未見層間隔離層材料的疲勞斷 裂破壞等系統(tǒng)性研究，未見不同隔離層材料的性能比較研究，及隔離層材料的抗 沖刷性能等研究。 針對國內(nèi)外研究的不足，擬分以下四個部分進行研究。 1 3 1 層間相互作用機理分析 將采用化學(xué)的有關(guān)原理，結(jié)合施工中的實際情況，分析層間界面層的特性； 9 第一章緒論 分析導(dǎo)致層間界面層斷裂破壞的主要因素和層問破壞的必然性，結(jié)合工程實體， 分析面板在層間界面層破壞后因溫度變化而引起基層與面層相對位移等；分析層 間界面層破壞后，基層表面的構(gòu)造深度影響層間界面性能以及基層表面的不均勻 性對面板受力的影響等。 1 3 2 層間相互作用試驗研究 為了驗證水泥混凝土路面層間作用機理的部分結(jié)論，結(jié)合工程實體，對層間 設(shè)置不同的隔離層或隔離劑等措施后，進行層間水平推移應(yīng)力變形試驗，并通過 試驗驗證層間界面層的強度和厚度的研究成果，進行層間界面層斷裂破壞后的層 間試驗，驗證層間的接觸模型，取得層間接觸模型的材料參數(shù)。 1 3 3 層間力學(xué)特性研究 根據(jù)層間相互作用機理和相互作用試驗的研究成果，建立貧混凝土基層水泥 混凝土路面的層間接觸模型，采用有限元法模擬該層間接觸模型，按照層間設(shè)置 隔離劑和隔離層兩種形式，分析不同層間接觸狀態(tài)下的路面應(yīng)力應(yīng)變，計算層間 不同隔離層厚度、剛度、基層切縫寬度等因素下路面的應(yīng)力和應(yīng)變，得到層間較 佳接觸參數(shù)，及隔離層較佳的厚度和剛度，為層間設(shè)置隔離劑、隔離層材料提供 較佳的力學(xué)參數(shù)。 1 3 4 層間材料性能研究 分析面板溫度變形與隔離層變形的協(xié)調(diào)性，得出層間隔離層將因面板溫度變 形而破壞；進行隔離層材料的抗沖刷性能試驗，比較了常用隔離層材料抗沖刷性 能的優(yōu)劣性；根據(jù)層間隔離層材料的力學(xué)性能、抗沖刷性能等研究成果，提出層 間透水濾漿隔離防裂層的結(jié)構(gòu)模型和力學(xué)參數(shù)，指導(dǎo)層間隔離層材料的研制。 1 4 技術(shù)路線 因為溫度變化和滯留在層間的結(jié)構(gòu)水是造成水泥混凝土路面破壞的重要因 素，所以將展開溫度變化和滯留在層間的結(jié)構(gòu)水對水泥混凝土路面層間性能的影 響研究，研究的技術(shù)路線見示意圖1 1 所示。 水泥混凝土面層直接澆筑在貧混凝土基層上，層間必然產(chǎn)生界面層。為此， 首先進行層間作用機理研究，分析溫度變化而造成層間界面層的斷裂破壞，研究 因溫度變化而引起的層間相對位移和層間脫空，分析層間界面層斷裂破壞后的層 間界面性能，指出層間位移造成層間脫空的原因：其次，模擬面板因溫度變化而 1 0 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 脹縮變形的試驗，分析層間界面層斷裂破壞對面板強度的損傷，分析層間界面層 破壞前后的應(yīng)力和應(yīng)變，得到層間接觸模型和層間界面參數(shù)，為路面應(yīng)力計算提 供模型和參數(shù)，并驗證層間作用機理的部分結(jié)論；第三，溫度變化引起面板翹曲 變形，采用有限元法，計算翹曲面板和無翹曲面板的路面應(yīng)力和應(yīng)變，分析層間 不同結(jié)合參數(shù)下路面的應(yīng)力和應(yīng)變，提出層間最佳的界面參數(shù)范圍和適用條件； 而在采用隔離劑無法調(diào)整層間界面參數(shù)時，提出在層間設(shè)置柔性隔離層，計算隔 離層不同剛度和厚度下路面的應(yīng)力和應(yīng)變，提出層間隔離層最佳厚度和剛度，然 后比較層間設(shè)置隔離層和不設(shè)隔離層下的路面應(yīng)力和應(yīng)變，提出不同層間界面下 的層間處理措施。 層間滯留水對路面破壞的影響，主要研究層間滯留水對層間處理措施的影 響，即層間滯留水對隔離層材料的影響，開發(fā)層間隔離層的抗沖刷試驗儀，比較 不同隔離層的抗沖刷性能，分析影響隔離層材料抗沖刷性能的因素和提高隔離層 材料抗沖刷性能的措施。 為了減少溫度變化和層間滯留水對路面的影響，擬開發(fā)新的層間隔離材料， 以改善水泥混凝土路面的層間處理措施，提高水泥混凝土路面的使用壽命。 第一章緒論 圖1 1 研究技術(shù)路線示意圖 1 2 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 第二章水泥混凝土路面層間作用機理分析 水泥混凝土路面建成通車后直接暴露在大氣之中，四季及每臼白晝黑夜氣溫 的周期變化，使得混凝土路面的溫度也隨之產(chǎn)生周期性的變化。由于混凝土材料 的不可塑性，面板溫度變化引起的膨脹、收縮等變形，一旦變形受到約束，面板 不能自由伸縮，將產(chǎn)生溫度應(yīng)力1 8 6 1 0 若溫度應(yīng)力大于基層與面層層間界面的抗 剪強度或抗拉強度，則將在界面處產(chǎn)生破壞，如果界面遭到破壞，那么破壞前后 的層間接觸狀態(tài)有何變化，及溫度變化對層間接觸形式又有何變化等，目前還處 于研究階段。 2 1 層間界面特性分析 在粗糙的貧混凝土基層表面上澆筑面層水泥混凝土?xí)r，水泥混凝土除了將填 補基層表面凹陷處外，面層水泥漿體還將在基層毛細管壓力、面層水泥混凝土自 重和施工振搗功綜合作用下，滲透至基層表面一定深度內(nèi)。因此，層間界面并不 是一個“面”，而是一個有一定厚度得“層 ，這個“層”的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與水泥混 凝土面層和貧混凝土基層有較大的區(qū)別。 為了分析層間界面的其它性質(zhì)，定義層間界面厚度為“強度不同于基層和面 層的層間( 即基層和面層之間) 厚度層 。因此，在面層水泥混凝土調(diào)平基層表 面凹陷( 以下簡稱“調(diào)平層 ) 和水泥漿體滲透至基層表面一定深度時( 以下簡 稱“滲透層”) ，將造成調(diào)平層和滲透層強度不同于基層和面層，即層間界面厚度 為調(diào)平層厚度、滲透層厚度及面層底面過渡層厚度之和，其中面層底面過渡層厚 度為0 1 0 0 a n1 8 7 。 為了量化調(diào)平層和滲透層的厚度，在清連一級公路升級改造( 高速) 工程碾 壓貧混凝土基層表面，測試了基層表面的構(gòu)造深度，同時借鑒滲水試驗，分析層 間調(diào)平層和滲透層的厚度。 2 1 1 層間調(diào)平層厚度 碾壓貧混凝土基層通常采用水泥穩(wěn)定土攤鋪機攤鋪，若攤鋪寬度較大，如攤 鋪寬度在l l m 左右時，為減少路面離析，采用兩臺6 m 攤鋪寬度的攤鋪機一前一后 施工。攤鋪機的螺旋布料器往兩側(cè)布料時，粗料被傳送到兩端，從而在兩臺攤鋪 機的結(jié)合處粗集料較多，細集料較少，導(dǎo)致離析，如圖2 1 所示( 簡稱“嚴重離析”) ； 在攤鋪機的出料口處部分粗集料還未接觸到螺旋布料器就被混合料推走，從而在 第二章水泥混凝路面屬問作用機理分析 布料口通常也存在局部離析，但是離析程度相對于兩臺攤鋪機結(jié)臺處要小一些， 如圖2 2 所示( 簡稱“一般離析”) ；碾壓貧混凝土基層旌工完工后的正?；鶎颖?面較為平整，如圖2 3 所示( 簡稱“表面平整”) 。 圖2 1 基層表面嚴重離析圖厶2 基層表面不均勻離析( 一般離析) 圖2 - 3 基層表面平整圖2 4行車后的基層表面 基層鋪筑后若不能及時鋪筑面層且將基層作為旌工臨時便道，在工程車輛 的搓揉下，表面的細集料易被帶走，導(dǎo)致基層表面麻面，如圖2 4 所示。 現(xiàn)場的施工情況表明，碾壓貧混凝土基層表面可為三種情況：基層表面 平整( 見圖23 ) ，表面的構(gòu)造深度可采用鋪砂法進行檢測：基層表面局部離 析( 見圖2 1 ，圖2 2 ) ；基層表面太面積均勻麻面( 見圖2 4 ) 。基層表面局部 離析和均勻麻面的表面構(gòu)造深度可采用鋪砂法測定指定位置平均構(gòu)造深度，也可 采用游標卡尺測量具體點位的構(gòu)造深度。 在清連一級公路升級改造( 高速) 工程r k 2 2 5 2 + 4 0 0 右幅長7 0 米，共抽取了 4 0 個斷面，每個斷面布設(shè)三個點，分別為基層表面平整、基層表面一般離析和基 層表面嚴重離析，采用鋪砂法測定每個斷面每個點的構(gòu)造深度，共測了1 2 0 點， 將試驗結(jié)果簡單整理成表2 - 1 和圈2 - 5 。 長安大學(xué)博士學(xué)位論文 由圖2 - 5 和表2 1 的構(gòu)造深度分布狀況，基層表面的構(gòu)造深度可控制0 2 5 哪 以內(nèi)，采用游標卡尺測量時離析處的構(gòu)造深度，最大約為l o t m 。 囤2 - 5 碾壓貧混凝土基層表面的構(gòu)造深度涮試結(jié)果 表2 1碾壓貧混凝土基層表面實測的構(gòu)造深度( m m ) 基層裊面狀況嚴重離析處基層一般離析 平均值 標準差 詹 值 廣最小值 假定基層表面的構(gòu)造深度為常數(shù)，則層間調(diào)平層的厚度則為k ，r ，其中r 為 基層表面的構(gòu)造深度；k 。為系數(shù)，與基層表面微觀構(gòu)造有關(guān)，一般k l ，若基層 表面具體位置的構(gòu)造深度采用游標卡尺測量時，則k = l 。 2 1 2 層間滲透層厚度 為了模擬