刚性基层柔性面层复合式路面分析现状与发展Word格式文档下载.docx

1、随着社会经济的不断发展，公路尤其是高速公路在带动区域经济发展中扮演越来越重要的角色。随着筑路技术和水平的不断提高，各种新材料、新设备、新工艺、新结构层出不穷，人们对路面的要求也越来越高。高速公路不仅要求满足快速、安全、舒适，还要求具有足够的耐久性和良好的经济性。地处东南沿海，经济发达，交通需求量大，超载超限运输屡禁不止。从实践来看，常规沥青路面在应对重载交通（超载、超限）能力有限，虽然采用了改性沥青，沥青高温等级也逐步提高（如采用pg82），采用骨架密实型混合料，通过不断优化混合料级配以提高混合料抗剪强度，减少车辙，但实际效果均不十分理想。采用水泥路面其舒适性又难以保证，一旦出现断损坏将严重影

2、响高速公路行车安全，且维修困难，对路面交通影响较大。因此，研究一种新的路面结构以适应当前交通发展的需要迫在眉睫。新路面结构既要满足结构承载力要求，能够抵抗重载交通，又要满足高速行车安全性和舒适性要求，且养护维修方便，路面主体结构的使用寿命长，全寿命周期费用少。结合本公司多年从事路面研究和实践的经验和成果，借鉴国外长寿命路面研究成果，笔者认为采用水泥刚性基层+沥青柔性面层的复合式路面结构来实现以上目的。2. 目前国外研究现状2.1 复合式路面概念目前，研究较多的复合式路面包括：刚性+刚性、柔性+刚性、刚性+柔性+刚性三类，分别如下：刚性+刚性（rcc+cc、pcc+pmcc、rcc+crcp）；

3、柔性+刚性（rcc+ac、cc+ac、crc+ac、pmcc+ ac）；刚性+柔性+刚性（rcc+isac+cc），从目前国外研究和实践情况来看，采用最多的还是rcc+ac和cc+ac。2.2 国外主要研究成果综述。（1）刚性基层+柔性面层复合式路面实际上是指在水泥混凝土刚性基层上铺筑沥青混合料柔性面层形成的刚柔复合式路面（以下简称cc+ac）。事实上，cc+ac复合式路面在国外有相当长的发展历史。早在20世纪30年代，英国就修筑连续配筋混凝土上加铺沥青层的路面结构，并把这种结构称为连续配筋混凝土路面承重层，20世纪4050年代用于一些城市道路。美国于20世纪50年开始采用沥青层修复旧水泥路面

4、（cc）和连续配筋混凝土路面（crc）。西班牙（19841989）在高等级干线公路上，将碾压混凝土（rcc）用作路面结构下面层，其上铺沥青层，修筑面积达30万平方米。巴西一些城市在市区中等交通和重交通道路上成功地修建了这种路面。1988年，日本在一些停车场对rcc作为沥青路面底层（下面层或上基层）的适应性进行了研究，并将这种路面结构形式写入rcc路面技术指南（草案）中，加拿大、美国、法国、澳大利亚等国随着对rcc路面研究的深入开展，为了解决平整度问题，也开始倾向于修筑这种新型路面结构形式。近年来，我国、等地也陆续在修建这种复合式路面。（2）目前，国外针对这种刚柔复合式路面的研究主要集中在力学计

5、算、结构设计、反射裂缝防治等几个方面。在力学计算方面，国外gregory曾建议将crc板厚做相关计算，用弹性理论分析沥青表层复合结构的作用。日本将沥青层表面作用的荷载按照450角扩散到混凝土板上，按阿灵顿半经验公式计算板底应力。前联按照应力扩散角考虑沥青层作用之后，用弹性地基无限大板理论计算荷载应力。luther等人运用线弹性断裂理论对层间拉应力进行了分析计算，提出了反射裂缝增长速率的计算模型。majidzadeh等人应用二维有限元法对沥青加铺层的应力进行了分析，他们认为这种路面的裂缝主要是由于温度变化引起混凝土板水平位移和翘曲产生的，通过分析提出了计算面层拉应力的方法。b.franck等人分

6、析研究了因温度变化罩面层底部引起拉应变及车辆荷载通过接缝时，两块板产生不同挠度而引起罩面层剪应变，提出了相应的控制指标。nanjimchen等人应用三层弹性体系对此进行求解，并考虑了应力消解层的效应。c.clauwaort利用有限差分法对沥青加铺层进行了荷载与温度综合作用下的力学分析，提出了以加铺层底面的弯拉应变为控制指标的设计法。（3）近年来，力学计算又有了新的发展。1988年t.krauthammer等人利用二维有限元计算了cc+ac复合式路面结构接缝的传荷能力，分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力，最大弯沉及最大剪应力，接缝处引入了杆与梁单元。1990年mshmoud等人对水泥混凝土基层

7、上的沥青层利用八面体应力进行了分析研究，提出了沥青层的临界厚度，并建议对此种路面结构进行车辙研究。（4）关于复合式路面结构设计方面，国外目前仍无统一的认识。国外方法概括起来包括：ta法、sn法、弯沉法和最小厚度法。这些方法都基于旧水泥路面评价的基础上提出的沥青层加铺厚度设计法。即将旧水泥路面进行结构强度评价，这算为一定厚度的沥青层，再与新建沥青路面厚度相比较，二者差值作为沥青加铺层设计厚度。这种方法在实际应用时缺乏充分的理论依据，对旧水泥路面结构强度的评价是关键。在美国很多地区，加铺层设计采用最小厚度法，着重考虑沥青混合料最大公称粒径与施工和易性，加铺层厚度必须与之相适应。总之，截至目前位置，

8、未见有统一公认的复合式路面力学分析模型及结构设计方法，复合式路面结构设计带有很多的主观经验性。国，公路学院、同济大学、空军工程学院等单位利用空间等参元、有限层、层状体系理论、断裂 力学等对cc+ac层复合式路道面结构进行了初步分析，取得了一定成果。交通大学任大鹏针对城市旧水泥路面加铺沥青层复合式路面结构的使用性能预测开展了研究，提出了复合式路面使用性能模糊综合评价模型及方法。长安大学王朝辉对复合式路面的养护维修技术开展了研究，着重研究了复合式路面的功能性与结构性评价方法，同时利用bisar程序，从整个设计参数围、不同层间状态出发，对复合式路面沥青层的压缩量进行了系统研究，并对在役路面结构的剩余

9、寿命进行了预估。交通大学王火明对刚柔复合式路面界面层强度特性开展了研究，运用ansys有限元分析软件对界面层剪应力进行了计算，提出了界面层抗剪强度标准、对比研究了不同界面防水粘结层材料的力学特性和不同刚性板界面处理方式对界面层抗剪强度和粘结强度的影响。理工大学的文科针对连续配筋混凝土复合式路面（crc+ac）的层间结合及施工技术展开了研究，分析计算了层间最大剪应力，采用直剪仪测试了不同界面条件、不同粘结材料、不同温度条件下的界面层抗剪强度。从保证高粘度复合改性沥青粘结层施工质量的角度出发，对材料质量、施工技术、工艺进行了探讨和分析，并提出了一些措施和建议，成功解决了sbs+crm复合改性沥青粘

10、结层施工中的一些关键技术问题。东南大学铎铎、黄晓明等人应用有限元软件abaqus建立有限元模型，采用断裂力学理论及奇异等参元法，对连续配筋混凝土和沥青混凝土（crc-ac）复合式路面中沥青层反射裂缝问题进行了数值分析。探讨了i型和ii型的应力强度因子（k1、k2）在沥青层裂缝扩展过程中的变化规律及路面结构参数对k2的影响。此外，长安大学振兴对设应力吸收层的复合式路面力学响应及结构设计展开了研究。基于断裂力学理论，重点针对偏载和低温两种不利情况，通过计算设与不设isac复合式路面结构最不利位置的应力强度因子，分析了isac的防裂优势。长安大学王朝辉对cc+ac复合式路面沥青加铺层设计方法展开了研

11、究，综合了弹性层状体系与有效厚度法，设计时考虑材料的非线性以及旧路面破损或者其他缺陷对加铺层使用寿命的可能影响，探讨了基于fw d检测和有效厚度的弹性层状体系cc-ac复合式路面加铺层设计方法。大学的太钦针对cc+ac复合式路面典型结构开展了研究。采用bisar程序对层间剪应力进行了系统的研究，分析了设置夹层情况下层间剪应力的变化规律。采用ansys软件对荷载应力和温度应力进行了系统的分析，充分考虑了传力杆对应力的影响。采用优化理论和遗传算法对典型结构的优选进行了研究，得到了不同输入参数下的典型结构优选方案。3. 当前复合式路面研究热点总结当前，针对复合式路面的研究，主要集中在以下几个方面：3

12、.1 复合式路面结构力学分析，多采用有限元分析软件，计算层间剪应力、沥青层压缩模量、刚性基层的受力、有上覆层的水泥板的温度应力等，采用断裂力学的方法，运用有限元分析软件abaqus分析了反射裂缝产生条件，裂缝的发展变化规律等。3.2 复合式路面层间反射裂缝的防治问题，主要是针对柔性+刚性复合式路面，研究较多，多是以室试验和实体工程试验路研究为主。3.3 复合式路面结构设计方法的探讨；分几类：1、采用等效厚度的方法，即将沥青层等效为一定厚度的水泥混凝土刚性基层，然后按照水泥路面的设计方法，等效基础，应力和应变等效，基于fwd的弯沉等效方法；2、当沥青层较薄时，在结构受力计算时，不考虑沥青层的作用

13、，只考虑功能层；3、按照荷载和温度应力作用下，路面结构的受力，采用弹性层状体系计算刚性基层的荷载和温度翘曲应力，根据温度梯度的变化计算分析沥青上覆层的所需的最小厚度，然后，对沥青层层底拉应力和层间剪应力进行验算，层间剪应力验算目的是防治刚柔性层间发生剥离破坏、沥青层层底拉应力验算目的是防治沥青层开裂破坏。3.4 复合式路面施工技术研究，重点是层间防反层（应力吸收层的施工介绍较多）的施工技术研究文章较多。3.5 复合式路面典型结构研究，采用bisar程序计算复合式路面层间剪应力，然后讨论沥青层厚度、模量、轴载、界面层厚度、模量等对于层间剪应力的影响，采用ansys软件分析计算设置传力杆对于路面结

14、构层荷载应力和温度应力的影响，考虑传力杆有无和间距变化的影响。3.6 复合式路面经济性分析研究；主要是与传统的水泥路面和沥青路面结构进行对比，分析周期为全寿命周期费用的比较。4. 复合式路面研究存在的问题4.1 针对复合式路面结构力学分析和计算较多，但都不系统、深入和全面，都只是针对一个具体的路面结构，假设一些条件，采用某个分析软件进行计算和分析，各有侧重点，分析结果实用性不强，结论对于建立复合式路面力学分析模型基本没有帮助。4.2 目前仍无刚柔复合式路面的力学分析模型，水泥路面采用弹性地基上的小扰度薄板理论分析、沥青路面采用弹性层状体系理论，而对于刚柔复合式路面，目前尚无统一公认的力学分析模

15、型；此处目前空白，尚须着重研究。4.3 针对层间防反技术研究较多，这一块比较结论很多，但是总体感觉比较乱，东说东好，西说西好，成果可借鉴性、可信度，可操作性不强，需要进行归纳，总结，提炼，去粗存精，需要建立完善的刚柔复合式路面层间力学分析流程、层间剪应力典型曲线、剪应力指标、层间典型防反措施等。4.4 复合式路面典型结构的研究，目前，由于各研究分散，对于复合式路面结构缺乏系统的研究，导致复合式路面结构百花齐放，厚度、结构组合、层间措施，传力杆设置的等等千差万别，并没有形成一个完整的体系，也没有统一公认的做法，导致的后果就是，有些路修好了，但是，不知道好在哪里，是结构本身好，还是有其他原因，同样的结构能否在别的地方推广，是否同样的好；有些路坏了，不知道坏在哪里，同样的结构在别的地方修是否不会坏，不清楚。因此，需要对复合式路面的典型结构进行重点研究，统一认识，各结构层厚度的考虑、层间防反层的考虑，柔性面层和刚性基层的力学计算和分析，典型损坏的考虑及控制，设计指标，等等，最终建立复合式路面典型结构图谱，包括厚度、层间措施、结构组合、力学指标等等。4.5 复合式路面的长期性能观测及损坏模式研究；目前，我国各地都修建有一些复合