半刚性路面范文

半刚性路面范文（精选12篇）

半刚性路面 第1篇

关键词：半刚性路面,力学特质,材料特性,施工质量

1 概述

以路面结构的力学特性和设计方法的相似性作为划分标准, 可将路面形式分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面。半刚性路面一般是由半刚性基层 (无机结合料稳定基层材料) 和铺筑其上的沥青面层组成的路面结构, 此外也有改善沥青 (水泥) 混凝土的性能的半刚性路面。半刚性路面是我国高等级道路最为常见的一种路面形式, 其力学优点是沥青面层与半刚性基层刚度相近, 可以共同承担荷载作用, 受力协调[1,2,3,4,5], 在经济上造价相较柔性基层路面也低廉一些, 具体优点见表1。本文从力学特性, 材料特性, 施工质量控制要点等三方面来论述半刚性路面的特点, 本文研究的内容对实际工程设计施工具有重要的意义。

2 半刚性路面的特点

2.1 力学性质

为了更好的说明半刚性路面的特点, 需要将其与柔性路面及刚性路面进行适当的对比。由表2可知, 半刚性路面在力学性质上的特点是其路面刚度在柔性路面和刚性路面之间。

2.2 材料特性

半刚性路面与刚性, 柔性路面的区别在于其以无机结合料稳定材料作为基层使用。这种材料具有一定的抗拉强度及劈裂强度;外部温度对半刚性材料强度的产生和加强有较大的影响, 环境温度越高, 半刚性材料之内的化学反应就越剧烈和迅速, 因此其强度也越大;强度和刚度都随形成强度的时间而变化, 随时间的增长, 强度和刚度都会增加, 但不同材料上幅的比率不同, 同一种材料在不同区位的上幅比率也不同, 而且结合料的含量越高, 时间的影响也越明显;同时也具有在一定条件下, 体积干燥收缩的特性, 小粒径材料成分和矿物含量的多少, 土的液限与塑限差值的大小, 水泥掺量的多少, 混合料的含水量大小, 暴露时间的长短, 集料的平均颗粒直径的大小, 都会对其产生影响;体积的温度收缩特性, 实验数据表明, 选择温度收缩性小、抗拉性能好的路面材料可以有效控制半刚性基层温度收缩裂缝。因此, 要根据本地气候条件、材料特性等, 加强基层材料混合恰当比例的研究工作。

目前, 半刚性基层材料在实际运用过程中, 主要存在的不足是:若采用不满足要求的原材料或不恰当的混合料混合比例设计, 半刚性基层容易出现抗裂缝能力不足、抗冲刷能力不足、抗低温能力不好以及与面层结合能力差等缺陷。因此, 采用半刚性路面时, 要特别注意其基层的设计施工[2,3]。

2.3 施工质量要点

施工质量要从拌和, 摊铺, 压实, 养生等方面来全面控制。

拌和:要经过准确的计量, 以保证混合料各级粒径的分配情况及用量满足施工混合比例要求, 禁止比例的随意变动。料仓存储时, 要采取适当措施, 防止不同粒径材料混合一处, , 也也不不要要使使用用大型的装载机。拌合使用的水应满足要求, 根据气候、运距适当优化含水量, 材料不应暴露。有切实需要时应从出料口取拌好的混合料, 并做相关试验, 以验证混合料的技术指标。

摊铺:摊铺混合料时应尽量杜绝大小粒径材料彼此分离的情况发生。调整摊铺机的相关技术参数等。在施工范围内进行混合料摊铺时, 宜连续施工, 不宜间断。如间断后材料已开始失去塑性, 再开工则应设施工缝。因故超过开始失去塑性的时间的混合料, 不宜继续采用。施工时取现场的混合料制成圆柱体试件, 做7 d饱和抗压强度试验, 并满足强度标准要求。摊铺前对路基特别是路床顶面进行处理。

压实:压实是路面基层的强度产生并发展的阶段。用振动压路机在混合料开始失去塑性之前, 将混合料一次碾压密实, 并使现场达到的密度与室内标准密度的比值满足要求。应去除已完全失去塑性仍尚未能碾压的混合料。检查现场达到的密度与室内标准密度的比值及压实厚度, 应达到符合要求的技术指标。压路机应紧随摊铺机, 良好控制平整度, 由轻至重避免凹凸不平的情况出现, 并确保压实次数。禁止施工车辆在正在作业的层面上急停、急转等动作。

养生:作业范围压实完成后, 检查现场达到的密度与室内标准密度的比值, 确保其合格后, 应马上开始养生。对于高速公路基层的养生时间不宜少于7 d, 有条件的最好养生14 d以上。

此外, 喷洒沥青前, 应将基层表面的松散颗粒和尘土予以清除。为避免表面过于干燥, 应先喷洒少量水, 再喷洒改性乳化沥青;喷洒透层油的最佳时间段为:春季养生10 d~15 d后, 夏季养生7 d后, 下午4点钟后打开薄膜, 第二天早上洒布。石屑不宜撒布太多, 以不粘轮为准。

3 结语

1) 沥青面层与基层刚度相近, 可以共同承担荷载作用, 受力协调, 这些优点是采用半刚性基层的重要原因。2) 力学性质上, 半刚性路面的刚度在柔性路面与刚性路面之间。3) 半刚性基层的材料特性决定了其具有一定的抗拉强度, 对外部温度和龄期较为敏感, 还具有干缩、温缩特性等。如设计、施工过程中不进行有效控制, 则容易出现抗裂缝能力不足、抗冲刷能力不足、抗低温能力不好以及与面层结合能力差等缺陷。因此, 在设计施工中应注意“扬长避短”。

参考文献

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社, 1999.

[2]熊向辉.高速公路沥青路面半刚性基层研究[D].西安:长安大学, 2007.

[3]JTG D50—2006, 公路沥青路面设计规范[S].

[4]李晗.半刚性基层沥青路面常见病害分析[J].辽宁省交通高等专科学院学报, 2011, 13 (6) :9-11.

半刚性基层沥青路面结构特性分析 第2篇

王明远（郑州市市政工程总公司，郑州450007）

摘要：针对高速公路半刚性基层沥青路面的早期损坏，从路面结构层层间状态、路面抗裂、路面荷载特性、路面耐水性、路面养护特性等方面分析了半刚性基层沥青路面结构特点，提出防止路面早期损坏的措施.关键词：道路工程；半刚性基层沥青路面；路面养护；早期损坏 中图分类号：U416.01 文献标识码：A 我国的高速公路半刚性基层沥青路面是公路发展的历史性产物.长期以来人们普遍认为这种路面具有以下优点：①板体性强，承载能力和抗变形能力高；②抗冻性好，能有效治理季节性冰冻地区的翻浆；③可以充分利用地方性材料，造价低.然而与国外的高速公路沥青路面早期损害相比，我国的路面损坏出现得更早，而且出现的损坏现象与设计控制的损坏有所不同.因此，必须针对我国高速公路沥青路面结构，深层次地剖析高速公路半刚性基层沥青路面的特点.1路面结构层层间状态特性

现行公路沥青路面设计规范在进行半刚性基层沥青路面理论计算时，其中一个重要假定是层间接触条件为完全连续，即在设计结构厚度和验算沥青层底的拉应力时，假设路面各层之间的界面处于完全连续的状态.实际上沥青层与基层之间、沥青层各层之间、基层各层之间，都有可能是部分连续或者滑动的，完全连续的界面条件仅仅是开放交通初期层间尚未受任何影响时的一种理想状态.交通部公路所进行的加速加载试验显示：在表面轮迹带上出现纵向裂缝停止加载后，通过开挖发现，表面的纵向裂缝只产生在较薄的沥青层内，下面水泥稳定基层并没有发生疲劳破坏；但是水泥稳定基层顶面出现了磨蚀，表明在荷载作用下沥青层和半刚性基层处于滑动状态[1].为了分析层间接触条件变化对路面结构受力状态的影响，利用弹性层状体系理论计算了基层与沥青层之间不同界面条件下的应力分布，见图1.结果表明：基层与沥青层之间由连续变为滑动时，路表、路基弯沉增大，但是与荷载影响相比，层间联结状态对弯沉值的影响很小，即弯沉指标对界面条件的变化不敏感；当界面条件由完全连续状态变为完全滑动状态时，在100kN和300kN作用下，最大拉应力分别增加了29％，97％，最大剪应力分别增加了22％，63％；在滑动情况下，结构最大剪应力出现在荷载圆圆心下方，且随着荷载的增大，出现深度加深[1].曾梦澜等[2]分析了沥青面层与基层间接触条件对半刚性沥青混凝土路面极限轴载的影响.计算显示：接触条件由连续到滑动，可以导致极限轴载降低大约40％；在不同的接触条件下，所讨论路面结构的极限轴载在183～399kN之间变化，路面极限轴载与现实超载车辆轴载处于同一量级.文献［3］计算分析表明：当面层与基层完全连续时，路面剪应力从上至下逐渐减小，主要集中在面层内，传至基层顶面已经很小；面层与基层发生相对滑动后，面层内最大剪应力出现在面层中部，同时，基层顶面也形成两部分剪应力集中区域.以上力学分析表明，当层间界面条件由连续变为滑动时，路面结构的剪应力和拉应力将发生很大的变化.因此，可以说路面结构的剪应力、拉应力对边界条件和荷载具有很强的敏感性.沥青层之间不能成为整体，沥青层与基层不连续，有可能使沥青路面的使用寿命缩短，成为早期损坏的根源.一般情况下，基层材料的抗剪能力远低于沥青混凝土，所以面层与基层发生相对滑动对基层的受力很不利，过大剪应力使基层表面部分容易发生变形甚至破碎，从而在路表形成车辙、网裂和坑槽等早期破坏现象.而事实表明各层间的联结是路面结构中比较薄弱的地方，尤其是沥青混凝土面层与半刚性基层之间的联结.导致沥青面层和基层层间界面条件发生变化的因素见图2.排除非规范施工因素外，水的存在是结构层层间界面条件发生变化的主要诱因.由于我国的半刚性基层特别致密，水无法通过基层排走，滞留在基层表面的水使基层软化并形成泥浆.在荷载的作用下，沥青层和基层之间的界面至少在局部地方将从理想中的连续状态变为滑动状态或半滑动状态；而基层表面容易破坏成为灰浆，通过裂缝泵吸到路面上产生唧浆.同时，路面结构将产生较大的剪应力和拉应力，在较大的剪应力、拉应力的共同作用下造成路面提前破坏，而车辆的超载又加剧了这种破坏的发展

2路面抗裂特性

沥青路面出现裂缝是不可避免的，而半刚性基层沥青路面的开裂更加严重.路面存在裂缝，一方面使路面荷载变化不再连续，从而降低路面的传递荷载能力；另一方面为水提供了进入路面结构层的途径.图3对早期非荷载裂缝的成因做了简要概括.目前为止，沥青路面产生的温缩裂缝，尚无法避免和根治.因此从这个意义上讲，温度裂缝不能算是沥青路面的早期损坏，是属于一种正常的力学行为，但对于其带来的影响，需通过养护工作采取一定的措施加以弥补.半刚性基层沥青路面反射裂缝指沿开裂基层向上方扩展到沥青面层而形成的裂缝.很显然，反射裂缝的产生首先归因于半刚性基层的开裂，然后再经行车或温度、湿度变化引起沥青面层开裂.根据开裂原因半刚性基层开裂可以分为两大类：荷载型裂缝和非荷载型裂缝.正常条件下，我们更关注半刚性基层的非荷载型开裂.半刚性基层非荷载型裂缝包括：温缩裂缝和干缩裂缝.在基层开裂过程中，如果水进入路面结构内，虽然水和水泥稳定材料中的细颗粒在开裂破碎后能形成胶液，对开裂有一定重愈合作用；但在交通荷载作用下，由于压力水的渗透，水泥稳定材料的开裂也可能被加速.因为横向开裂，使半刚性基层成为被裂.缝隔开的板结构.板块之间的剪应力靠裂缝表面啮合实现，其传递随时间、年平均温度以及温度梯度而变化，从而使基层中对应产生不同的应力分布.当传荷能力很小时，一旦裂缝表面处拉应力消失，垂直于裂缝的拉应变就比板中间大得多.同时，在开裂处路基垂直应力增加，使得路面受力状态更加不利.在基层出现裂缝的位置，汽车荷载及温度荷载在裂缝对应的上方造成应力集中，从而导致沥青面层产生反射裂缝.3路面耐水特性

沥青路面的水损坏已经成为沥青路面早期损坏的一种主要模式.整个水损坏过程包括：静水损害和动 水损害两个方面.大量研究表明[4-6]，动水压力作用是引发高速公路沥青路面水损害的重要原因，动水压力与行车速度的平方成正比，随行车速度呈级数增长，而超载又加速了损坏进程.根据实地调查我国半刚性基层沥青路面水损坏从发生的形式上主要分为两种类型：自上而下的路面水损坏和自下而上的水损坏.自上而下的路面水损坏表现形式主要是表面松散和坑槽.它的形成条件是水能够渗入表面层，但继续往下渗透比较困难，同时存在外力作用的环境.据国内外的研究认定，沥青路面的空隙率小于8％时，沥青层中的水在混合料内部以毛细水的形式存在，在荷载作用下一般不会产生大的动水压力，不容易造成水损坏；而对于排水性沥青路面空隙率大于15％时，水能够在空隙中自由流动，也不容易造成水损坏.当路面实际空隙率在8％～15％的范围内时，水容易进入并滞留在混合料内部，在荷载作用下产生很大的毛细压力成为动力水，造成沥青混合料的水损坏.该类水损坏的进程与荷载的大小、频度有关.在初始阶段：集料与集料之间发生剪切滑移，伴有沥青膜移动和脱落；剪切应力超过沥青与集料的粘附力导致附着力丧失，但这个过程很短.在这个阶段，它往往局限于表面层发生松散和坑槽，如果及时修补，路面性能可以很快恢复；但是如果不及时维修，损坏面积将扩散很快.所以对该类水损坏要在其发生的初始阶段，尽快维修遏制其发展速度，尽量减小对路面的损坏.当半刚性基层沥青路面的沥青层较薄时，路面的水损坏经常是自下而上发展的.此类水损坏主要由于半刚性基层本身的强度较高，细料含量又多，非常致密，透水性差，同时又存在一定的裂缝.水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚.沥青层和基层之间的界面条件将从想象中的连续状态变为滑动状态或半连续半滑动状态.沥青层底部的弯拉应变将可能成为控制指标，在交通荷载作用下，下面层将有可能早于基层首先发生弯拉开裂，并逐渐向上扩展.而且由于半刚性材料本身的微裂，导致水在半刚性基层内流动，使得半刚性基层不断松散.这种类型的水损坏基本过程见图4，且主要发生在雨季或梅雨季节以及季节性冰冻地区的春融季节，损坏之初一般都先有小块的网裂、唧浆，然后松散形成坑槽，发生水损坏的地方一般是透水较严重且排水不畅的部位.4路面荷载特性

公路沥青路面设计规范中，进行半刚性基层层底拉应力验算时，轴载换算系数取8，标准设计轴载为100kN.下面做一个 简单的比较，当轴载从100kN增至300kN时，不计其他因素的影响只考虑换算指数变化得到的轴载换算值，见表1.表中结果直观显示，在相同的换算系数等于8条件下，随着轴载的增加换算成的标准轴载数值增长惊人，更不要说轴载超过l30kN时，变化换算系数的影响。高速公路“渠化交通”明显，各车道具有事实上的明确分工.在通车运营阶段，超车道承受的重轴载以及轴载次数很少，行车道或重车道承担了绝大部分的轴载作用次数及重或超重轴载.超车道和行车道路面实际上成为了2个明显不同的路面.从养护角度，宏观上应把高速公路不同车道作为不同的路面来看待，分别进行养护检测和养护方案设计.尽管路面在横向是一个完整均匀的路面结构，但由于不同车道路面的使用性能和承担的轴载差别巨大，理论上已构成完全不同的路面，在养护中应当分别采取有针对性的、不同的维修措施.5路面养护特性

沥青路面的损坏可分为两类：结构性损坏和功能性损坏.路面的初期损坏为功能性破坏，损坏发生于路面面层内，此时路面的整体强度（弯沉）依然很高，损坏原因不是结构整体强度不足，而是局部抗力不足.病害由局部沥青混凝土结构薄弱处产生，并逐步向周围发展，导致上面层产生细小裂缝，裂缝的出现使得水有机可乘，进而加速中面层、下面层的破坏，沥青层的有效厚度逐步减小，面层整体抗力亦逐步降低.随着病害继续向深层发展，路面结构组合抗力效应降低，导致破坏速度加快，而破坏速度加快反过来使结构组合抗力效应加速降低，最终导致路面破坏速度越来越快.对于结构性病害，为恢复和维护半刚性材料层的“板体性”，必需进行基层修复或补强设计.而半刚性基层损坏后没有愈合能力，且无法进行修补，给沥青路面的维修养护造成很大的困难.半刚性基层“补强”设计在理论上成立，在现实中却很难实现.对于非结构性病害，则只需进行沥青混凝土面层维修恢复路面使用功能，同时起到保护基层的作用.许多路面在损坏初期开挖基层往往是完好的，弯沉并不大；但在路面损坏后开挖，基层结构可能已经松散.因此，当沥青混凝土面层发生早期非结构性病害时，要尽早维修以保护基层不受气候与轴载侵害，避免发展为结构性病害.6路面结构特性讨论

结合前面分析总结半刚性基层沥青路面结构特性见图5.根据图中内容逐项分析不难发现：

1）通过对半刚性基层沥青路面水损坏的分析，可以发现半刚性基层沥青路面的内部排水性能差是其致 命的弱点.在多雨潮湿地区和季节性冰冻地区，来自沥青路面的自由水很容易从裂缝、沥青混合料离析及较大的空隙率进入路面结构内.而在冰冻地区，由于雪融、冰融形成的自由水和游离水也不可避免地进入路面结构.所以对于半刚性基层沥青路面，如果能够很好做到封水、排水，不让水滞留在路面结构层内将会有效地改善路面水损坏的程度。第27卷第6期河南科学

2）半刚性基层特别致密，水无法通过基层排走，因此排除非规范施工因素，水是结构层层间界面条件发生变化的主要诱因.在荷载的作用下，沥青层和基层之间的界面至少在局部地方从理想中的连续状态变为滑动状态或半滑动状态.路面的设计寿命是建立在一定假设条件下的，而实际上这种假设不是一直成立的，所以这应该是造成路面使用寿命缩短的设计原因.3）路面裂缝是客观存在的，其表现形式可能是从路表面产生，向下发展，也可能是上、下面对应产生，或者由下向上延伸.除了荷载的影响外，不同的地区路面主导裂缝不同.在北方寒冷地区，以温缩裂缝为主，由于基层的开裂使路面温缩裂缝的程度加重或提早发生.而在温暖地区，则主要是半刚性基层开裂引起的反射缝，沥青层的温度收缩加剧基层裂缝向上扩展.裂缝的防治是比较困难的，但关键是出现裂缝后如何对待，这一点对养护工作至关重要.4）半刚性基层沥青路面对大交通量及重载交通的敏感性大，而超限超载现象在我国又是客观存在，且比较严重.因此，要防止路面早期损坏，必须首先治理超限超载车辆.5）半刚性基层损坏后没有愈合能力，且无法进行修补，给沥青路面的维修养护造成很大的困难.当沥青混凝土面层发生早期非结构性病害时，要尽早维修以保护基层不受气候与轴载侵害，避免发展为结构性病害.因此，半刚性基层沥青路面的结构特性决定了整个路面使用寿命主要取决于半刚性基层的使用寿命.为保证路面使用寿命必须采取相应的措施尽力确保设计条件的成立，避免半刚性基层非正常损坏.6）针对半刚性基层沥青路面结构的特性，为防止路面早期损坏避免大、中修养护的提前到来，必须根据路况特点有针对性地实施路面预防性养护.参考文献: ［1］沈金安，李福普，陈景．高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策［M］．人民交通出版社，2004：69－84。

2］曾梦澜．面—基层间接触条件对半刚性沥青混凝土路面极限轴载的影响［J］．公路，2005（1）：25－30.［3］严二虎，沈金安．半刚性基层与沥青层之间界面条件对结构性能的影响［J］．公路交通科技，2004（21）：15－18.［4］李福普．高速公路沥青路面的早期损坏与预防性养护［J］．石油沥青，2005（1）：1－6．

［5］王笑风．高速公路半刚性基层沥青路面预防性养护体系研究［D］.西安：长安大学，2007． ［6］罗志刚，周志刚，郑健龙，等．沥青路面水损害分析［J］.长沙交通学院学报，2005，21（3）：23－26。

AnalysisontheStructurePerformanceofthe Semi-RigidBaseAsphaltPavement WangMingyuan（ZhengzhouMunicipalEngineeringParentCompany，Zhengzhou450007，China）

Abstract:Aimedattheprematuredamageofsemi-rigidbaseasphaltpa

vement，thepaperanalyzesthecharacteristicsofthesemi-rigidbaseasphaltexpresswayinChinafromseveralaspectsoftheinterfacestateofdifferentstructurallayers，thepavementcracking，theload-bearingabilityofthepavement，thepavementmoisturedamageandthe pavementmaintenance，andputsforwardsomepreventivemeasurestopreventtheprematuredamageofsemi-rigidbaseasphaltpavement．

沥青路面结构层半刚性基层设计 第3篇

【关键词】半刚性基层；沥青路面；设计

随着我国经济的发展，高等级路面特别是高速公路路面的结构、材料、设计、修筑、检测技术在不断进步和走向成熟。为适应交通量日益增加和车辆荷载逐渐增大的需要，半刚性基层成为当前的突出代表， 除少量水泥混凝土路面外， 高等级公路几乎全部采用半刚性基层。半刚性基层是指采用无机结合料稳定集料或土类材料铺筑的基层。常用的半刚性基层材料有石灰稳定土类；水泥稳定土类；石灰工业废渣稳定土类基层。半刚性路面结构具有强度高、刚度大、水稳性好等优点， 与传统的柔性基层沥青表处路面， 无论是力学特性、破坏模式都存在着明显差异。

1. 结构组合方案设计、分析

1.1土基试验及设计参数的确定。

土基的强度与稳定性直接影响道路结构性能及其使用寿命 ，为此，在工程设计时应对公路拟采用的填筑材料进行一定的物理性能、静力特性试验 ，并提供该填筑材料的物理性质试验指标、常规力学试验指标、固结排水剪三轴试验的非线性变形指标。不同路基状况的土基回弹模量设计值 ， 可根据室内试验法、换算法等 ，经综合分析、论证来确定。若该土基已成型则可按《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60-2008）的规定确定。应确保土基回弹模量的设计值不低于 30MPa ， 否则应根据具体情况掺加水泥、石灰、二灰、砂砾进行处治。

1.2结构方案选择。

1.2.1面层类型选择。

面层直接经受行车荷载和气候因素的作用 ，应具有较高的强度、刚度、耐磨、不透水和高低温稳定性，并且其表面层还应具有良好的平整度和粗糙度。除承载能力外 ，半刚性路面的行驶质量或使用性能主要取决于沥青面层 ，要求沥青面层裂缝少、车辙轻、平整、抗滑性能好和经久耐用。沥青面层能否达到这些使用要求 ，与所用沥青、沥青混合料的类型和性质以及沥青面层的厚度有密切的关系 ，应该根据各种沥青混合料的特性来选择合适的面层结构。

1.2.2基层类型及材料的选择。

基层是主要承受竖直应力的承重层。基层的强弱和好坏对整个路面，特别是对沥青路面的强度、使用品质和使用寿命都有十分重要的影响。因此，作为路面的基层，必须具备有足够的强度和刚度、水稳定性、抗冲刷能力、收缩性小、平整度和与面层结合良好等基本条件。国内外的经验表明：沥青路面的整体承载力完全可以通过半刚性基层材料予以满足，沥青面层仅起功能性作用。因此，当半刚性基层达到一定的厚度时，增加沥青路面的厚度对路面整体承载力提高很少。有关资料表明沥青路面厚度从9cm增加到15cm对路面整体承载力无影响。就强度和刚度、水稳定性、抗冲刷能力、收缩性来说应使用水泥稳定粒料。

1.2.3底基层类型及材料的选择。

底基层是主要承受竖向应力的次承重层。底基层的强弱和好坏对整个路面，特别是沥青路面的强度、使用品质和使用寿命都有十分重要的影响。因此，作为路面的底基层，必须具备足够的强度、水稳定性、抗冲刷能力等基本条件。根据工程的实际情况和当地材料实际情况，可采用水稳碎石或级配碎石做底基层； 同时，作为半刚性基层和路基的过渡层。

2. 结构选择的基本原则

结合调查路段的路面结构和实际的使用状况，以及国内外半刚性基层沥青路面实体工程设计，半刚性基层沥青路面的承载能力主要依靠半刚性基层。因此承载能力改变时主要通过改变基层的厚度来实现。沥青面层的厚薄主要考虑道路等级交通量的影响，为此，可得出半刚性基层沥青路面典型结构沥青面层、基层、底基层厚度改变的基本原则。

（1）沥青面层总厚度控制在6～16cm。对相同交通等级，不同的路基等级，基层或底基层厚度不同；不同的交通等级，相同的土基等级要改变沥青面层的厚度。

（2）基层或底基层厚度变化尽可能考虑施工因素，即施工作业次数最小。

（3）不同的交通等级，主要改变基层或底基层的厚度，并且综合考虑造价因素。

（4）材料选择应结合当地实际，基层一般采用水泥稳定粒料，底基层则采用水泥稳定粒料或级配粒料。

3. 结论

通过实际工程的调查、测试、分析和总结，提出高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计注意事项。（1）选择典型结构时应根据土基、交通量状况及路面使用材料确定典型结构。（2）面层宜采用中粒式沥青混凝土。（3）基层宜采用二灰碎石或水泥稳定粒料。（4）从施工最小工序数 ，公路投资最小的角度考虑 ，尽可能通过改变底基层厚度来满足结构强度要求。

参考文献

[1]《高等级公路半刚性基层沥青路面》人民交通出版社 1998.

半刚性基层沥青路面裂缝防治 第4篇

1 裂缝类型

1.1 横向裂缝

横向裂缝是与路面中线近于垂直的裂缝,缝宽不一,通常贯通整个路幅,沿路面大致呈均匀分布。横向裂缝通常不是由于荷载作用引起的,一般是由于基层或沥青路面的温缩引起。沥青混凝土和半刚性基层多在高温夏季和常温时施工,入冬后温度骤降,收缩过程中产生收缩应力(拉应力)如果收缩应力大于当时混合料的极限抗拉强度时,就会产生第一批温度收缩裂缝,路面开裂后应力重新分布,如果此时温度应力仍超过混合料的抗拉强度,则又产生第二批裂缝,应力再重新分布,直至温度应力小于或等于混合料极限抗拉强度时,裂缝的数量即停止发展。

1.2 纵向裂缝

纵向裂缝是平行于行车方向的裂缝,纵向裂缝一般由基层反射、半填半挖路段路基差异沉降、面层施工左右幅摊铺冷热接缝引起纵向裂缝。

1.3 网状裂缝

网裂是纵横交错的网状裂缝,相互交错的裂缝形成一系列多边形小块,缝宽1mm以上,缝距40cm以下,面积1m2以上。路面结构设计不合理,沥青混合料配合比不当孔隙率大,路面水渗入面层引起的水损坏,或沥青混合料在拌和、摊铺过程中不均匀,粗细集料离析,使沥青与石料粘结性差形成网裂。

1.4 龟裂

路基、路面总体强度不足,损坏初期形成网裂,在车辆荷载的反复碾压和剪切冲击作用下,沥青面层老化,缝距缩小形成龟裂。

2 裂缝的防治措施

2.1 设计方面

1)选用优质沥青做面层,保证沥青的针入度、延度等指标,在缺少优质沥青的情况下,应采用改性沥青,如沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料,SMA混合料具有良好的高温稳定性,低温抗裂性,使用寿命长等特点,是防裂路面设计时应选用的一项新技术。

2)选择合适的沥青层厚度,当沥青面层较厚时,对半刚性基层有很好的保护作用,能够明显降低半刚性基层顶面遭受的温度变化,从而减少甚至避免半刚性基层产生温缩裂缝。

3)采用密实型沥青混凝土面层,空隙率对面层的疲劳寿命有很大影响,密实型沥青混合料在使用中沥青老化缓慢,并可防止路面水的渗入,延缓裂缝的开裂。

4)沥青混合料的集料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性好的碱性石料。如所用集料呈酸性,则应填加一定数量的抗剥落剂或石灰粉,确保混合料的抗剥落性能。并尽可能使用人工砂代替天然砂。

5)选用抗冲刷能力好,干缩、温缩系数小、抗拉能力高的材料作基层料。并应有合理的级配,在规范范围内,适当增加粗集料用量,减少细集料用量,尤其是0.075mm以下细料含量,这类细料比表面积大,遇水膨胀,失水后收缩变形大,是造成裂缝的关健之一。并通过加强碾压方式以达到嵌挤密实型水泥稳定基层,增加基层的抗压和抗折强度。

6)一般选用初凝时间3h以上和终凝时间5h以上低水化热的32.5级普通硅酸盐水泥,不得使用快硬水泥和早强水泥。在满足设计强度的情况下,尽量减少水泥用量,可适当加入有助于提高早期性能的外加剂,减少水泥用量,水泥用量不应大于6%。水泥稳定无机结合料中水泥含量越大,其强度越大,但强度和刚性越大的混合料,收缩性能也越大,就越容易开裂。

2.2 施工方面

1)路基填筑引起的纵横向裂缝,填筑时填料应尽可能用砂性土,路基应分层填筑,分层压实,同一水平层用同一种填料,边部应超宽填筑30cm,同一断面全幅路段应同步施工。半填半挖路段填方横断面坡度大于1∶5时应挖成台阶,台阶宽度不小于2m,填方路基应密实、稳定,压实度应达到设计要求。

2)沥青混合料拌合时应控制好加热时间和加热温度,不使沥青老化,并适当增加碾压遍数,碾压时应配备双钢轮压路机和大吨位胶轮压路机搓揉挤压,使沥青混合料达到规定的压实度。

3)沥青各层之间施工应尽可能连续,如施工不连续,各层间应洒粘层油,保证上下之间有良好的连接。另外应注意上、下层的施工纵缝应错开15cm以上。

4)施工时要严格控制摊铺机的摊铺质量,在一定程度上减少沥青混合料的纵、横向裂缝。沥青面层较窄时施工宜采用全路幅一次摊铺,如面层较宽分幅摊铺时,应使用新旧一致,型号一致的摊铺机梯队作业,确保热接缝。前后幅相接处为冷接缝时,应先将已施工压实完的边缘坍斜部分切除,切线须顺直,侧壁要垂直,清除碎料后,宜用热混合料敷贴接缝处,使其预热软化,然后铲除敷贴料,并对侧壁涂刷0.3~0.6kg/m2粘层沥青,再摊铺相临路幅。摊铺时控制好松铺系数,使压实后的接缝结合紧密、平整。

5)严格控制基层含水量,根据天气和温度情况严格控制半刚性基层施工碾压时含水量,混合料的含水量不能超过压实需要的最佳含水量。水泥稳定碎石基层干缩应变随混合料的含水量增加而增大,施工碾压时含水量越大,结构层越易产生干缩性裂缝。因此在施工时,应根据天气、运距远近、运输车辆配置情况适当增加或减少拌和用水量。确保碾压时混合料含水量在最佳含水量范围内。

6)半刚性基层碾压完毕,要及时养生,比较理想的养生方法是采用透水土工布覆盖养生,如基层在养生期得到了良好保水,始终保持湿润基层的质量稳定,裂缝将在一段时间内很少发生。

7)做好透层和下封层(防水层)。基层养生结束后,将土工布收走,应及时洒布透层油,并在洒布透层油的基础上撒布3~8mm的碎石作为沥青下封层(防水层)。此时基层未受到污染,渗透效果较好,能使基层和面层形成一个整体,这样既能起到了很好的防水的作用,防止路面水渗入基层导致唧浆,又防止后期半刚性基层干缩和温缩裂缝的产生,避免裂缝在层与层之间传递,提高整个路面结构的疲劳寿命。透层和下封层作完后,应尽快铺筑沥青面层。

8)切割横向预裂缝。在7d养生结束后,进行横向预裂缝的切割,每隔15m设置一条,切割深度为6~7cm,缝宽≯5mm。切割完后清洗余浆,晾干后立即用沥青灌缝,防止雨水的入侵。在沥青面层摊铺前,对切割的预裂缝顶面用1m宽的土工布进行覆盖,进一步预防裂缝的反射。

9)基层料拌合控制。目前基层料拌合均采用大功率为连续式拌和站拌和,其产量的增加只是单纯地增加了拌和电机的功率来实现的,拌和时间并没有相应增加,宜将拌和站的产量设定为额定产量的80%进行生产,以便有效地控制混合料的拌和均匀性,减少混合料成型后因不均匀性造成内部受力不一致而产生裂缝。同时,还应定期对水泥控制系统和水量控制系统进行专项检查和校核,防止出现水泥含量和含水量不稳定。

10)选择有利的季节或时间进行基层施工,冬天气温低于5℃,一般不能进行基层的施工,施工最好选择在年平均气温时进行,此时气温变化不大,结构内温度应力较小,基层不易发生热胀冷缩现象。

3 结束语

半刚性路面 第5篇

高等级公路普遍存在着开裂现象,这已严重影响到路容,并随着时间的推移将进一步引起路面结构强度的降低.本文在总结现有道路的基础上对半刚性基层路面的.裂缝产生机理及相应对策进行研究,意在为以后的道路设计提供参考.

作 者：陈方红 肖斌旺 李海涛 作者单位：陈方红(余姚市公路管理段,浙江,余姚,315400)

肖斌旺,李海涛(浙江大成建设集团公司,浙江,杭州,310012)

半刚性路面 第6篇

【摘 要】本文介绍了水泥乳化沥青砂浆贯入式半柔性路面结构的特点，并进一步阐述了水泥乳化沥青砂浆贯入式半柔性路面强度形成的机理及其特征。

【关键词】水泥乳化沥青砂浆；贯入式；半刚性路面；强度形成机理

[文章编号]1619-2737（2016）05-18-273

【Abstract】This article describes the characteristics of emulsified asphalt cement mortar penetration semi-flexible pavement structure， and further elaborated mechanism and characteristics of emulsified asphalt cement mortar penetration semi-flexible pavement strength of the formation.

【Key words】Emulsified asphalt cement mortar；Penetration formula；Semi-rigid pavement；Strength Mechanism

1. 前言

（1）水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面的施工方法是：首先把级配碎石摊铺在下承层上，整平稳压后把拌和好的水泥乳化沥青砂浆贯入碎石间隙中，然后经过养生、碾压等成型即成为半刚性路面。

（2）水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面混合料是在集料中加入一定比例的水泥，利用水泥水化吸水加速乳化沥青破乳，水泥水化物和沥青交织裹覆集料形成的立体网络，提高乳化沥青混凝土的早期强度和高温稳定性。水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面混合料以乳化沥青和水泥这两种性质差异很大的材料作为结合料，其强度和刚度均比普通沥青混凝土高，但比水泥混凝土低，其力学特点在于刚柔并济，以柔性为主，兼具刚性，所以也被称为半柔性路面材料或半刚性路面材料。

2. 水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面强度形成机理

水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面的强度主要由两部分构成：一是由骨料之间的摩擦力提供的强度；二是由水泥沥青复合材料的粘聚力和凝聚力提供的强度。

2.1 摩擦力提供的强度。

（1）在半刚性路面传统施工工艺情况下，粗集料都要么先与胶结料（沥青或水泥或兼而有之）拌和，要么在骨架空隙型的沥青路面中贯入乳浆，这些都使粗集料周围沾满胶结料，然后再做成路面，这样形成的路面结构中承重骨架形式是：“石——沥青——石”、或“石——薄层水泥石——石”、或“石——沥青+薄层水泥石——石”；而在水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面中，粗集料先嵌挤锁结，最小距离的接近，最大面积的接触，水泥乳化沥青砂浆在贯入的过程中不会把粗骨料形成的骨架撑开，骨架形式基本是：“石——石”。 “石——石”骨架结构与“石——沥青——石”或“石——薄层水泥石——石”或“石——沥青+薄层水泥石——石”相比，骨架能提供的摩擦力达到最大，抗压强度和抗剪切强度都高得多。

（2）图1是在沥青混凝土路面上做水泥乳化沥青砂浆路面取心的照片，上部为水泥乳化沥青砂浆贯入式路面结构，骨料排列紧密，形成“石——石”骨架结构；下部为沥青混凝土路面结构，骨料悬浮于沥青胶浆中，形成“石——沥青——石”结构。

2.2 粘聚力和凝聚力提供的强度。

水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面由粘聚力和凝聚力提供的强度的形成包括水泥水化和乳化沥青破乳两个环节，两者均为物理——化学反应，而且相互之间是交叉进行的。

2.2.1 水泥水化。

水泥水化在水泥表面的铝酸盐矿物和石膏溶于水生成钙矾石，沉积在水泥颗粒表面形成薄膜包裹层，水泥颗粒相互吸引，形成絮状结构，终凝结束水化反应仍在继续进行，生成的各种水化物不断地填充水泥浆絮凝结构中的孔隙，使胶体更加紧密，强度逐渐增大。

2.2.2 沥青乳化破乳。

乳化沥青属于热力学不稳定体系，最终平衡应该是油水分离，破乳是其必然结果。乳化沥青与集料拌和时的破乳可分为在集料表面的破乳和乳化沥青自身的聚结破乳。乳化沥青在集料表面的破乳是乳化沥青与矿料接触后，由于离子电荷的吸附（这是沥青颗粒与集料结合的一种重要力量，促使强度的形成）和水份的挤出，许多沥青微滴相互聚结，成为连续整体薄膜的过程；乳化沥青自身的聚结破乳是乳化沥青中胶团因发生不可逆的聚结破坏，油水分离，最终使沥青成为连续相的过程。

2.2.3 结合料在强度形成中的作用。

2.2.3.1 水泥的作用。

水泥在路面混合料强度形成过程中的重要作用除了加速乳化沥青的破乳速率以外，还有以下以下几方面：（1）水泥水化产物形成空间网状结构对混凝土的“加筋”作用，；（2）水化物切断混凝土内部相连的微孔，形成均匀密实，孔隙闭合的整体，提高了混凝土的总体强度，同时水泥水化时体积增加，生成的水化产物填充了乳液中水分蒸发形成的空隙，使混凝土更加密实，也相应地提高了混凝土的稳定性和耐久性；（3）加入少量水泥后，乳化沥青与集料粘附等级将会提高，乳化沥青一集料粘附性能得到提高。

2.2.3.2 水泥、乳化沥青共同的作用。

（1）在水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面新拌混合料中，水泥的水化作用和乳化沥青的破乳这两个过程是同时发生，相互促进，交互作用，所形成的水泥石和沥青相互填充，相互包裹，相互交叉，是一种新型的二级网架结构，填充于骨料所形成的一级网架之间，而且与骨料紧密胶结，形成刚柔相济的空间网架结构，强化了路面抵抗变形的能力。

（2）水泥水化产物使得水泥浆体中固相比列增大，提高早期强度，同时较多的反应产物会填补浆体一集料界面区内的空隙，增强界面区强度，提高路面整体性能。因而，与沥青混凝土相比，水泥乳化沥青砂浆贯入式路面具有较高的强度；但由于乳化沥青中的沥青含量较高，油分较大，而且沥青与水泥的粘附性比与集料的粘附性强，故水泥乳化沥青混合料中的部分乳化沥青与水泥会凝聚成团，对混合料强度的形成产生一定影响，防止路面强度过高。

2.3 水泥乳化沥青混合料浆体——集料界面区结构特征。

（1）在乳化沥青混合料中，是否使用水泥将引起混合料路用性能的变化，也会使浆体及浆体一集料界面区微观结构和性能发生变化；浆体及界面区结构与性能的变化又可以解释混合料路用性能变化的原因或机理。

（2）在乳化沥青混合料中，掺加水泥后的乳化沥青混合料浆体一集料界面间距减小，界面区出现较为明显的凝胶，增加了浆体-集料界面的粘附性能；而且乳化沥青混凝土掺加水泥后，界面区单纯的光滑的沥青浆体变的有突起，立体结构较强，与集料的粘附面积增大。因此，相同乳化沥青用量条件下，随着水泥用量的增加，混合料水灰比降低，生成了较多的凝胶物质，增加了浆体本身的强度及浆体一集料界面粘附性能，提高了混凝土的稳定度、抗压强度等力学性能，改善了路面的高温稳定性、低温抗裂性和水稳性等性能。

3. 小结

综上所述，水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面的强度主要是由骨料之间的摩擦力和水泥乳化沥青的凝聚力及粘聚力形成的。

水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面形成了“石-石”结构，并且改善了水泥乳化沥青混合料浆体——集料界面区结构特征，骨料之间的摩擦力和骨胶之间的粘结力都达到最大值，路面获得了强大的抗压强度和抗剪强度，路面的承载能力和高温稳定性大幅度提高。因此，水泥乳化沥青砂浆贯入式半刚性路面结构能够保证路面具有足够的强度，有效防止高温下沥青软化时混合料产生过大的变形或者位移。

参考文献

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关于半刚性基层沥青路面裂缝的探讨 第7篇

关键词：半刚性基层,裂缝,产生原因

0 引言

随着我国高速公路的大规模建设,众多高速公路相继投入运营,然而,许多高速公路沥青路面在投入使用后不久,便逐渐出现包括裂缝在内的各种形式的损坏,裂缝是半刚性基层沥青路面最主要的病害之一。

本文以新疆某条高速公路为工程背景,对其裂缝状况进行系统调查,包括裂缝的表观形态,裂缝的发展规律,以及裂缝的产生与路面结构强度的关系,以掌握裂缝的主要类型及其发展规律,为理论研究提供事实依据。

1 半刚性基层沥青路面裂缝的主要类型

沥青路面开裂是世界各国沥青路面使用过程中均会遇到的主要病害之一,其分布十分普遍,无论是冰冻地区还是非冰冻地区,只是各自裂缝的严重程度不同而已。根据沥青路面开裂的主要原因,裂缝可以分为两大类,即荷载型裂缝和非荷载型裂缝[1]。荷载型裂缝,即主要由于交通荷载作用下产生的裂缝。已有的研究成果表明,荷载型裂缝的开裂方式主要表现为剪切型;非荷载型裂缝,即不是由于交通荷载引起的裂缝,主要为温度型裂缝。沥青路面的温缩型开裂包括低温极限收缩开裂与温度疲劳开裂,均表现为张开型开裂方式。

按沥青面层裂缝开裂部位,裂缝开裂的方式,路面体中的裂缝又可分为基层反射裂缝、表面裂缝。表面裂缝表现为自上而下的开裂方式,一般为温缩型裂缝或在交通荷载的作用下,在轮载边缘产生较大的拉应力所产生的。基层反射裂缝,即半刚性基层开裂后,在裂缝尖端产生应力集中,导致裂缝自下而上持续发展,直至贯通至路表面。

对沥青路面结构裂缝的类型进行划分是必要的。因为导致裂缝的主要成因不同,预防和处置的相应措施也会有所区别。沙庆林院士在其专著[1]中给出了几点重要结论:1)有较厚沥青面层的半刚性路面,裂缝主要是面层本身产生的以低温缩裂为主的温度裂缝;2)半刚性基层上为较薄沥青面层时,面层中有相当一部分是反射裂缝。

1.1 某条高速公路沥青路面裂缝病害调查

吐鲁番—乌鲁木齐—大黄山高等级公路连接3个地、州、市和3条国道线,全长283 km,其中一级公路101.3 km,二级汽车专用公路182 km,双向四车道。总投资30.7亿元人民币,其中利用世界银行贷款1.5亿美元。1995年3月21日公路开工修建,1998年8月20日建成通车。这是新疆利用世界银行贷款建成的第一条长距离高等级公路。其基本路线为葡萄沟口—(5 km)吐鲁番—(56 km)小草湖—(5 km)天山后沟—(35 km)达坂城—(21 km)盐湖—(70 km)乌鲁木齐。

全线沥青路面结构按地势和地质的不同而不同。本文研究的路段为K776+620～K894+660段,此路段按高速公路平原微丘标准设计,双向四车道一次建成。其沥青路面结构为4 cm中粒式沥青混凝土(上面层)+5 cm粗粒式沥青混凝土(中面层)+6 cm 热拌沥青碎石(连接层)+20 cm 4%水泥稳定砂砾(基层)+28 cm 天然级配砾石(底基层),部分挖方段增设了15 cm透水层。表面层采用克拉玛依炼油厂生产的AH-110号沥青。中面层采用AH-90号沥青,骨料为:中、底面层为石灰岩,表面层为玄武岩或安山岩等。

1.2 裂缝的表观形态

据观测,吐乌大高速公路裂缝一般表现为横向或纵向裂缝,以横向裂缝居多,斜向或曲线型排列的裂缝较少。统计表明,横向裂缝总长度占全部裂缝的近80%。路面裂缝有单一的(直线型裂缝),也有双线、分叉或者交叉型的。裂缝多表现为离散的,互补相连,个别地点也存在网状的块裂和龟裂。

对裂缝进行检测分析,用100 mm的钻头,跨在裂缝上由上向下钻取试件,发现裂缝存在如下情况:1)沥青面层开裂,半刚性基层也开裂,但后者的裂缝要宽许多,表现为基层反射裂缝的形态,此类裂缝往往伴随着半刚性基层的先期破坏;2)沥青面层开裂,半刚性基层未开裂,裂缝表现为由面层表面自上而下开裂,裂缝宽度表现为上宽下窄,即表面裂缝,此类裂缝多分布于行车轮迹外侧,表现为纵向裂缝。

2 路面裂缝形成的相关影响因素分析

2.1 道路结构温度场的影响

道路结构温度场对路面裂缝的产生具有十分重要的影响,道路结构温度场随外界气温而呈周期性变化,路面结构内部温度亦随不同深度而变化,各结构层由温度变化产生的伸缩变形受阻而产生温度应力。沥青面层所产生的温度应力主要来自两个部分[3]:一部分是由于气温降低使路面结构产生收缩变形,沥青面层受边界及层间的约束使变形受阻产生温度应力;另一部分是由于昼夜温差使沥青面层及半刚性基层内部存在温度梯度,造成各结构层的翘曲变形而产生的温度应力。无论是表面裂缝还是基层反射裂缝,道路结构温度场的变化对其生成和发展均产生十分重要的影响。

2.2 交通荷载

我国沥青路面结构设计的基本理念是通过控制路表弯沉、层底拉应力推算结构厚度达到控制使用性能衰减的目的,因此在完好的路面结构情况下,一般能保证路面的设计寿命。但由于半刚性基层材料不可避免的开裂特性,使在交通荷载的作用下,裂缝顶端产生很大的应力集中,将促使基层反射裂缝的向上延伸。对于表面裂缝,由于超重车的增加,轮胎胎压的增大,路面结构的变形,将在轮迹侧面产生拉应力,导致产生表面裂缝。

2.3 路面结构的材料特性

沥青的品种和质量,这是沥青面层本身产生温度裂缝的原因,沥青的温度敏感性是影响裂缝的重要因素[3]。针入度指数PI愈高,粘度愈大,沥青的温度敏感性就愈低;基层材料种类与裂缝率的大小有明显关系,组成基层的材料收缩性大时(如石灰、水泥等)裂缝率就大,反之就小;半刚性基层材料碾压时的含水量,当含水量大时,收缩变形就大,含水量小时,收缩变形就小;基层的曝晒时间,半刚性基层施工后,如不及时铺筑面层,而让基层曝晒,或不及时覆盖养生,就会产生较大的干缩裂缝,这种干缩裂缝迟早会反映到沥青面层上,形成对应裂缝或反射裂缝[4]。

2.4 设计或施工控制不当

路面开裂也可能因路面设计的某些缺陷,或基层或多层路面结构的施工不当而引起。

3 结语

半刚性基层沥青路面的裂缝的产生是多种因素综合作用的结果,但温度骤然降低是其产生的主要原因,温度应力或温度收缩变形超过了沥青混凝土材料的容许应力或变形是其产生的直接原因。裂缝的外观特征主要表现为横缝。掌握沥青混凝土裂缝的形成机理,通过适当的方法对沥青混凝土的温度开裂进行预估,以及对裂缝进行全面评价,都有利于在沥青混凝土路面设计、施工和养护过程中采取有效的技术措施,防止或减少沥青混凝土路面的开裂。

参考文献

[1]沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1999:385-438.

[2]才华,王雪光,朱宏胜,等.沥青混凝土路面温缩裂缝的研究[J].沈阳建筑工程学院学报(自然科学版),2003(2):94-97.

[3]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001:358-365.

[4]窦大,杨民,张松涛.影响沥青路面开裂的因素分析[J].森林工程,2003(3):56-57.

半刚性路面 第8篇

1 半刚性路面用混合料性能特点

半刚性路面不同于其他一些刚柔复合式路面,如RCC+AC或PCC+AC等是用水泥混凝土作为基层材料,面层采用沥青混凝土。而半刚性路面是基层采用水泥稳定碎石等无机结合料,面层铺筑沥青混凝土的一种复合式路面。如图1所示为典型的半刚性基层路面结构。

从20世纪80年代中期开始,我国经过近十几年的不断实践和总结,无机结合料稳定材料(简称半刚性材料)修筑路面结构的基层和底基层,由于强度高、造价较低已在全国得到普遍的推广和应用。据了解,目前在高等级公路建设中几乎所有的高速公路都采用了半刚性基层沥青路面结构,这表明半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面结构的主要类型。但是,半刚性基层沥青路面结构的使用实践表明,半刚性基层沥青路面在客观上仍存在一些不可避免的技术问题需要解决和改进,普遍存在的技术和质量问题主要有两个方面,即路面的耐久性和路面的早期破坏。现在我国铺筑的半刚性基层沥青路面大部分都达不到预定的设计年限。半刚性基层的整体强度高、板体性好,使沥青路面具有很高的承载能力。但同时也隐藏着一些严重的弱点,有的甚至是导致沥青路面早期损坏的重要原因,主要表现在以下方面:

1)半刚性基层沥青路面的反射裂缝。

半刚性基层由于其自身固有温缩、干缩等特点,引起沥青路面的反射裂缝,对于半刚性基层沥青路面的反射裂缝问题,虽然通过种种研究和努力,在材料配合比、施工工艺等方面采取了减少基层材料干燥收缩和温度收缩的措施,但总体来说,半刚性基层开裂引起反射裂缝的问题仍然得不到彻底解决,由此引起的沥青路面的损坏日趋严重。

2)半刚性基层沥青路面的水损坏。

近年来半刚性基层沥青路面结构的水损坏问题表现比较突出,通过调查研究,主要有两个方面的水损坏:a.由于半刚性基层强度不够引起的,因为路表水的浸入,半刚性基层被软化;因为交通荷载的作用,在路面表面形成坑槽,表现为路面表面弯沉较大,从而导致路面结构发生损坏。b.由于半刚性基层强度过高而引起基层开裂,在交通荷载作用下,反射裂缝逐步扩展到路面表面,当路表水进入路面结构后,由于水积聚在路面结构内不能快速排出,从而发生路面结构的水损坏。

2 半柔性路面的路用性能特点

半柔性路面是一种新型的路面结构形式,它是将特殊级配的水泥胶浆灌入大空隙母体沥青混合料中而形成的一种半柔性复合材料路面,它兼有水泥混凝土的刚性和沥青混凝土的柔性。国外的“半柔性路面”的做法大多是在沥青混合料路面中灌入特殊水泥浆液,该技术最早的应用和研究是在法国开展的,并于1954年应用于法国科涅雅克(Cognac)航空港喷气式飞机用的跑道上,作为耐热用的道面,并以此申请了专利,称为“Salviacim”施工法。早在1961年,日本就以“半柔性路面和半柔性路面施工法”为名申请了专利。之后,此种半柔性路面在日本迅速发展起来。

由于有水泥胶浆的灌入,半柔性路面材料抵抗车辙等永久变形的能力很强,其动稳定度均为10 000次/次。半柔性路面材料抵抗疲劳变形的能力也优于普通沥青混凝土,而且随着母体设计空隙率的增大,其抗疲劳性能逐渐增大。半柔性路面材料具有很好的抗油蚀能力,能有效地抵抗油类的侵蚀。半柔性路面材料的低温抗裂性能总体上要优于普通沥青混凝土,但不同的评价方法之间有一定的差距。这除了有沥青结合料方面的原因外,还可能是因为水泥胶浆的灌入,使得半柔性路面材料的刚性相对于普通沥青混凝土增大,其低温下的脆性增大,从而抵抗低温变形的能力就降低了,同时也与低温抗裂性能的评价方法有关。对于不同设计空隙率下半柔性路面材料其路用性能有着显著差别,母体混合料空隙率小,低温抗裂性能好,母体混合料空隙率大,高温稳定性、耐疲劳性及抗水害性能均较好。因此在南方多雨地区,应选择母体混合料空隙率大的半柔性混合料为宜;在北方严寒地区,应选择母体混合料空隙率相对较小的半柔性混合料为宜。

3 结语

半刚性路面结构具有强度高、刚度大、整体性和水稳性好、工程造价低、使用寿命长等优点,因此,现在国内大部分高速公路路面都采用这种形式,其缺点是半刚性基层性脆,对温度、湿度比较敏感,抗变形能力差,在强度形成过程中及营运期间会产生干缩裂缝和低温性收缩裂缝,而且在地表交通荷载的重复作用下,这种裂缝会逐渐扩展到沥青面层,形成“反射裂缝”,其结果是破坏了路面的连续性和整体性,更严重的是路表水沿裂缝渗入土基,使裂缝逐步扩展形成网裂、龟裂、唧浆、坑槽、沉陷,从而加快路面破坏。综合半柔性路面材料的各项路用性能,与普通沥青混凝土相比,半柔性路面材料的综合使用良好,能广泛地应用于高速公路、城市道路,尤其适用于道路的交叉口、停车场、收费站等易产生车辙、壅包等高温变形的地段。可以说半柔性路面材料是一种很有发展前景的新型路面复合材料。

摘要：结合半刚性与半柔性路面的应用,从复合式路面的路用性能特点出发,探讨了两种路面各自的特点,总结了两种路面的优缺点,得出了半柔性路面材料是很有发展前景的新型路面复合材料的结论。

关键词：半刚性,半柔性,路面,混合料

参考文献

[1]庞传琴,杨宇亮.半柔性混合料性能探讨[J].公路,2004(4):8.

[2]张彤,魏晓荣.半刚性沥青路面水破坏机理与防治措施探讨[J].机场工程,2007(1):17-19.

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半刚性路面 第9篇

1 半刚性路面基层裂缝施工防治措施

半刚性路面基层裂缝防治应遵循“预防为主”的原则。减少基层裂缝产生, 合理的结构设计是基础, 严格控制施工质量是关键, 安川高速公路借鉴以往成功施工经验, 在路面基层、底基层施工中进行大胆创新, 在配合比设计和施工过程中, 通过合理设计, 提高施工工艺等办法进行有效预防, 在水泥稳定碎石基层中添加部分粉煤灰代替细集料中0.6m m以下颗粒含量, 最大限度地减少裂缝产生的概率。

1.1 优化混合料级配

实践表明骨架密实型水稳混合料在强度、抗裂性、抗冲刷性、抗疲劳性和稳定性能上全面优于普通水稳碎石混合料, 本项目路面在配合比设计中, 根据以往成功经验, 对规范级配范围进行调整, 适当增加粗集料用量, 减少4.75mm以下细集料颗粒用量, 使4.75m m筛孔通过率控制在35%以下, 以保证混合料达到骨架密实结构。路面基层设计级配及控制范围见表1, 级配曲线见图1。

1.2 水洗砂的应用

大量实践证明, 小于0.6m m颗粒含量及0.075mm以下细集料对水泥稳定基层的干、温缩的负面影响很大, 所以在进行混合料配合比设计时应严格控制集料0.6mm和0.075mm档的通过率, 使之尽量靠低线, 同时细集料颗粒的塑性越大, 基层干缩应变越大, 所以要对通过0.6m m筛孔的颗粒进行液限和塑性指数试验, 要求液限小于28%, 塑性指数小于9。为了控制细集料质量, 采用水洗砂代替以往粉尘含量偏大的石屑, 细集料0.075mm通过率降低到3%以内, 从而有效降低石屑中黏土、粉尘对水稳基层裂缝的影响。

1.3 粉煤灰的应用

粉煤灰中含有大量Si O2、Al2O3等能反应产生凝胶的活性物质, 水泥粉煤灰早期反应主要是水泥遇水后产生水解与水化反应, 水泥水化生成硅酸钙晶体, 这些晶体产生部分强度, 同时水泥水化生成氢氧化钙通过液相扩散到粉煤灰球形玻璃体表面, 发生化学吸附和侵蚀, 生成水化硅酸钙与水化铝酸钙, 大部分水化产物开始以凝胶体出现, 随着凝期的增长, 逐步转化为纤维状晶体, 并随着数量的不断增加, 晶体相互交叉, 形成连锁结构, 填充混合物的孔隙, 形成较高的强度。针对水泥稳定碎石基层材料常出现的收缩裂缝病害, 大量室内试验表明, 掺粉煤灰水泥稳定碎石基层材料除具有良好的路用性能与经济价值外, 其抗裂性能较好, 基层收缩系数大大降低, 减少沥青面层反射裂缝, 延长了沥青路面使用寿命。本项目路面水稳基层掺入7%的粉煤灰。同时, 由于混合料采用了水洗砂, 合成级配0.075m m通过率较低, 混合料难以碾压密实, 添加部分粉煤灰以填充混合料空隙和提高混合料的和易性和水稳定性。

1.4 水泥品种及剂量的确定

水泥的矿物成分优劣及剂量大小是水稳基层是否产生收缩裂缝的主导因素。通常认为, 各种类型的水泥都可用于稳定集料中, 然而实践证明, 对同一种集料, 水泥矿物成分是决定水稳集料强度高低的主要因素, 经试验确定, 硅酸盐水泥的稳定性效果好。水稳集料水泥剂量的确定尤为关键, 过多的水泥用量虽然可以获得强度的增加, 但同时水泥用量过大, 收缩量必将加大, 产生收缩裂缝的可能性也随之增多, 在经济上也是不合理的。因此, 本项目路面在满足设计强度的基础上, 采用P O 32.5级普通硅酸盐水泥, 水泥剂量设计底基层为3.5%, 基层为4.5%。

1.5 施工含水量的控制

控制含水量亦是预防裂缝的关键。施工时严格按照施工配合比控制最佳含水量, 水泥稳定粗粒料碾压时混合料的含水量宜较最佳含水量大0.5%~1.0%, 对于水泥稳定细集料碾压时混合料的含水量宜较最佳含水量大1%, 避免因施工用水量控制不当而人为造成的干缩裂缝, 从而提高工程质量。

1.6 施工压实度控制

实践表明, 提高压实度也能减少水稳裂缝发生, 因此在施工中应合理确定压实段长度, 配备足够碾压机械, 制定合理的碾压方案, 保证压实度符合要求。

1.7 加强养生

每施工段碾压完成后应立即进行压实度检查, 并同时采用湿润的土工布严密覆盖养生, 直至下一道工序施工前, 不得使水稳层处于干燥、曝晒状态。用洒水车洒水养生时, 洒水车的喷头要用喷雾式, 不得用高压式喷管, 以免破坏基层结构, 每天洒水次数应视气候而定, 整个养生期间应始终保持水泥稳定碎石层表面湿润, 特别是结构物边角部位和路面边缘部位, 要专人养生。

1.8 基层预切缝

铺筑沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预切缝, 通过切缝改善基层约束条件, 从而在一定程度上释放温度应力来达到防裂目的。切缝后用沥青灌缝后加铺土工格栅, 既起到了防渗作用, 又在一定程度上缓解了裂缝处沥青面层应力集中, 从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生。

通过以上各个环节的控制, 本项目路面工程施工水稳混合料和易性良好, 摊铺的水稳基层纹理清晰, 外观较好, 同时水稳基层裂缝明显减少, 裂缝数量平均两公里不到一条, 在水稳基层裂缝防治方面得到了同行的一致好评。

2 结语

半刚性路面基层产生裂缝的原因很多, 在设计和施工过程中应通过合理的设计和高质量的施工来对裂缝进行抑制, 以最大限度的减少裂缝的发生;对已经产生的裂缝, 在沥青面层施工前, 则应结合技术、施工等条件, 选择适宜的处治方案, 及时进行处治, 才有可能控制裂缝的发展, 有效防止裂缝反射至路面, 以延长路面使用寿命。

摘要：本文针对高速公路半刚性路面基层裂缝危害, 结合项目施工经验, 提出相应的施工控制措施, 以减少裂缝的发生, 延长路面使用寿命。

关键词：路面基层,裂缝,控制措施

参考文献

[1]张登良.沥青路面工程手册[M].人民交通出版社, 2004.

[2]交通部公路科学研究所.公路路面基层施工技术规范[M].人民交通出版社, 2000.

半刚性沥青路面车辙三维有限元分析 第10篇

随着我国经济实力的迅速崛起, 公路等基础建设亦迅速发展。目前, 我国高速公路绝大多数为沥青路面, 其中, 90%以上采用半刚性基层沥青路面结构。近几年发现, 随着交通量以及轴载的增加, 半刚性沥青路面多出现车辙等病害, 且难以根治。然而, 就目前而言, 我国公路沥青路面设计规范中对于车辙还未有相关的设计指标和建议。

因此本文对半刚性沥青路面车辙问题进行分析, 利用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元模型, 研究不同掺量的变化对沥青路面车辙的影响, 从而为半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。

1 典型半刚性沥青路面结构及其参数

半刚性沥青路面结构是根据“强基薄面”理论进行设计的, 即以半刚性基层作为承重层, 沥青层主要作为功能层。我国高速公路上常用半刚性沥青路面结构的沥青面层均为三层, 厚度在16 cm~22 cm之间;半刚性基层大多采用水泥稳定碎石材料, 厚度在20 cm~40 cm之间;底基层一般采用水泥稳定砂砾材料, 厚度在15 cm~30 cm之间;垫层一般采用砂砾材料, 厚度在10 cm~15 cm之间。因此, 本文选用的典型半刚性沥青路面结构及其参数如表1所示。

2 沥青路面三维有限元模型的建立

ANSYS是结构仿真度高的大型软件之一, 本文采用ANSYS有限元分析软件对半刚性沥青路面进行有限元分析。本文采用Solid45单元, 此单元能模拟结构在承受荷载时的各种力学响应;三维有限元模型的尺寸为6 m×6 m×6 m;其中, X轴为路面横向, Y轴为行车方向, Z轴为竖直方向。由于在行车中汽车轮胎对沥青路面有行车方向的摩擦力, 因此本文采用双圆均布荷载的同时, 对路面结构施加水平力, 为竖直荷载的0.2倍。此外, 沥青路面结构层之间为完全连续, X轴和Y轴的界面分别对其X方向和Y方向的位移进行约束, 路基底面进行固定约束。建成的沥青路面三维有限元模型如图1所示。

3 不同轴载作用下沥青路面剪应力

随着物流的增加, 我国高速公路的交通量增加, 因此超载现象也逐渐增加。相关研究指出, 轴载的增加会直接导致半刚性沥青路面车辙的出现, 因此本文对不同轴载下的沥青路面进行研究。我国规范没有给定超载情况下压力及半径尺寸, 按比利时方法计算, 具体参数见表2。

半刚性沥青路面结构车辙的出现主要是由于沥青层所受剪应力过大, 超过其抗剪强度或者容许抗剪强度。因此本文对车辙的研究, 主要是研究不同掺量下沥青层剪应力指标的变化。本文根据以上给定的路面结构参数以及轴载, 利用ANSYS有限元软件对路面结构的剪应力进行分析, 得到结果如图2所示。

如图2所示, 随着轴载的增加, 沥青层剪应力逐渐增加。当轴载在100 k N~200 k N之间变化时, 轴载每增加10%, 沥青层最大剪应力增加5.1 k Pa。一般而言, 成型的沥青混合料在考虑疲劳效应时, 容许剪应力控制在190 k Pa~280 k Pa之间。由于此处计算分析时, 假定层间为完全连续状态, 然而在实际施工时很难做到完全连续, 因此在此沥青层容许剪应力取下限值。由此可知, 在轴载为120 k N以下时, 半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力满足要求;但当轴载达到140 k N以上时, 沥青层剪应力偏大, 在重复荷载作用下, 沥青层极容易产生车辙。

在不同轴载作用下, 沥青层剪应力的分布规律基本上是相同的。为了更深入的研究沥青层剪应力的平面分布, 本文利用MATLAB软件做出轴载为100 k N时沥青层剪应力的分布图, 具体如图3所示。

由图3容易看出, 荷载作用下的半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力出现两个最大峰值, 分别出现在轮迹外侧边缘。此外, 除却两个最大波峰外, 还存在若干较大波峰, 均出现在最大波峰的周围。由此可知, 沥青层剪应力呈不均匀分布, 且沿轮隙线呈反对称。

4 不同结构参数下沥青路面剪应力

半刚性沥青路面的结构形式不同, 主要在于沥青面层和半刚性基层材料不同以及厚度不同。沥青面层和半刚性基层材料不同在力学模型计算中表现为弹性模量不同。本文从沥青面层和半刚性基层厚度及模量出发, 研究在这两种参数变化下, 沥青层剪应力的变化规律, 具体参数如表3所示。其中, 每次计算中变化一种结构参数, 其他参数如表1所示。

如图4所示, 随着沥青面层厚度的增加, 沥青层剪应力呈逐渐减小的变化趋势。当沥青层厚度达到18 cm时, 厚度每增加2 cm, 沥青层剪应力减小3.5%;当沥青层厚度由14 cm增加到18 cm时, 沥青层剪应力减小12.61%, 即当沥青层厚度在14 cm~18 cm之间时, 沥青层厚度每减小2 cm, 沥青层剪应力增加7.71%。由此易知, 对于沥青层剪应力指标而言, 沥青面层厚度为18 cm为一经济点;即此时通过增加沥青层厚度来减小沥青层剪应力是不经济的措施。

由图5易知, 随着沥青面层模量的逐渐增加, 沥青层剪应力逐渐增大。这主要是由于沥青层模量的增加, 造成沥青层模量与半刚性基层模量之比逐渐减小, 在相同荷载作用下, 承担的剪应力就逐渐增加。当沥青面层模量由1 400 MPa增加到2 200 MPa时, 沥青层剪应力增加了16.99%, 即沥青模量每增加400 MPa, 沥青层剪应力增加8.5%。

从图6可以看出, 随着基层厚度的逐渐增加, 沥青层剪应力呈线性逐渐减小。其中, 当基层厚度由40 cm减小到20 cm时, 沥青层剪应力增加26.67%;即当基层厚度在20 cm~40 cm之间时, 厚度每减小5 cm, 沥青层剪应力增加6.67%。

如图7所示, 沥青层剪应力随着基层模量的增加逐渐减小。当基层模量由4 000 MPa减小到2 000 MPa时, 沥青层剪应力增加34.28%;即当基层模量在2 000 MPa~4 000 MPa之间时, 模量每增加400 MPa, 沥青层剪应力减小6.86%。

5 结论及建议

1) 沥青层厚度在14 cm~18 cm之间变化时, 沥青层厚度每减小2 cm, 沥青层剪应力增加7.71%。对于沥青层剪应力指标而言, 沥青面层厚度为18 cm为一经济点, 建议沥青层厚度取18 cm;沥青面层模量在1 400 MPa~2 200 MPa变化时, 沥青模量每增加400 MPa, 沥青层剪应力增加8.5%。

2) 基层厚度在20 cm~40 cm之间时, 厚度每减小5 cm, 沥青层剪应力增加6.67%。基层模量在2 000 MPa~4 000 MPa之间时, 模量每增加400 MPa, 沥青层剪应力减小6.86%。

3) 荷载作用下的半刚性沥青路面结构中沥青层剪应力出现两个最大峰值, 分别出现在轮迹外侧边缘。

参考文献

[1]毕玉峰.沥青混合料抗剪试验方法[J].同济大学学报 (自然科学版) , 2005 (5) :26-28.

[2]AI-Qadi I L, Elseifi M, Yoo PJ.Pavement damage due to different tires and vehicle configurations[R].Blacksburg:Virginia Tech Transportation Institute, 2004:23-35.

[3]崔鹏, 邵敏华, 孙立军.长寿命沥青路面设计指标研究[J].交通运输工程学报, 2008 (16) :97-99.

半刚性连接钢框架的改进分析方法 第11篇

【关键词】半刚性；连接刚度系数；转角位移方程お

Semi—rigid connected steel frame improving analytical methods

Chen Yong—ze

（Shaanxi Construction Machinery Co.， LtdXi''anShaanxi710032）

【Abstract】This article on this stage have a semi—rigid connected steel frame numerical analysis model is frequently used in the analysis of the advantages and disadvantages of comparative analysis， based on tear down the connection stiffness coefficient and stability factor correction according to the strength of the connection coefficient definedafter corner displacement equation， this equation can complete description of the connection stiffness rod pieces by the force changes from zero to infinity changes the whole process.

【Key words】Semi—rigid；The connection stiffness coefficient；Angular displacement equationお

现有的结构分析中，是将梁柱连接节点简单的划分为只能传递轴力和剪力的铰接，或能完全传递轴力、剪力和弯矩的刚性连接。但是，试验研究表明大多数工程中常采用的节点均会表现出介于铰接和刚性连接之间的性能即半刚性性能[1～3]

关于连接节点性能特性的研究及其对结构静态承载力的影响，近10年来已有较多的论述，在文献[2]中对常用的分析方法做了较为详细的综述。

1. 现阶段对于半刚性连接框架基本上采用以矩阵位移法为基础的数值分析法来进行分析。其中最为关键的刚度矩阵的建立方法主要有：

（1）有限元法：文献[4][5]中用有限元方法分析时，采用连接弹簧来模拟连接节点性能，在建立结构刚度矩阵时，连接弹簧刚度将分别影响柱刚度矩阵和梁刚度矩阵的建立。这与实际的物理模型是有差别的：在框架中，柱端是连续的，按照正常的有限元方法建立其刚度矩阵即可，梁柱连接的性能是集中在对梁单元的影响，应在梁单元刚度矩阵的建立过程中将梁端连接特性完全计入。同时，当采用杆件有限元法时，势必会在计算时忽略应变函数中位移的一些高阶项，用此进行多层框架这样由众多杆件藕合作用结构的分析，其所得结果的精度必然受到影响。

（2）梁柱理论：采用考虑连接性能修正后的转角位移方程来建立刚度矩阵。此方法直接由杆件的平衡方程来推导刚度矩阵，用超越函数简洁、精确地表达杆单元中力和位移的关系。现在研究中主要采用W.F.Chen[3][6][7]推导出的考虑连接刚度修正后的转角位移方程：

M瑼=EIL[SS*θ瑼+CC*θ瑽]（1a）

M瑽=EIL[CC*θ瑼+DD*θ瑽]（1b）

式中，SS*=（C+EIC2LR㎏B—EIS2LR㎏B）/RR* ；DD*=（C+EIC2LR㎏A—EIS2LR㎏A）/RR* ；CC*=S/RR*

RR* =（1+EICLR㎏A） （1+EICLR㎏B） —（EIL）2S2R㎏B猂㎏A 。

以上各式中 EI是构件的弯曲刚度，S和C分别是构件抗弯刚度系数，R﹌i ——连接的初始刚度。

但采用（1）式分析时，计算结果与连接的相对强弱没有明显直观的联系，且表达式中只与连接的初始刚度有关，同时当R﹌i很小时，数值计算程序有可能出现较大的累积误差， 这表明当采用塑性铰法进行结构弹塑性分析时，按照（1）式建立的刚度矩阵在杆端将要形成塑性时变得不稳定。同时，在（1）式中只考虑了连接初始刚度的影响，而不是采用连接的瞬时刚度，这样就无法描述杆件性能随刚度变化而改变的情况。因此有必要建立以连接刚度系数ρ璱 表达的转角位移方程。

2. 连接刚度系数的修正

进行新转角位移方程推导之前，先引入连接刚度系数 来表示节点的约束强弱[7]

ρ璱=θ''θ=11+3EIR璱L（1—1）

式（1—1）的先题条件是：（1）杆件中的轴向力为零；（2）杆件一端半刚性连接，另一端简支；（3）杆件只在半刚性连接端作用有弯矩。在此基础上得到的修正后的转角位移动方程为：

M瑼=3ρ瑼4—ρ瑼ρ瑽EIl（4θ瑼+2ρ瑽θ瑽）（1—1a）

M瑽=3ρ瑽4—ρ瑼ρ瑽EIl（4θ瑽+2ρ瑼θ瑼）（1—1b）

（1—1）是就是现在大多数研究中采用的考虑连接性能时的转角位移方程，但在此方程中没有考虑到轴向力的影响。

当杆件中的轴向力不为零时，根据上述条件的（2）和（3）条可得到（杆端变形角之间的关系见图1）：

ρ璱=θ''θ=11+（C—S2C）EIR璱L（1—2）

图1杆端变形角之间的关系

式中，ρ璱 为连接的强弱系数；θ''为杆单元端部在杆端弯矩作用下的转角； θ为考虑节点性能时杆单元在杆端弯矩作用下的总转角；R璱 为连接的转动刚度。

3. 转角位移方程的修正

根据ρ璱的定义，当A端为半刚性连接且有弯矩作用，B端简支时：

M瑼=EIL（ρ瑼Cθ〢1+Sθ〣1） （2—1）

0=EIL（ρ瑼Sθ〢1+Cθ〣1） （2—2）

式中， θ〢1为只有M瑼 作用时，在A端产生的转角；θ〣1 为在A端弯矩 M瑼作用下，铰接B端产生的转角。

当B为半刚性连接端有弯矩作用，A端简支时：

M瑽=EIL（ρ瑽Cθ〣2+Sθ〢2） （2—3）

0=EIL（ρ瑽Sθ〣2+Cθ〢2） （2—4）

式中， θ〣2为只有 M瑽作用时，在B端产生的转角；θ〢2 为在B端弯矩 M瑽作用下，铰接A端产生的转角。

由于杆件中的轴向力是相同的，利用叠加原理有：

M瑼=EIL（ρ瑼Cθ〢1+Cθ〢2+Sθ〣1+ρ瑽Sθ〣1） （2—5）

M瑽=EIL（ρ瑼Sθ〢1+Sθ〢2+Cθ〣1+ρ瑽Cθ〣1） （2—6）

θ〢=θ〢1+θ〢2 ；θ〣=θ〣1+θ〣2 （2—7）

由（2—3）～（2—7）式可得到：

M瑼=EIL[S*θ〢+C*θ〣猐（2—8a）

M瑽=EIL[C*θ〢+D*θ〣猐（2—8b）

S* =ρ瑼C〔C—S2C〕/R*； D* =ρ瑽C〔C—S2C〕/R* ； C* =ρ瑼ρ瑽S〔C—S2C〕/R*；R*=C—ρ瑼ρ瑽S2C

由（2—8）式可看到：

（1）当ρ瑼=0 ，ρ瑽=0时： M瑼=0，M瑽=0

（2）当ρ瑼=0 ，ρ瑽≠0 时： M瑼=0，M瑽=EIL〔C—S2C〕ρ瑽θ〣

（3）当ρ瑼=1，ρ瑽=1时： M瑼=EIL（Cθ〢+Sθ〣），M瑽=EIL（Sθ〢+Cθ〣） 即为经典的转角位移方程。

以上的分析表明，（2—8）能完整、准确的描述构件随着两端约束条件的变化承载力跟随变化的全过程，将端部连接分别为铰接、固接和半刚性连接的转角位移方程的表达统一起来。

注意到，（2—8）式的物理意义为：构件在通过其两端连接传递过来的弯矩作用下的转角位移方程。

4. 刚度矩阵的形成

由（2—8）式根据内外力平衡条件和杆件的变形协调条件进行推导可得到考虑连接半刚性时的杆件刚度矩阵如下：

[K琒]=K11琒K12琒K13琒K14琒K15琒K16琒

K21琒K22琒K23琒K24琒K25琒K26琒

K31琒K32琒K33琒K34琒K35琒K36琒

K41琒K42琒K43琒K44琒K45琒K46琒

K51琒K52琒K53琒K54琒K55琒K56琒

K61琒K62琒K63琒K64琒K65琒K66琒（3—1）

式中： K11琒=EAL，K12琒=K21琒=K13琒=K31琒=0，

K14琒=K41琒=—EAL， K15琒=K51琒=K16琒=K61琒=0，

K22琒= ηEIL3 [（S*+2C*+D*）—（αL）2]， K23琒=K32琒= ηEIL2（S*+C*）， K24琒=K42琒=0，

K25琒=K52琒=ηEIL3 [—（S*+2C*+D*）+（αL）2]，

K26琒=K62琒=ηEIL2（D*+C*），

K33琒=ηEIL S*，K34琒=K43琒=0，

K35琒=K53琒=—ηEIL2（S*+C*），

K36琒=K63琒=ηEILC* ，

K44琒=EAL，

K45琒=K54琒=K46琒=K64琒=0，

K55琒= ηEIL3[（S*+2C*+D*）—（αL）2] ，

K56琒=K65琒=—ηEIL2（D*+C*），K66琒=ηEILD*

对此矩阵进行进一步观察，便可以清楚的得到：

（1）当 ρ瑼=0 ，ρ瑽=0时，（3—1）矩阵便可凝聚得到两端铰接平面杆件的单元刚度矩阵；

（2）当ρ瑼=1，ρ瑽=1时，（3—1）矩阵就是正常的平面杆件单元刚度矩阵。

5. 算例

以图2所示的五层钢框架为例，分析不同梁柱节点连接方式对多层纯框架承载性能的影响。

图2框架模型

模型中边柱采用HM450x300，中柱采用HM500x300，所有的梁均采用HN450x200，材质均为Q235，P= αP瓂，P瓂=Aヽol ×f瓂 ， q=30KN/m，H=0.2P。

当采用不同梁柱连接形式时，结构自振周期的对比如表1所示：

表1轴向力对结构自振周期的影响

连接形式（kn.m/rad）结构自振周期（s—秒）

用（2—8）式に得计算结果用（1—1）式に得计算结果

全铰接连接（R﹌i=0 ）1.511.47

腹板角钢连接（ R﹌i=2500）1.461.43

上下翼缘角钢连接（R﹌i=3600 ）1.291.27

外伸端板连接（ R﹌i=5500）1.201.18

上下翼缘角钢连接+腹板角钢ち接（ R﹌i=8905）1.171.15

栓焊混合连接（ R﹌i=11500）1.021.0

刚性连接（ R﹌i=∞）0.840.83

从对比分析结果看，（2—8）与（1—1）式的计算结果在连接刚度较大时是接近的，

但当连接刚度逐渐减弱时两式的计算结果就产生较大的差异，特别是当连接为全铰接时，两者的差别最大。杆件中的轴向力对结构的物理特征有着显著的影响。（弹性分析位移—荷载曲线见图3～图5）。

图3ρ=0.2时弹性分析位移—荷载曲线

图4ρ=0.4时弹性分析位移—荷载曲线

表2考虑连接刚度时（2—8）式弹性分析结果

初始连接刚度极限荷载（KN）最大侧向位移（cm）

ρ=0.2470017.6324

ρ=0.4517028.7725

ρ=1.080208.714

6. 结论

由以上的分析可清晰的看出，（2—8）能完整准确的描述构件随着杆件两端约束条件的变化承载力跟随变化的全过程，将端部连接分别为铰接、固接和半刚性连接的转角位移方程的表达统一起来。同时在用（2—8）式建立刚度矩阵时，不必要引入新的独立变量分项目就可准确、连续地描述结构刚度变化的全过程。

图5ρ=1.0时弹性分析位移—荷载曲线

参考文献

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半刚性路面 第12篇

1 反射裂缝产生和扩展机理

对于半刚性基层沥青路面, 反射裂缝主要是指:基层材料因其自身温缩和干缩开裂, 随后沿着裂缝向面层上方反射的裂缝或者说是在行车荷载的反复作用下, 结构层底面产生了裂缝, 随后裂缝沿着已开裂半刚性基层向上扩展而形成的裂缝。显然得知, 反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂, 最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青混凝土面层的开裂。

1.1 裂缝的产生

(1) 温缩机理

由于半刚性基层材料的特殊性, 其温缩性非常显著, 如表1。

如半刚性基层沥青路面面层厚度<30cm时, 在温差相差较大的北部, 半刚性基层的内部会出现相当大温度梯度, 此时基层内的温度应力也会较大。根据中国北部沥青路面温度场实验材料, 对于沥青面层厚8~14cm时, 12月中一天的时间中半刚性基层顶面要承受12±1℃的温差。面临这样的情况, 对于水泥处置粒料和二灰稳定粒料等半刚性基层材料, 若取其平均温缩系数αt=8×10-6℃-1, 经计算半刚性基层的劲度模量平均值超过10000MPa。如设St=10000MPa, 且设半刚性基层表面温度下降12℃, 根据西尔斯和布里恩提出的公式可以得出半刚性基层顶面存在的温度应力:

在一般情况下, σt大于半刚性基层材料所容许的抗弯拉强度, 由此可知, 当温差越大时, 基层开裂可能性越大。

(2) 干缩机理

通常, 当材料内部湿度降低时, 材料体积也会产生相应的收缩。干燥收缩也严重影响半刚性基层开裂程度, 半刚性材料的干缩系数远大于温缩系数, 甚至达到10多倍, 如表2。

可以根据下式得出相应的干缩应力:

式中: —平均干缩系数;

w1, w2—含水量;

Δw—含水量的变化量;

St—为基层劲度模量。

试验表明, 半刚性基层材料的最佳含水量Wopt大致为9.6%, 风干后含水量为最佳含水量的72%~76.8%, 则半刚性基层在风干状态下的失水量达到6.9%~7.4%。设平均干缩系数为33×10-6/Δw, St=10000MPa, 则σ0=2.3MPa (大于半刚性基层本身的抗弯拉强度) 。

由于半刚性基层现在没有适宜的养生条件, 尤其是对于干缩性较大的稳定细粒土基层, 其还没有完全形成抗拉强度, 此时如果基层失水较大, 基层内部的干缩应力会很大, 从而导致干缩裂缝。

1.2 裂缝的扩展

若在半刚性基层中形成裂缝后, 由于温度应力和行车荷载不断作用, 裂缝会逐渐向上扩展, 最终在面层表面形成。

通过断裂力学理论, 裂缝扩展的主要扩展形式有以下三种:撕裂、剪裂、拉裂, 如图1所示。在半刚性基层中, 由于荷载及荷载作用方式的差异, 裂缝的扩展方式也会产生较大的差异。若交通荷载作用于不同的裂缝位置, 也会产生不同的裂缝扩展模式, 如图2所示。在图中, 虚线代表的是基层产生的裂缝, 箭头表示的是车辆行驶方向。在纵向裂缝中产生的三级破坏的原因是在纵向裂缝的端部作用了行车荷载。裂缝扩展产生的重要因素就是温差变化较大, 尤其是在冬季大幅度降温季节, 此时因温差变化产生的温度应力为拉应力, 故最终产生Ⅰ型裂缝扩展形式。

有关研究指出, 裂缝的扩展速率和裂缝尖端的应力场强度的关系很密切, 参考断裂力学用强度因子K来表示裂缝尖端应力场的强度。即随着K值的增大, 裂缝扩展速度随之加快, 而面层的疲劳寿命将缩短。

综上所述, 影响半刚性基层沥青路面的根本因素就是温差变化和湿度变化, 温缩和干缩开裂形成于半刚性基层中又在裂缝尖端出现了应力重分布的情况, 导致尖端出现显著的应力集中现象, 结果首先在仅靠裂缝尖端的面层底部出现开裂, 而交通及环境荷载重复作用于沥青面层, 使得裂缝逐渐向上扩展、延伸, 最终使得反射裂缝贯穿整个沥青面层。

2 反射裂缝防治措施

纵观反射裂缝的形成和扩展机理, 半刚性基层材料具有干缩和温缩应力, 在受到行车荷载和温差应力的共同作用下慢慢发展产生反射裂缝, 与此同时该研究指明, 反射裂缝的发展与沥青面层的厚度有着极其重要的联系。

针对反射裂缝的形成机理, 现提出以下防治措施:

(1) 适当增加沥青面层的厚度;

(2) 严格控制半刚性基层的温缩、干缩性能;

(3) 设置应力吸收层于面层和基层之间;

(4) 加铺级配碎石层于面层和基层之间。

2.1 增加适当的沥青面层厚度

从反射裂缝扩展机理可以看出, 沥青面层厚度的大小对反射裂缝的发展有着重要的影响, 其中, 以厚度为15cm的沥青面层作为界限, 当沥青面层厚度超过15cm, 在降低了车辆荷载引起的剪应力的同时, 能够很好地阻止反射裂缝的扩展。

对国外资料进行研究发现, 在贫混凝土上铺筑沥青面层, 当铺筑的沥青面层厚度为10cm时, 能够在无反射裂缝时通过累积标准轴载 (8.2t) 10×106次, 当铺筑的沥青面层厚度为15cm时, 则能够在不产生反射裂缝的前提下可以累积通过的标准轴载次20×106次, 当铺筑的沥青面层厚度为17.5cm时, 则可以放心的使用。经研究发现, 加铺层厚为5cm时, 有96%的反射裂缝, 当加铺层厚度为15cm时, 仅仅只有23%的反射裂缝。当然, 并不是沥青面层越厚越好, 一味地增大沥青面层的厚度, 不但对降低反射裂缝的形成帮助不大, 反而会产生经济浪费。对面层的厚度和反映裂缝前端应力场强度的应力强度因子两者之间的关系进行了分析, 见图3。

由图3可看出, 当沥青面层厚度不超过15 cm时, 强度因子的减小速率较大, 当沥青面层厚度超过15cm时, 强度因子K减小的速度逐渐下降, 并且该曲线逐步趋于平缓。由此说明, 在沥青面层厚度大于了15cm之后, 要靠增加沥青面层厚度来减小应力强度因子的作用, 效果不会很明显。表3是我国典型高速公路结构层厚度。

2.2 改善半刚性基层材料的干缩性质

若能够在一定程度上减少半刚基层自身裂缝, 或使其不产生裂缝, 则能够较好地避免产生半刚性基层的大量开裂。因此, 改善半刚性基层材料的收缩性能不失为减少反射裂缝的一种选择。

(1) 严格控制级配, 合理调整结合料的用量和比例, 尽量使用骨架密实、粗骨料含量多的结构矿料级配。

(2) 当半刚性基层材料中的细料含量较高, 细料比表面较大, 这时材料内部孔隙越多, 那么在水的作用下, 半刚性基层材料收缩也就越大。因此, 应该尽可能地控制半刚性基层材料的细料含量和细土的塑性指数。采用0.075mm筛孔, 确保细料含量控制在5%~6%内;针对于细土的塑性指数, 不宜超过4, 且尽可能地小。

(3) 由于收缩会随着水泥剂量的增加而增加, 所以在满足规范要求的前提下, 尽可能地用最小水泥剂量, 也可以适当地在水泥稳定料中使用减水剂。

2.3 设置应力吸收层于面层和基层之间

中间层的种类有很多, SAMI (应力吸收薄膜中间层) 作为其中的一种, 可有效减缓反射裂缝的产生和扩展, 研究表明, SAMI可以降低传到面层处的应力, 效果可达到降低14%的应力, 降低裂缝尖端应力奇异性, 降低应力强度因子。SAMI (应力吸收薄膜中间层) 可以分为开级配沥青混凝土底层、预制纤维膜布、土工织物中间层、橡胶沥青中间层、低稠度沥青混凝土中间层。

在选择和设计SAMI的时候, 应该注意下面几点:

(1) SAMI与基层、面层之间必须均匀、永久地粘结, 避免出现过早分层的危害;

(2) SAMI的韧度:SAMI能够有效地防止反射裂缝, 必须建立在韧度值不能过低的前提上;

(3) SAMI的劲度:半刚性基层的劲度与两个因素有关, 一个是模量, 另一个是厚度, SMAI的劲度不能很低, 很低的话, 罩面层很容易开裂, 相反, SMAI的劲度值很高的话, SAMI不能按预想的那样起到防止裂缝的作用。

2.4 加铺级配碎石层于面层和基层之间

级配碎石层的孔隙率20%~35%, 属于特粗式级配沥青碎石混合料。如果将110~150mm厚的级配碎石层加铺在半刚性基层和面层中间, 该散粒结构不传递来自于半刚性基层底开裂产生的拉应力、拉应变, 可以充分吸收层裂纹释放的应变能;级配碎石具有较好的隔离作用, 能改善半刚性基层温湿情况, 显著控制温缩、干缩程度, 降低反射裂缝病害。

如果想让级配碎石充分发挥上述功能, 在选用级配碎石时, 必须确保该级配碎石具有高强度、稳定性好、高质量、较好抗行车疲劳荷载。

3 结语

反射裂缝的发生是由于半刚性基层已先开裂, 最后再受到行车荷载作用或者温度梯度、湿度变化而引发的沥青面层的裂缝。影响反射裂缝形成和扩展的因素主要是沥青面层厚度值和半刚性基层的温缩性质。现今可以有以下几种主要有效措施来控制反射裂缝:加厚适当厚度的沥青面层, 改善半刚性基层材料的水温稳定性, 在基层和面层之间设置应力吸收层。

摘要：对于半刚性基层沥青路面, 引起反射裂缝主要的原因是温缩、干缩应力, 通过研究行车荷载、温度荷载两种不同作用下造成的破坏模式, 提出了防治反射裂缝的有效措施:加厚沥青面层, 严格控制半刚性基层的温, 干缩性能, 在面层和基层之间设置应力吸收层。

关键词：反射裂缝,温缩、干缩应力,断裂力学,防治措施

参考文献

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