袁玉卿 王選倉

（河南大學(xué)土木建筑學(xué)院1） 開封 475004） （長安大學(xué)公路學(xué)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(chǎn)生裂縫、剝落等破壞現(xiàn)象.為此，國內(nèi)外的專家從舊板處治、層間材料、面層材料、層間力學(xué)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(chǔ)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(nèi)［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(chǎn)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(yīng)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(shè)此壓強為pc，而且等于內(nèi)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(guān)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(nèi)氣壓，MPa.

根據(jù)式（5）及當今的輪胎內(nèi)壓調(diào)查［8］繪制成圖4.

圖4 最小極限滑水速度與輪胎壓強的關(guān)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(shè)層間內(nèi)部沒有破壞僅有路表面處開口，因此層間內(nèi)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(chǎn)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(fù)合試件設(shè)計

試件采用水泥混凝土與瀝青混凝土的復(fù)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(jié)在一起形成復(fù)合試件.采用JHY－A結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在水的作用下，層間粘結(jié)強度發(fā)生的變化，采用浸水與非浸水復(fù)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(jié)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(shè)備難以加上荷載、位移達到最大值，則說明結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)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(fù)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(jié)合能力被削弱，最終導(dǎo)致層間抗剪強度降低，浸水時間越長層間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在凍融作用下，層間粘結(jié)強度發(fā)生的變化，采用凍融與未凍融復(fù)合試件進行對比試驗.復(fù)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(jié)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(shè)備難以加上荷載、位移達到最大值，則說明結(jié)構(gòu)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(fù)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(jié)合能力被削弱，最終導(dǎo)致層間抗剪強度降低.

3 結(jié) 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(dǎo)致層間結(jié)構(gòu)強度降低，浸水時間越長層間結(jié)構(gòu)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(dǎo)致層間材料部分破壞，層間結(jié)合能力削弱，層間結(jié)構(gòu)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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