半刚性基层沥青路面反射裂缝处治技术.pdf

总651期2023年第21期（7月 下）1 半刚性基层沥青路面反射裂缝成因路面半刚性基层建成后，其内部的物理、化学反应仍会持续一定的时间，基层材料强度和抗变形能力不断加强。由此可知，半刚性基层材料对外界环境的温度和荷载的变化较敏感1。反射裂缝的存在会破坏沥青混合料路面的连续性，削弱路面结构层的整体强度、耐久性等。半刚性基层沥青路面反射裂缝指沥青混合料内的裂缝在反复车辆荷载和温度荷载作用下，反射到路面形成的裂缝。一般将温度变化引起的反射裂缝称为温度型裂缝，把车辆荷载引起的反射裂缝称为荷载型裂缝，如图1所示。由于各地区的气候气象条件不同，交通量存在差异，半刚性基层反射裂缝可由温度引起，也可由车辆荷载引起，或兼而有之2。（a）温度引起的反射裂缝（b）荷载引起的反射裂缝图1 沥青路面反射裂缝机理1.1 温度型反射裂缝温度变化会在沥青混合料面层内引起拉应力，拉应力主要由以下三部分组成3：基层收缩变形在面层裂缝处产生的拉应力；沥青面层裂缝处会因低温收缩，从而约束基层在此处的开裂，在面层中产生附加应力；如果黏层油性能指标差，基层与面层黏结性不好，前两部分产生的拉应力会出现“应力松弛”，使应力减小。上述三部分应力在面层中随机叠加，总应力若超过面层抗拉强度，面层会出现开裂。1.2 荷载型反射裂缝车辆行驶经过裂缝位置时，荷载可能作用在裂缝一侧或裂缝正上方。当荷载作用在裂缝一侧时，裂缝两侧出现较大的相对位移，在沥青面层中产生剪应力；当荷载作用在裂缝正上方时，裂缝两侧相对位移可忽略不计，沥青面层受弯拉应力。同时，荷载驶离裂缝后，沥青面层中在此产生方向相反的剪应力。在车辆荷载经过裂缝的整个过程，沥青混合料面层可能受两次剪切或一次弯拉、一次剪切。2 半刚性基层沥青路面反射裂缝对路面结构的影响分析2.1 工程概况该高速公路全长 36.6 km，起讫桩号为 K0+000K36+600，设计速度为120 km/h，设计荷载为公路I级，横断面为双向4车道，宽27 m。沥青混合料路面结构厚72 cm（4 cm细粒式AC-13C+6 cm中粒式AC-20C+8 cm粗粒式AC-25+18 cm水稳碎石上基层+18 cm水稳碎石下基层+18 cm低剂量水稳碎石底基层）。同时，项目位于丘陵和平原接地带，大部分地形平坦，局部地形较陡，位于温带大陆性气候，年降雨量较大，多年平均降雨量约987 mm，主要集中在69月。公路在运营期间，路面出现各种反射裂缝，影响行车安全性和舒适度。2.2 计算模型建立软件ANSYS中将沥青混合料及基层材料视为均匀、连续、各向同性弹性体。同时，认为反射裂缝在计算深度内横向贯穿路面结构，无传递荷载能力。2.2.1 模型尺寸及网格划分模拟单元：利用软件ANSYS中内置的solid单元模拟路面结构层和路基，面层和基层界面设置为接触面，收稿日期：2022-12-15作者简介：陈志民（1973），男，山东东营人，高级工程师，从事路桥设计工作。半刚性基层沥青路面反射裂缝处治技术陈志民（山东交发工程设计咨询有限公司，山东 东营 257000）摘要：为保证沥青路面建设水平，从温度型反射裂缝和荷载型反射裂缝两方面分析半刚性基层沥青路面反射裂缝的成因，并以某高速公路项目为研究对象，利用有限元软件ANSYS建立模型，计算反射裂缝对路面结构受力的影响，探讨预切缝技术和应力吸收层混合料在半刚性基层沥青路面反射裂缝防治中的具体应用，供同类工程参考。关键词：半刚性基层；反射裂缝；处治技术；有限元分析中图分类号：U418文献标识码：B60交通世界TRANSPOWORLD屈服准则采用Drucker-Prager模型。模型尺寸：为减小边界条件对计算结果的影响，计算轮载取100 kN，模型宽度取路面宽的一半，纵向长度取1 m。模型左右两侧边界的切应力为0，对Y方向位移进行约束；模型底部边界完全约束，X/Y/Z方向均不产生位移4。网格划分：在兼顾模型计算精确度和计算速度的前提下，路面结构层采用正四面体单元，路基采用正六面体单元，面层单元格加密，尺寸取1 m，其他部位网格尺寸取2 m，共划分出3 628个单元，4 312个节点，见图2。图2 路面结构层和路基网格划分2.2.2 计算参数根据省内其它项目试验数据，在设计时路面结构和路基的计算参数取值见表1。表1 计算参数取值路面结构面层基层底基层路基厚度/mm180180180300泊松比0.300.250.250.30弹性模量/MPa2 2001 8001 500702.3 路面结构应力结果分析利用软件计算沥青混合料路面的半刚性基层和面层内的拉应力分布规律，计算结果见图3。横坐标范围表示面层顶部到基层底部的各个应力监测点，其中正数表示沥青面层，负数表示半刚性基层，零点为面层底部裂缝尖端点。图3 路面结构层拉应力计算结果由图3可知：在沥青路面的面层，无拉应力出现；在距离基层底面0 cm处，应力大幅增加，说明半刚性基层中贯通裂缝的存在会减小路面的有效横截面，使裂缝尖端处持续出现“应力集中”现象。同时，在半刚性基层内部，距裂缝尖端点越远，拉应力越大，且两者基本呈线性正相关关系。3 半刚性基层沥青路面反射裂缝处治措施3.1 预切缝技术预切缝技术是预先在半刚性基层中切割出规则间距、细小的裂缝，使切割缝比自然裂缝位移更小，以减小裂缝边缘的恶化速度，避免裂缝贯穿面层5。3.1.1 切缝间距确定半刚性基层的切缝间距越小，出现反射裂缝的概率越低，但不仅导致经济上的浪费，还增加了施工难度。合理切缝间距应满足三个条件：切缝上端面层底部的拉应力小于沥青混合料抗拉强度；切缝上端的应力强度因子小于沥青混合断裂韧度；基层最大拉应力小于基层极限抗拉强度。为合理确定切缝间距，应先计算出临界间距（上述三个条件均满足，且有一个条件恰好达到临界状态时的切缝间距）。3.1.2 切缝宽度确定切缝宽度由裂缝处位移决定，切缝宽度不宜小于裂缝处的位移。裂缝处位移计算见式（1）：Zx=Dx+Tx（1）式（1）中：Zx为裂缝处的总位移，单位 mm；Dx为裂缝处的拉压应力位移，单位mm；Tx为裂缝处的胀缩位移，单位mm。3.1.3 切缝设计方案经计算和咨询相关专家，切缝布置以横缝为主，布置宽度贯穿水稳碎石基层，切缝间距20 m，切缝深度取半刚性基层厚度的三分之一，切缝宽度0.5 cm，切割时间选在水泥稳定碎石基层施工完成 7 d 内。需注意，半刚性基层切缝后被切割成若干个板块，切缝处受力最弱，基层整体性能下降。此时建议采用热改性沥青及时灌缝，并在洒铺透层油前在切缝位置铺一层1m宽的土工布，并用U形锚钉固定。3.1.4 切缝施工要点预切缝技术处理反射裂缝的主要施工流程包括6：施工放样切缝清理切缝灌缝铺设土工布洒布透层油，其中切缝是最关键的。切缝尺寸、间距等应严格遵循设计方案，不得擅自变更。施工时应使用高强度合金钢片的新型混凝土切割机械，以加快施工进度，节约工程成本，取得良好的技术经济效益。3.2 应力吸收层技术3.2.1 应力吸收层力学机理在路面结构中，沥青面层与基层紧密相连，且面层是连续的、不能自由地收缩、翘曲。在车辆荷载和温度变61总651期2023年第21期（7月 下）化作用下，沥青面层底部会产生拉应力，从而在路面引起裂缝。而应力吸收层铺在面层中，面层底拉应力会挤压、拉伸或剪切应力吸收层结合料，应力吸收层结合料会表现出“弹性回缩效应”，从而防止裂缝扩展。3.2.2 应力吸收层材料胶结材料：项目采用的应力吸收层胶结材料为橡胶改性乳化沥青，具有较高弹性和低温延度。胶结材料的用量可利用磨耗试验与碾压试验确定，其轮磨耗试验可确定胶结料的最小用量，碾压试验可确定胶结料的最大用量。矿料：应力吸收层中的矿料要有一定的颗粒级配，以确保其密实度和稳定性。考虑到应力吸收层的摊铺厚度和强度，矿料最大粒径取9.5 mm，用4%的水泥作为填料。水：应力吸收层含水量由乳液中的水和外加水两部分组成，含水量会直接影响应力吸收层的施工和易性和强度。含水量过小，应力吸收层不便于摊铺，在拌和中易起团；含水量过大，应力吸收层在摊铺时稀浆易流失，乳液颗粒容易，成型后内部集料松散。可利用稠度试验，由稠度试验确定应力吸收层的外加水量。由以上试验确定的应力吸收层材料配合比如表 2所示。表2 应力吸收层配合比单位：%胶结材料15.518.5矿料100水464 半刚性基层沥青路面反射裂缝处治效果评价4.1 定性评价反射裂缝处治完成后，对路面裂缝进行了连续追踪。目前养护运营单位反馈路面仅局部有少量裂缝，可见应力吸收层和预切缝技术应用在半刚性基层沥青路面反射裂缝处治中效果良好，设计方案合理可行。4.2 定量评价平整度是评价路面行驶质量的关键指标，由 公路沥青路面施工规范（JTG F402004）可知，高速公路平整度标准差的要求为：上面层不大于1.2 mm、中面层不大于1.5 mm、下面层不大于1.8 mm。为检验路面反射裂缝处治效果，从高速公路右幅选2 km（K21+600K23+600）为检测路段，使用连续式平整度仪采集平整度数据，检测结果见图4。由图4可知：反射裂缝处治后沥青路面的平整度整体控制较好，标准差和变异系数均满足规范要求，但沥青路面平整度存在一定的变异性，且各层的变异性水平不同，上面层变异系数最小，中面层变异系数最大。5 结论本文主要研究了半刚性基层反射裂缝类型、成因等，以某高速公路项目为研究对象，探讨了反射裂缝处治措施及应用效果，主要得到以下结论：半刚性基层材料属于水硬性材料，在外界环境作用下可能出现温度型反射裂缝和荷载型反射裂缝；反射裂缝的存在会使路面有效横截面减小，裂缝尖端处出现应力集中现象，从而破坏沥青路面的连续性，降低路面整体强度；半刚性基层沥青路面反射裂缝处治措施可选择预切缝技术或应力吸收层，并进行技术和经济性比选。研究成果可为类似的沥青路面建设提供科学的理论指导。参考文献：1 单超，郑传峰，杨雪，等.半刚性基层沥青路面反射裂缝形成试验及扩展机理研究J.路基工程，2021（6）：69-74.2 黄立葵，张攀，胡志强，等.半刚性基层沥青路面温缩反射裂缝疲劳扩展分析J.公路工程，2020，45（5）：79-83.3 代科，马拉莫.沥青路面半刚性基层反射裂缝危害及预防措施J.交通世界，2020（Z1）：60-61.4 王胜难.半刚性基层沥青混凝土路面反射裂缝防治措施分析J.工程技术研究，2019，4（6）：126-127.5 徐琦，岳光华，姜帅，等.半刚性基层沥青路面反射裂缝的处治新技术J.中国市政工程，2018（6）：38-39，43.6 王雪莲，黄晓明，卞国剑.基于数值模拟的半刚性基层沥青路面反射裂缝扩展路径分析J.公路，2018，63（5）：1-6.图4 路面平整度检测结果62