對(duì)舊水泥路面瀝青加鋪層抗剪切疲勞的探討
摘要：本文通過(guò)直道試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到剪切疲勞方程，對(duì)比分析舊水泥混凝土路面加鋪GSOG-20瀝青材料層與AC-20瀝青材料層抗剪切疲勞的效果，選出優(yōu)選方案。
關(guān)鍵詞：GSOG-20；標(biāo)準(zhǔn)軸載換算；疲勞方程
引言：
舊水泥路混凝土面加鋪瀝青路面時(shí)，由于舊水泥混凝土路面接縫(或裂縫)的存在，在行車荷載的作用下，舊水泥板在接縫(或裂縫)處將產(chǎn)生彎沉與彎沉差，從而使接縫(或裂縫)上的瀝青混凝土加鋪層經(jīng)受較大的剪切應(yīng)力，在反復(fù)的行車荷載作用下，瀝青混凝土面層將產(chǎn)生剪切疲勞破壞而開(kāi)裂即產(chǎn)生反射裂紋，故瀝青混凝土加鋪層有較大的抗剪切疲勞壽命對(duì)防止和延緩其反射裂紋的產(chǎn)生是非常重要的�，F(xiàn)通過(guò)室內(nèi)直道試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到瀝青混凝土加鋪層的抗剪切疲勞方程，在同等條件下(同樣的初始路表彎沉差)對(duì)比分析面層分別為GSOG-20瀝青材料層、AC-20瀝青材料層、AC-20瀝青材料層+玻璃纖維土工格柵3種加鋪方案抗剪切性能的優(yōu)劣。
1直道試驗(yàn)路鋪設(shè)
1.1水泥混凝土路面板施工
在澆注水泥混凝土路面板前，用水泥砂漿將基層抹平，然后分別對(duì)各板板端位置的下臥結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，使得所澆注的水泥混凝土板在該位置處形成脫空，由此當(dāng)輪載經(jīng)過(guò)該橫縫位置處時(shí)，相鄰板間能夠形成一定的彎沉差，進(jìn)而在瀝青材料層中產(chǎn)生豎向剪切應(yīng)力，形成剪切破壞效應(yīng)。在30m有效加載長(zhǎng)度范圍內(nèi)鋪設(shè)6塊C30水泥混凝土板，其中，水泥混凝土板的幾何尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）為4.3m×3m×0.2m。
1.2水泥混凝土板接縫彎層測(cè)試與傳感器的埋設(shè)
在水泥混凝土板澆注成型后，進(jìn)行了路面板接縫處彎沉測(cè)試，彎沉測(cè)點(diǎn)位置布置圖見(jiàn)圖1-1，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1-1。
為了準(zhǔn)確測(cè)量路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力變化，在水泥混凝土路面表面埋設(shè)了應(yīng)變片，位置在單輪底部正下方。進(jìn)行疲勞試驗(yàn)前，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，確保各通道數(shù)據(jù)穩(wěn)定且不會(huì)溢出。
影響接縫處瀝青加鋪層開(kāi)裂破壞的關(guān)鍵因素之一是接縫的平均彎沉及彎沉差。根據(jù)相關(guān)研究，影響平均彎沉主要因素在于板底基礎(chǔ)均勻支承狀況和路面板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，影響彎沉差的主要因素在于板底脫空和接縫傳遞荷載能力；有效地控制瀝青加鋪層開(kāi)裂破壞、延長(zhǎng)其使用壽命，應(yīng)將接縫處平均彎沉及彎沉差控制在某一臨界值以下。在美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)方法中，規(guī)定80KN標(biāo)準(zhǔn)軸載下接縫平均彎沉和彎沉差應(yīng)分別不超過(guò)0.36mm和0.05mm。在我國(guó)，因標(biāo)準(zhǔn)軸載為100KN，不能直接照搬美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，盡管目前尚無(wú)國(guó)家統(tǒng)一的彎沉控制標(biāo)準(zhǔn)，但不少地方借鑒國(guó)外規(guī)定和當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，提出了自身的彎沉控制標(biāo)準(zhǔn)，較為普遍的是平均彎沉值為0.42mm或0.45mm、彎沉差為0.06mm�！ �
北
圖1-1彎沉測(cè)點(diǎn)位置布置圖
對(duì)于本次直道試驗(yàn)路對(duì)比試驗(yàn)，本應(yīng)保證接縫平均彎沉和彎沉差達(dá)到上述要求，但由于試驗(yàn)周期要求緊，欲在短時(shí)間內(nèi)使得瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞現(xiàn)象（即達(dá)到使用末期狀況），對(duì)彎沉值的控制不能過(guò)于嚴(yán)格；同時(shí)，本試驗(yàn)項(xiàng)目的主要目的在于對(duì)比研究提出的瀝青材料與常規(guī)的AC-20材料的性能。因此，在試驗(yàn)路鋪設(shè)前，結(jié)合工程實(shí)踐，在上述彎沉控制條件基礎(chǔ)上適當(dāng)放松了接縫彎沉控制標(biāo)準(zhǔn)，要求瀝青層加鋪前接縫彎沉差控制在0.15mm以下。表1-1中數(shù)據(jù)表明，施工結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。由于施工中影響因素復(fù)雜，難以保證每條接縫彎沉達(dá)到同樣的數(shù)值。
1.3加鋪瀝青路面
修筑了兩種不同的路面結(jié)構(gòu)，在縫1和2處鋪設(shè)6cm厚的常規(guī)AC-20，在縫3處加鋪玻璃纖維土工格柵+6cm厚的常規(guī)AC-20，在縫4和5處鋪設(shè)6cm厚的GSOG-20。具體的材料層形式和層厚如圖1-2所示。注意，GSOG-20層鋪在彎沉和彎沉差較大的縫4和縫5處，支撐條件較差，在后面的分析中如果得到疲勞壽命較前兩者更大，則更能說(shuō)明GSOG-20抵抗剪切破壞的優(yōu)越性。
圖1-2試驗(yàn)路方案示意圖
2基于剪切疲勞損傷等效原則的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算
在現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于瀝青路面標(biāo)準(zhǔn)軸載換算公式是基于路表彎沉、整體性結(jié)構(gòu)層底部彎拉應(yīng)力損傷等效提出的，而對(duì)于在剪切型疲勞開(kāi)裂狀態(tài)下，由于疲勞損傷機(jī)制存在差異，我們不能直接照搬現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的辦法將直道試驗(yàn)中各級(jí)軸載下的累計(jì)作用次數(shù)換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)。在城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于瀝青結(jié)構(gòu)層底部彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力驗(yàn)算公式中的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)K值上可以反映出這種差異：
抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)（公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范）
�。�2-1）
剪切結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)（城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范）
(2-2）
公式中標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)Ne的指數(shù)實(shí)際反映了瀝青混合料在兩種疲勞加載方式（彎拉和剪切）下的疲勞性能差異。因此，影響瀝青加鋪層剪切疲勞破壞的應(yīng)為瀝青混合料的剪切疲勞性能，應(yīng)采用剪切疲勞損傷等效原則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算。
根據(jù)雙對(duì)數(shù)疲勞損傷方程形式，我們可以獲得基于控制剪應(yīng)變下瀝青混合料疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算公式：
�。�2-3）
式中為第i級(jí)荷載的作用次數(shù)，為其換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的次數(shù)，為第i級(jí)荷載作用下瀝青混合料剪應(yīng)變，為標(biāo)準(zhǔn)軸載100KN作用下瀝青混合料剪應(yīng)變，根據(jù)式（2-2）得m=6.7。
根據(jù)接縫處瀝青加鋪層路表彎沉差Δ可以將式（2-3）進(jìn)一步表示為：
�。�2-4）
為第i級(jí)荷載作用下瀝青加鋪層路表彎沉差，為標(biāo)準(zhǔn)軸載100KN作用下加鋪層路表彎沉差。
2-4式即為基于剪切疲勞損傷等效原則的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算公式。
3不同加鋪方案瀝青面層疲勞分析
利用式（2-4）和直道測(cè)試的彎沉差數(shù)據(jù)進(jìn)行剪切疲勞損傷等效基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)換算，由此得到縫1～5處瀝青加鋪層路表彎沉差各自隨標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)變化的規(guī)律。根據(jù)這一變化規(guī)律，針對(duì)公式（3-1）采用雙對(duì)數(shù)直線方程形式回歸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到各個(gè)接縫加鋪層彎沉差Δ隨標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)Ne的變化規(guī)律，公式中有關(guān)參數(shù)結(jié)果見(jiàn)表３-１～３。
�。�3-1）
式中回歸參數(shù)Δ0反映了加鋪層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后實(shí)際的初始彎沉差，而不是直道試驗(yàn)中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的初始路表彎沉差；回歸參數(shù)b反映了瀝青混合料及其加鋪層自身的疲勞損傷特性�！ �
表３-１式（３-１）中回歸參數(shù)結(jié)果（輪載作用在接縫北側(cè)時(shí)
表３-２式（３-１）中回歸參數(shù)結(jié)果（輪載作用在接縫南側(cè)時(shí)）
在對(duì)比分析不同瀝青混合料加鋪層疲勞壽命差異時(shí)，忽略瀝青混合料剛度的差異，即認(rèn)為在同一接縫處分別加鋪同樣厚度的瀝青層將獲得同樣的初始路表彎沉差，此時(shí)決定加鋪層疲勞壽命差異的因素主要為b值。根據(jù)表３-1和３-2，可以計(jì)算AC-20瀝青混合料加鋪層、AC-20瀝青混合料+玻璃纖維格柵加鋪層、GSOG-20瀝青混合料加鋪層的b值的平均值分別為b=0.102，0.058，0.042。
根據(jù)以上結(jié)果，對(duì)比前述三種瀝青加鋪結(jié)構(gòu)在同樣的初始路表彎沉差值結(jié)構(gòu)條件下，經(jīng)受荷載反復(fù)疲勞作用達(dá)到同樣的彎沉差情形時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)，設(shè)Δ/Δ0=1.5，由式3-1得此時(shí)三種加鋪結(jié)構(gòu)承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)次數(shù)分別為：
AC-20瀝青混合料加鋪層53次
AC-20瀝青混合料+玻璃纖維格柵加鋪層1086次
GSOG-20瀝青混合料加鋪層15586次
類似，可以對(duì)比該三種瀝青加鋪結(jié)構(gòu)在同樣的初始路表彎沉差值結(jié)構(gòu)條件下，經(jīng)受同樣次數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)軸載反復(fù)作用時(shí)各自的路表彎沉差比值Δ/Δ0。如設(shè)Ne=100萬(wàn)次，由式3-1得此時(shí)三種加鋪結(jié)構(gòu)的路表彎沉差比值Δ/Δ0分別為：
AC-20瀝青混合料加鋪層4.09
AC-20瀝青混合料+玻璃纖維格柵加鋪層2.23
GSOG-20瀝青混合料加鋪層1.79
上述對(duì)比結(jié)果表明，三種加鋪層結(jié)構(gòu)經(jīng)受同樣的荷載作用之后仍保持結(jié)構(gòu)支承性能最好的是GSOG-20瀝青混合料加鋪層即其具有最佳的抗荷載剪切疲勞效果，其次是AC-20瀝青混合料+玻璃纖維格柵加鋪層，最差的是AC-20瀝青混合料加鋪層。
4結(jié)語(yǔ)
水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土路面研究瀝青加鋪層的剪切疲勞效應(yīng)，在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算時(shí)，不能按現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)軸載換算方法，而應(yīng)基于剪切疲勞損傷等效原則進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸載換算。通過(guò)疲勞分析對(duì)比，GSOG-20瀝青混合料加鋪層較常規(guī)的AC-20瀝青混合料具有更優(yōu)異的抗荷載剪切疲勞效果，應(yīng)用GSOG-20瀝青混合料加鋪層是一種可靠的加鋪方案。
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