舊水泥路面瀝青加鋪層間水穩(wěn)定性分析＊

袁玉卿 王選倉

（河南大學土木建筑學院1） 開封 475004） （長安大學公路學院2） 西安 710064）

舊水泥路面瀝青加鋪是一種常用的路面大修方式，但是新加鋪的瀝青面層很容易產生裂縫、剝落等破壞現(xiàn)象.為此，國內外的專家從舊板處治、層間材料、面層材料、層間力學等角度進行了研究和實踐［1－3］，但是，到目前為止仍然沒有很好的解決罩面層脫落起皮等問題.孫立軍教授對瀝青路面層間水損進行了研究，認為瀝青層間結合面的軟弱夾層成為了最好的蓄水層，損壞往往首先從這些薄弱帶發(fā)生并擴展［4］.如果路面結構防排水不力，水就會滲入到路面裂縫中，在車載作用下形成動水壓力；在季凍性地區(qū)的冬季，滲到裂縫中的水結冰膨脹形成較強的凍脹力.這2種力主要取決于水的量，當水的量達到一定程度時，其破壞速度驚人［5］.在理論分析的基礎上，進行層間水損壞實驗研究，探索層間水穩(wěn)定性問題.

1 層間動水力的影響分析

1.1 動水作用模型建立

建立路表水－車輪－路面系統(tǒng)，見圖1.

如果以輪胎為靜止參照系，則路面和水膜以相對速度高速前進，如圖2所示，方向與輪胎前進的方向相反.水膜變成楔子狀，進入胎面內［6－7］.輪胎微面為平板狀，傾角非常小，從前方進入的水被路面和胎面的后端擋住.

圖1 路表水－輪胎－路面系統(tǒng)

圖2 動水壓力形成機理模型

這時水的流線如圖3所示，在水流的停滯點處產生的動水壓力pd，根據(jù)伯努利方程可得出水的動壓pd為

式中：pd為動水壓強，Pa；ρ為水的密度，kg／m3；v為車輛的行駛速度，m／s.

圖3 高壓水流線及停滯點

1.2 動水壓強分析

雨中行車的水漂（滑水）現(xiàn)象使車速受到限制，因此應首先研究滑水時的極限速度.輪胎面的接地壓強在中心部位最高，設此壓強為pc，而且等于內壓pn的1.55倍，即

若路面水的動壓強pd比輪胎接地中心部位的壓強pc還要高，那么輪胎就會完全浮起來.因此，發(fā)生完全滑水現(xiàn)象的條件為

由式（1）及式（2）得

考慮量綱關系，可得改進的Horne公式

式中：vp為最小極限滑水速度，km／h；p為輪胎內氣壓，MPa.

根據(jù)式（5）及當今的輪胎內壓調查［8］繪制成圖4.

圖4 最小極限滑水速度與輪胎壓強的關系

由圖4可見，輪胎的壓強越低越容易發(fā)生滑水現(xiàn)象，而隨輪胎壓強的增加，最小極限滑水速度也不斷增加.目前道路上的大胎壓車輛比較多，在路況較好的情況下，車輛在雨中可以快速行駛，這就為動力水的破壞提供了更多的機會.

取水的密度為ρ＝1 000kg／m3，變換式（1）中的單位可得：

式中：pd為動水壓，MPa；v為車輛的行駛速度，km／h.

根據(jù)式（6）可得到動水壓的理論計算值，繪制如圖5.

圖5 動水壓的理論計算值

路表面水在停滯點的動水壓pd隨車速v的增大而二次方增大，由圖5可知，當行車速度分別為80，100，120km／h時動水壓分別為0.246，0.385，0.554MPa.

1.3 動水層間作用分析

如圖6，假定水流停滯點水壓為pA，數(shù)值上等于動水壓pd與大氣壓之和，而此點水的流速vA＝0.若加鋪層厚度為h，假設層間內部沒有破壞僅有路表面處開口，因此層間內某點B處水的流速vB＝0，水的壓強為pB.以層間所在的水平面為基準面，由伯努利方程可得

由式（8）知，當加鋪層厚度h＝10cm，行車速度分別為80，100，120km／h時層間動水壓pB分別為0.348，0.487，0.656MPa.當加鋪層厚度h＝20cm，行車速度分別為80，100，120km／h時層間動水壓pB分別為0.349，0.488，0.657MPa.

圖6 動水層間作用分析

層間水和路表面水通過裂縫或大的空隙相連，路表面水的動水力通過裂縫作用于層間.低等級道路行車速度不高，在路表面所造成的動水壓不大，但是在高等級公路上車速可以達到120km／h以上，所產生的動水壓力可以達到低等級道路的幾倍，在夏天高溫多雨的條件下動水力對路面的破壞尤其顯著.

2 層間靜水穩(wěn)定性試驗

2.1 復合試件設計

試件采用水泥混凝土與瀝青混凝土的復合體.水泥混凝土試件直徑D＝101.6mm、高度100mm，振動法成型，標準養(yǎng)生28d.瀝青混凝土馬歇爾試件，高度（63.5±1.3）mm，輕型擊實.然后采用SBS改性瀝青、玻纖格柵將水泥混凝土試件和瀝青馬歇爾試件粘結在一起形成復合試件.采用JHY－A結構材料剪切儀進行試驗.

2.2 浸水直剪試驗

為了研究舊水泥路面瀝青加鋪結構在水的作用下，層間粘結強度發(fā)生的變化，采用浸水與非浸水復合試件進行對比試驗［9－10］.浸水試件在60℃水中分別保持24h和48h，并在25℃水浴中保溫2h.然后在25℃室溫下，以30mm／min速率進行直接剪切試驗，結果見圖7.

圖7 浸水試件直剪試驗曲線

由圖7可見，首先層間位移與剪力共同增大，達到剪力的極大值時層間開始發(fā)生滑移破壞，然后剪力減小、位移繼續(xù)增大，直至剪切設備難以加上荷載、位移達到最大值，則說明結構破壞.浸水48h試件首先發(fā)生破壞，然后是浸水24h試件破壞，最后是未浸水試件.

由圖7可見，層間發(fā)生滑移破壞時，浸水24h復合試件的層間剪力和位移分別是未浸水試件的51.4%，85.2%；浸水48h復合試件的層間剪力和位移分別是未浸水試件的35.6%，47.7%；浸水48h復合試件的層間剪力和位移分別是浸水24h試件的69.2%，56%.層間變形終止時，24h浸水、48h浸水試件分別比未浸水試件剪力降低了39.3%，66.3%；48h浸水試件比24h浸水試件剪力降低了44.6%.計算可知未浸水、24h浸水、48h浸水試件的層間抗剪強度分別為0.34，0.17及0.12MPa；24h浸水、48h浸水試件分別比未浸水試件的強度降低了50%，64.6%；48h浸水試件比24h浸水試件降低了29.4%.

試驗表明：由于浸水作用，層間材料的性能發(fā)生了變化，層間結合能力被削弱，最終導致層間抗剪強度降低，浸水時間越長層間結構越容易發(fā)生破壞.

2.3 凍融直剪試驗

為了研究舊水泥路面瀝青加鋪層間結構在凍融作用下，層間粘結強度發(fā)生的變化，采用凍融與未凍融復合試件進行對比試驗.復合試件在－18℃保持16h，然后60℃水浴24h，最后25℃保溫2h.剪切時溫度為25℃，速率為30mm／min，結果見圖8.

圖8 凍融試件直剪試驗曲線

由圖8可見，首先層間位移與剪力共同增大，達到剪力的極大值時層間開始發(fā)生滑移破壞，然后剪力減小、位移繼續(xù)增大，直至剪切設備難以加上荷載、位移達到最大值，則說明結構破壞.凍融試件首先發(fā)生破壞，然后是未凍融試件.達到位移的最大值時，二者所能承擔的層間力由大到小依次為未凍融試件、凍融試件.

由圖8可見，層間發(fā)生滑移破壞時，凍融復合試件的層間剪力和位移分別是未凍融試件的41.0%，54.5%；剪力和位移分別降低了59.0%，45.5%.層間變形終止時，凍融試件是未凍融試件剪力值的38.8%，降低了61.2%.計算可知未凍融及凍融試件的層間抗剪強度分別為0.34，0.14 MPa，凍融后的強度是未凍融試件的41.2%，降低了58.8%.

試驗說明：由于凍融作用，層間材料被部分破壞，層間結合能力被削弱，最終導致層間抗剪強度降低.

3 結 論

1）路表動水壓強隨著行車速度的增加而增大，與車速2次方成正比，當行車速度分別為80，100，120km／h時動水壓分別為0.246，0.385，0.554MPa.

2）層間動水壓強主要由路表水流停滯點的動水壓強決定，當加鋪層厚度h＝10cm，行車速度為80，120km／h時層間動水壓分別為0.348，0.487，0.656MPa.

3）水的浸浴作用可導致層間結構強度降低，浸水時間越長層間結構越容易發(fā)生破壞.計算可知：24h浸水、48h浸水試件分別比未浸水試件的強度降低了50%，64.6%，48h浸水試件比24h浸水試件降低了29.4%.

4）凍融作用可導致層間材料部分破壞，層間結合能力削弱，層間結構強度降低，凍融后的強度降低了58.8%，層間破壞時所能承受的剪力值降低了59.0%.

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