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舊路加寬瀝青路面緩裂結構與材料研究
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舊路加寬瀝青路面緩裂結構與材料研究
2022年08月10日    閱讀量:109620    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:基于舊路加寬改造工程中普遍存在的由于新舊路基不均勻沉降變形引起的加寬路面縱向開裂問題,提出了利用土工布及應力吸收層提高路面結構抗裂性能的緩裂路面結構及相應結構材料,并通過小梁彎曲疲勞試驗對各種抗裂結構的抗疲勞開裂性能進行研究。研究表明路基不均勻沉降對路面結構的抗疲勞開裂性能具有明顯負面影響,加劇了路面結構的疲勞破壞過程;在瀝青混合料下粘接土工布可以在一定程度上提高路面結構的抗開裂性能,而在此基礎上加鋪應力吸收層組成復合抗裂體系,可以使路面結構的抗開裂能力明顯提高。


關鍵詞: 舊路加寬;抗裂性能;緩裂路面結構


1. 引言

舊路加寬是指在舊路基礎上進行路基、路面結構的加寬擴建,增加路幅寬度或增加車道數,從而達到提高道路通行能力的目的 [1] 瀝青網sinoasphalt.com。隨著我國道路交通量的迅速增長,近年來越來越多的原有道路無法滿足通行能力的需要,舊路加寬改造可以在充分利用原有路基的同時提高道路的通行能力,目前已逐漸得到我國道路行業的普遍認可,相關的工程項目與科技研究也大量開展。


舊路加寬中,由于新舊路基土體本身固結程度不一致,原有路基固結沉降已趨于穩定,而新路基在結構自重及道路交通荷載作用下將不可避免地產生較大附加沉降變形,因此加寬道路在開放交通后的一段時間內,新舊路基頂面將產生不協調變形,對路面結構受力產生不利影響,造成加寬路面產生縱向裂縫等病害,從而降低加寬道路的使用性能,縮短道路使用壽命 [2] [3] [4] 。據調查,近年來國內進行舊路加寬改造的道路中的大多數加寬路面在使用期內出現了不同程度的縱向裂縫病害 [5] 。


目前國內針對舊路加寬工程的研究主要集中在新、舊路基不協調變形的預測及控制方面,例如周志剛利用有限單元法分析了自重應力作用下舊路加寬路基的應力應變規律 [6] 。吳瑞麟通過路面結構仿真計算,得出結論認為新舊路基產生的差異沉降將在新舊拼接面處路面結構中產生較大的附加應力 [7] 。黃國華等人基于加寬道路結構的研究分析結果,提出了土工格柵加筋與設置預留寬度等舊路加寬設計施工方法,以緩解新舊路基不協調變形的問題 [8] 。本文通過不同路面結構的疲勞開裂性能試驗研究,提出了能夠有效緩解加寬路面縱向開裂的路面結構。


2. 試驗方案

2.1. 路面結構方案


選取四種不同的抗裂路面結構形式,如圖1所示,并通過試驗對比分析四種不同結構的抗開裂性能。四種結構形式分別描述如下,其中用于應力吸收層的AC-5混合料采用橡膠瀝青,厚度為20 mm,模擬下面層的AC-20混合料采用90#道路石油瀝青,厚度為50 mm。

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結構I:AC-20;

結構II:AC-20 + 土工布;

結構III:AC-20 + 土工布 + AC-5;

結構IV:AC-20 + AC-5 + 土工布。


2.2. 試件成型方法


試驗研究統一采用先成型復合車轍試件,再切割車轍試件制成小梁試件的試件成型方法,兩種混合料之間、土工布與瀝青混合料之間統一采用熱橡膠瀝青進行粘接,所有粘接均在復合車轍試件成型過程進行。復合車轍按照《JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中的標準方法成型,平面尺寸為300 mm × 300 mm;四種抗裂結構的小梁試件尺寸如表1所示。

表1. 小梁試件尺寸

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2.3. 疲勞開裂試驗方案


為分析路基縱向不均勻沉降對路面結構層開裂性能的影響,采用如圖2所示的兩種不同的試驗模式。瀝青混合料小梁試件下對稱粘接兩塊鋼板,模擬半剛性基層對面層的作用,鋼板間的縫隙模擬半剛性基層開裂后的作用效果。鋼板下采用兩點支撐,以跨中加載方式進行疲勞試驗,如圖2(a)所示。為模擬新舊路基不同壓實度及不均勻沉降的作用效果,在試驗過程中將面層結構下的一塊鋼板替換為成橡膠塊,通過試件兩側支撐剛度的不同模擬新舊路基的不同壓實效應及不均勻沉降的影響,如圖2(b)所示。


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圖2. 疲勞試驗模式示意圖


疲勞試驗采用應力控制式,試驗前預先對各種抗裂結構小梁試件進行三點加載抗彎強度試驗,根據強度試驗結果按疲勞試驗應力水平計算疲勞試驗加載應力大小。詳細疲勞試驗方案如下。


試驗溫度:25℃;

加載波形:半正弦波;

加載頻率:10 Hz;

應力水平:0.3,0.4,0.5;

破壞準則:試件完全斷裂。


3. 試驗結果及分析

3.1. 疲勞試驗結果


通過試驗得到四種不同抗裂結構在兩種不同試驗模式下的疲勞壽命,試驗過程如圖3所示,試驗結果匯總于表2。

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圖3. 疲勞試驗過程

表2. 疲勞試驗結果

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3.2. 不同試驗模式的試驗結果對比分析


不同抗裂結構在兩種不同的試驗模式下的疲勞試驗結果對比如圖4所示。從圖中可以看出,試驗模式II下抗裂結構的疲勞壽命明顯小于試驗模式I下的疲勞壽命,相較于試驗模式I,在試驗模式II下,四種抗裂結構的疲勞壽命最大下降幅度分別為30%、16%、32%、54%。說明在考慮路基支承剛度與支承能力差異的情況下,兩側路基支承剛度與支承能力不均勻對路面結構的疲勞壽命將產生很大負面影響,路基不均勻沉降加劇了路面結構的疲勞破壞過程。

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圖4. 不同試驗模式下疲勞試驗結果對比

    

此外,從試驗模式對試驗結果的影響角度來看,四種抗裂結構在試驗模式II下的疲勞壽命相對于試驗模式I的平均下降幅度分別為22%、15%、26%、36%,說明試驗模式II對于含應力吸收層的結構III與結構IV的疲勞壽命影響更大,從而說明含應力吸收層的抗裂結構的抗疲勞開裂性能對于路基支承剛度與支承能力更為敏感,新舊路基支承剛度與支承能力不均勻對含應力吸收層的路面結構的抗裂性能將產生更大負面影響。


3.3. 不同抗裂結構的試驗結果對比分析


在兩種試驗模式下,四種不同抗裂結構的疲勞性能對比如圖5所示。通過圖5可以看出,四種不同結構的疲勞性能的優劣順序為結構IV > 結構III > 結構II > 結構I。結構III與結構IV的抗疲勞開裂性能較為接近;結構II的抗疲勞開裂性能略優于結構I,而結構III與結構IV的抗疲勞開裂性能明顯優于結構I與結構II。

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圖5. 不同抗裂結構疲勞試驗結果對比


在考慮路基支承剛度與支承能力不均勻的試驗模式II下,結構II、結構III與結構IV的最大疲勞壽命分別是結構I疲勞壽命的1.5倍、6.0倍、6.3倍,說明設置土工布與應力吸收層對路面抗疲勞開裂性能均有一定的提高效果,其中單獨采用土工布對抗裂性能的提高效果相對較差,而應力吸收層對抗裂性能的提高效果相對較好,綜合使用土工布與應力吸收層的結構在抗裂性能方面非常突出。


4. 結論

綜合以上研究,得出以下兩點結論:


1) 在考慮兩側路基支承剛度與支承能力不均勻的舊路加寬工程實際情況下,路面結構的疲勞壽命相較于均勻支承情況有很大衰減。路基不均勻沉降對路面結構的抗疲勞開裂性能具有明顯負面影響,加劇了路面結構的疲勞破壞過程。


2) 在瀝青混合料下粘接土工布可以在一定程度上提高路面結構的抗開裂性能,而在此基礎上加鋪應力吸收層組成復合抗裂體系,可以使結構的抗開裂能力明顯提高。建議在舊路加寬改造實際工程中采用土工布與應力吸收層復合的技術手段,有效緩解加寬路面的縱向開裂問題。


參考文獻

[1]陳亮, 唐承耀, 劉軍勇. 道路拓寬改建常見病害與路基拼接技術研究[J]. 土工基礎, 2015(3): 62-65.

[2]樊金山, 吳瑞麟, 雷自強, 等. 拓寬路基新老路面搭接仿真[J]. 土木工程與管理學報, 2012, 29(4): 55-58.

[3]傅珍, 王選倉, 陳星光, 等. 高速公路拓寬差異沉降對路面結構的影響[J]. 長安大學學報(自然科學版), 2008, 28(3): 36-39.

[4]翁效林, 高建華, 宋文佳, 等. 基于拓寬路面附加變形的地基差異沉降控制標準[J]. 長安大學學報(自然科學版), 2013, 33(5): 26-31.

[5]翁效林, 張超, 李常樂, 等. 差異沉降對路面結構附加變形影響的大比尺模型試驗[J]. 中國公路學報, 2013, 26(4): 1-6.

[6]周志剛, 鄭健龍. 老路拓寬設計方法的研究[J]. 長沙交通學院學報, 1995(3): 50-56.

[7]吳瑞麟, 樊金山, 顏昌清, 等. 拓寬路基不同沉降形態下瀝青路面結構仿真[J]. 華中科技大學學報(自然科學版), 2012, 40(9): 76-80.

[8]黃國華, 呂貴賓. 高速公路拼接加寬路基損壞及處治技術研究[J]. 公路工程, 2012, 37(4): 231-234.

來源:土木工程, 2018, 7(3):

作者: 張 巍*, 滕海冰*, 陳 超:黑龍江省龍交工程檢測加固有限公司,黑龍江 哈爾濱;侯繼文, 孫長虹:黑龍江省高速公路建設局,黑龍江 哈爾濱;吳自濤:黑龍江省八達路橋建設有限公司,黑龍江 哈爾濱

標簽:今日頭條,綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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