舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層疲勞壽命計(jì)算

付李

（山東省棗莊市公路勘察設(shè)計(jì)院）

舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層疲勞壽命計(jì)算

付李

（山東省棗莊市公路勘察設(shè)計(jì)院）

瀝青加鋪層的疲勞壽命計(jì)算是瀝青加鋪層設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，由于實(shí)際路況受多種因素的影響，若要準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際加鋪層的使用壽命難度很大。本文根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，基于路面力學(xué)理論模型，采用斷裂力學(xué)理論對(duì)路面反射裂縫的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行分析，從而建立預(yù)測(cè)瀝青加鋪層使用壽命的設(shè)計(jì)方程提供合理的理論依據(jù)。

瀝青加鋪層 疲勞壽命 計(jì)算

近年來(lái)，世界上許多國(guó)家對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行了大量的修復(fù)工作，其主要措施是在舊水泥混凝土路面板上加鋪瀝青面層，實(shí)際工程表明，若采取的處理措施不當(dāng)，舊水泥混凝土路面接縫或裂縫處的瀝青加鋪層極易產(chǎn)生反射裂縫。從斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，可以認(rèn)為其內(nèi)部原因主要是由于舊水泥混凝土路面的裂縫或接縫作為原始的缺陷存在引起的應(yīng)力集中所致。由于舊水泥混凝土路面板的裂縫和接縫處不能承受拉（彎拉）應(yīng)力及剪應(yīng)力（或抗剪能力較低），瀝青加鋪層承擔(dān)了該處大部分的拉（彎拉）應(yīng)力或剪應(yīng)力,在交通荷載及溫度應(yīng)力的反復(fù)作用下,瀝青加鋪層就會(huì)產(chǎn)生反射裂縫。

瀝青加鋪層的疲勞壽命計(jì)算是瀝青加鋪層設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，由于實(shí)際路況受多種因素的影響，若要準(zhǔn)確計(jì)算實(shí)際加鋪層的使用壽命難度很大。本文根據(jù)路面結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀況，基于路面力學(xué)理論模型，采用斷裂力學(xué)理論對(duì)路面反射裂縫的擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行分析，從而建立預(yù)測(cè)瀝青加鋪層使用壽命的設(shè)計(jì)方程提供合理的理論依據(jù)。

舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層疲勞壽命計(jì)算

反射裂縫的擴(kuò)展規(guī)律可以采用Paris方程進(jìn)行分析，即裂縫的擴(kuò)展速率與疲勞荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系式為：

反射裂縫的擴(kuò)展是由彎曲、剪切和溫度變化三種破壞形式同時(shí)作用的結(jié)果，我們可以將瀝青加鋪層反射裂縫的擴(kuò)展分成兩個(gè)獨(dú)立的階段。裂縫增長(zhǎng)的第一個(gè)階段相當(dāng)于三種破壞形式同時(shí)作用的情況，第二個(gè)階段只有剪切和溫度作用形式。

對(duì)于反射裂縫增長(zhǎng)的張開(kāi)和剪切形式下的擴(kuò)展，其初始裂縫長(zhǎng)度，最終裂縫長(zhǎng)度。其中，為舊水泥混凝土路面的厚度，為瀝青加鋪層的厚度。

1） 張拉模式下的疲勞荷載作用次數(shù)

在張拉情況下，反射裂縫的擴(kuò)展與疲勞荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系為：

下標(biāo)Ⅰ表明裂縫增長(zhǎng)的第一個(gè)階段。將 帶入上式中，可得

2） 剪切模式下的疲勞荷載作用次數(shù)

媒體上曝光的那些關(guān)于官場(chǎng)的負(fù)面新聞報(bào)道，在眼前一頁(yè)頁(yè)翻過(guò)，定格。比如前幾天市委就通報(bào)了兩起官員被妻子舉報(bào)的案件。

對(duì)于剪切形式的開(kāi)裂，可按照以下關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算

3） 溫度疲勞模式下的疲勞荷載作用次數(shù)

瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞的溫度循環(huán)作用次數(shù)為

式中Nft=(Nft)1=(Nft)2，(Nft)1和(Nft)2是裂縫擴(kuò)展的兩個(gè)階段中的每一個(gè)階段的溫度循環(huán)次數(shù)。

4） 荷載作用次數(shù)轉(zhuǎn)換為使用年限

如果已知某路段的平均日當(dāng)量交通量，那么就可以算出等價(jià)于使瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞的荷載作用次數(shù)的等效天數(shù)，定義為Nd，也就是我們所要求的瀝青加鋪層的疲勞壽命。需要注意的是，對(duì)應(yīng)于不同的道路破壞等級(jí)有不同的情況。

根據(jù)美國(guó)德克薩斯州所做的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果可知,由于溫度作用而使路面產(chǎn)生破壞所需的天數(shù)要明顯少于其他兩種破壞機(jī)理的作用。因此，可以認(rèn)為溫度是使瀝青加鋪層產(chǎn)生破壞的最主要的原因。因此，由于彎曲和剪切作用的影響，實(shí)際的疲勞壽命會(huì)小于Ndf。為了考慮這三種因素的共同影響，在次采用如下的簡(jiǎn)化模型來(lái)建立最終的設(shè)計(jì)方程式。

式中：Nobs——觀測(cè)到的反射裂縫壽命;

Ndt——由于溫度作用產(chǎn)生破壞所需的天數(shù);

Nob——由于彎曲作用產(chǎn)生破壞所需的天數(shù)。

Nds——由于剪切作用產(chǎn)生破壞所需的天數(shù)。

在以上的方程中并不需要單純地考慮裂縫產(chǎn)生的兩個(gè)階段，而是綜合考慮了這個(gè)影響，在理論上是可以成立的。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上的分析，我們?cè)诩愉仦r青層的路面結(jié)構(gòu)與其預(yù)期的使用壽命之間建立了一種相對(duì)有效的關(guān)系式。由此可以給出一種瀝青加鋪層厚度設(shè)計(jì)方法。其基本思路是，由預(yù)定的加鋪層預(yù)期使用壽命，也就是已知設(shè)計(jì)使用年限，以及原有路面結(jié)構(gòu)層狀況和所要加鋪瀝青層材料的特性，來(lái)反推所需加鋪瀝青層的厚度。我們也可利用以上結(jié)果檢驗(yàn)瀝青加鋪層設(shè)計(jì)是否合理。