對舊水泥路面瀝青加鋪層抗剪切疲勞的探討
摘要：本文通過直道試驗數(shù)據(jù)回歸得到剪切疲勞方程，對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。
關鍵詞：GSOG-20；標準軸載換算；疲勞方程
引言：
舊水泥路混凝土面加鋪瀝青路面時，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)受較大的剪切應力，在反復的行車荷載作用下，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防止和延緩其反射裂紋的產(chǎn)生是非常重要的。現(xiàn)通過室內(nèi)直道試驗數(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直道試驗路鋪設
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，然后分別對各板板端位置的下臥結構進行處理，使得所澆注的水泥混凝土板在該位置處形成脫空，由此當輪載經(jīng)過該橫縫位置處時，相鄰板間能夠形成一定的彎沉差，進而在瀝青材料層中產(chǎn)生豎向剪切應力，形成剪切破壞效應。在30m有效加載長度范圍內(nèi)鋪設6塊C30水泥混凝土板，其中，水泥混凝土板的幾何尺寸（長×寬×厚）為4.3m×3m×0.2m。
1.2水泥混凝土板接縫彎層測試與傳感器的埋設
在水泥混凝土板澆注成型后，進行了路面板接縫處彎沉測試，彎沉測點位置布置圖見圖1-1，測試結果見表1-1。
為了準確測量路面結構內(nèi)部的應力變化，在水泥混凝土路面表面埋設了應變片，位置在單輪底部正下方。進行疲勞試驗前，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行調(diào)試，確保各通道數(shù)據(jù)穩(wěn)定且不會溢出。
影響接縫處瀝青加鋪層開裂破壞的關鍵因素之一是接縫的平均彎沉及彎沉差。根據(jù)相關研究，影響平均彎沉主要因素在于板底基礎均勻支承狀況和路面板結構強度，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裂破壞、延長其使用壽命，應將接縫處平均彎沉及彎沉差控制在某一臨界值以下。在美國瀝青協(xié)會設計方法中，規(guī)定80KN標準軸載下接縫平均彎沉和彎沉差應分別不超過0.36mm和0.05mm。在我國，因標準軸載為100KN，不能直接照搬美國標準，盡管目前尚無國家統(tǒng)一的彎沉控制標準，但不少地方借鑒國外規(guī)定和當?shù)毓こ探?jīng)驗，提出了自身的彎沉控制標準，較為普遍的是平均彎沉值為0.42mm或0.45mm、彎沉差為0.06mm。
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圖1-1彎沉測點位置布置圖
對于本次直道試驗路對比試驗，本應保證接縫平均彎沉和彎沉差達到上述要求，但由于試驗周期要求緊，欲在短時間內(nèi)使得瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞現(xiàn)象（即達到使用末期狀況），對彎沉值的控制不能過于嚴格；同時，本試驗項目的主要目的在于對比研究提出的瀝青材料與常規(guī)的AC-20材料的性能。因此，在試驗路鋪設前，結合工程實踐，在上述彎沉控制條件基礎上適當放松了接縫彎沉控制標準，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，施工結果達到了預期目標。由于施工中影響因素復雜，難以保證每條接縫彎沉達到同樣的數(shù)值。
1.3加鋪瀝青路面
修筑了兩種不同的路面結構，在縫1和2處鋪設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，則更能說明GSOG-20抵抗剪切破壞的優(yōu)越性。
圖1-2試驗路方案示意圖
2基于剪切疲勞損傷等效原則的標準軸載換算
在現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范中關于瀝青路面標準軸載換算公式是基于路表彎沉、整體性結構層底部彎拉應力損傷等效提出的，而對于在剪切型疲勞開裂狀態(tài)下，由于疲勞損傷機制存在差異，我們不能直接照搬現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范中的辦法將直道試驗中各級軸載下的累計作用次數(shù)換算為標準軸載累計作用次數(shù)。在城市道路設計規(guī)范中關于瀝青結構層底部彎拉應力和剪應力驗算公式中的結構強度系數(shù)K值上可以反映出這種差異：
抗拉強度結構系數(shù)（公路瀝青路面設計規(guī)范）
（2-1）
剪切結構強度系數(shù)（城市道路設計規(guī)范）
(2-2）
公式中標準軸載累計次數(shù)Ne的指數(shù)實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為瀝青混合料的剪切疲勞性能，應采用剪切疲勞損傷等效原則進行標準軸載換算。
根據(jù)雙對數(shù)疲勞損傷方程形式，我們可以獲得基于控制剪應變下瀝青混合料疲勞性能的標準軸載換算公式：
�。�2-3）
式中為第i級荷載的作用次數(shù)，為其換算為標準軸載的次數(shù)，為第i級荷載作用下瀝青混合料剪應變，為標準軸載100KN作用下瀝青混合料剪應變，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）進一步表示為：
�。�2-4）
為第i級荷載作用下瀝青加鋪層路表彎沉差，為標準軸載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準軸載換算公式。
3不同加鋪方案瀝青面層疲勞分析
利用式（2-4）和直道測試的彎沉差數(shù)據(jù)進行剪切疲勞損傷等效基礎上的標準軸載次數(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準軸載次數(shù)變化的規(guī)律。根據(jù)這一變化規(guī)律，針對公式（3-1）采用雙對數(shù)直線方程形式回歸試驗數(shù)據(jù)，得到各個接縫加鋪層彎沉差Δ隨標準軸載累計次數(shù)Ne的變化規(guī)律，公式中有關參數(shù)結果見表３-１～３。
�。�3-1）
式中回歸參數(shù)Δ0反映了加鋪層結構穩(wěn)定后實際的初始彎沉差，而不是直道試驗中現(xiàn)場測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)結果（輪載作用在接縫北側時
表３-２式（３-１）中回歸參數(shù)結果（輪載作用在接縫南側時）
在對比分析不同瀝青混合料加鋪層疲勞壽命差異時，忽略瀝青混合料剛度的差異，即認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)以上結果，對比前述三種瀝青加鋪結構在同樣的初始路表彎沉差值結構條件下，經(jīng)受荷載反復疲勞作用達到同樣的彎沉差情形時的標準軸載累計次數(shù)，設Δ/Δ0=1.5，由式3-1得此時三種加鋪結構承受的標準軸載累計次數(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，可以對比該三種瀝青加鋪結構在同樣的初始路表彎沉差值結構條件下，經(jīng)受同樣次數(shù)的標準軸載反復作用時各自的路表彎沉差比值Δ/Δ0。如設Ne=100萬次，由式3-1得此時三種加鋪結構的路表彎沉差比值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
上述對比結果表明，三種加鋪層結構經(jīng)受同樣的荷載作用之后仍保持結構支承性能最好的是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結語
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，在進行標準軸載換算時，不能按現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范中的標準軸載換算方法，而應基于剪切疲勞損傷等效原則進行標準軸載換算。通過疲勞分析對比，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，應用GSOG-20瀝青混合料加鋪層是一種可靠的加鋪方案。
參考文獻
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