玻璃纤维格栅在西北地区路面反射裂缝中的应用与研究
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摘要
反射裂缝问题是西北地区半刚性基层沥青路面病害中一个最为严重的问题，对这一问题已采取了很多措施，例如：使用改性沥青、调整材料级配等，但效果均不理想。根据西北地区气候特征以及路面病害特征，现引入新型材料——玻璃纤维格栅，以解决西北地区路面普遍存在的反射裂缝问题。
本文从理论分析、有限元计算以及实验三个方面入手，应用断裂力学理论论证了玻璃纤维格栅对半刚性基层沥青路面在温度荷载作用下的反射裂缝的作用。在分析计算中，主要考虑基层开裂前和基层开裂后两种情况下的温度应力场，对基层开裂后，裂缝尖端的应力强度因子进行了计算；对基层开裂前的温度应力场进行了室内小梁弯曲实验、劈裂实验、疲劳实验、压缩实验，结合有限元分析结果，论证了基层开裂前的温度应力场及格栅的最佳铺设位置；研究成果在宁夏古王路上进行了验证。
分析表明，对西北地区的气候特征而言，采取加铺具有高抗拉强度、低延伸率、高弹性模量、无长期蠕变、热稳定性好、与沥青相容性好、物理化学性质稳定、对沥青混合料集料起嵌锁作用的玻璃纤维格栅作为应力吸收层以吸收半刚性基层裂缝是非常有效的。计算、实验室试验及最终的现场试验表明，对试验路——宁夏古王高速公路而言，采取加铺玻璃纤维格栅来降低温缩型反射裂缝的措施是非常有效的，其铺设位置宜在基层顶。
The reflection crack is the most grievous disease in asphalt pavement on a semi-rigid type base course in the northwest area, according to this problem, many measures have been taken to, such as the SMA, to adjust the series of material, but the effect is not so good. Now according to the climate character of the northwest area and the character of the pavement disease, we introduce the new pattern material ——GLASGRID to solve the reflection crack problem of the Northwest area.
We demonstrated the effect of GLASGRID to the reflection cracks, which are produced under the temperature load in asphalt pavement on a semi-rigid type base course. In the paper, from the next three aspects to we demonstrated the argumentation: the theory analyses, the finite element account, experimentation. In the account and analyses, we take into account the temperature stress in the cases: the base course is not cracking and the base course has been cracked. According to case of the base course cracked, the stress intensity factor of crack tip has been counted. According to case of the base course not cracked, the bend experimentation, the snap experimentation, the fatigue experimentation and the compress experimentation have been done, in addition, according to the latter, the finite element analyses have been done to demonstrated the temperature stress and the prime location of the GLASGRID.
To the northwest area climate, to use the GLASGRID which has the next characters: the high tensile strength, the low elongation, the high modulus of elasticity and so on, to absorb the crack of asphalt pavement on a semi-rigid type
base course is very effective.The results of the accounts and the experimentation indicate: to the test-road——Ning Xia Gu Wang express way, use the GLASGRID to the temperature stress is effective, the location of the GLASGRID is better on the tip of the base course.
本文从理论分析、有限元计算以及实验三个方面入手，应用断裂力学理论论证了玻璃纤维格栅对半刚性基层沥青路面在温度荷载作用下的反射裂缝的作用。在分析计算中，主要考虑基层开裂前和基层开裂后两种情况下的温度应力场，对基层开裂后，裂缝尖端的应力强度因子进行了计算；对基层开裂前的温度应力场进行了室内小梁弯曲实验、劈裂实验、疲劳实验、压缩实验，结合有限元分析结果，论证了基层开裂前的温度应力场及格栅的最佳铺设位置；研究成果在宁夏古王路上进行了验证。
分析表明，对西北地区的气候特征而言，采取加铺具有高抗拉强度、低延伸率、高弹性模量、无长期蠕变、热稳定性好、与沥青相容性好、物理化学性质稳定、对沥青混合料集料起嵌锁作用的玻璃纤维格栅作为应力吸收层以吸收半刚性基层裂缝是非常有效的。计算、实验室试验及最终的现场试验表明，对试验路——宁夏古王高速公路而言，采取加铺玻璃纤维格栅来降低温缩型反射裂缝的措施是非常有效的，其铺设位置宜在基层顶。
The reflection crack is the most grievous disease in asphalt pavement on a semi-rigid type base course in the northwest area, according to this problem, many measures have been taken to, such as the SMA, to adjust the series of material, but the effect is not so good. Now according to the climate character of the northwest area and the character of the pavement disease, we introduce the new pattern material ——GLASGRID to solve the reflection crack problem of the Northwest area.
We demonstrated the effect of GLASGRID to the reflection cracks, which are produced under the temperature load in asphalt pavement on a semi-rigid type base course. In the paper, from the next three aspects to we demonstrated the argumentation: the theory analyses, the finite element account, experimentation. In the account and analyses, we take into account the temperature stress in the cases: the base course is not cracking and the base course has been cracked. According to case of the base course cracked, the stress intensity factor of crack tip has been counted. According to case of the base course not cracked, the bend experimentation, the snap experimentation, the fatigue experimentation and the compress experimentation have been done, in addition, according to the latter, the finite element analyses have been done to demonstrated the temperature stress and the prime location of the GLASGRID.
To the northwest area climate, to use the GLASGRID which has the next characters: the high tensile strength, the low elongation, the high modulus of elasticity and so on, to absorb the crack of asphalt pavement on a semi-rigid type
base course is very effective.The results of the accounts and the experimentation indicate: to the test-road——Ning Xia Gu Wang express way, use the GLASGRID to the temperature stress is effective, the location of the GLASGRID is better on the tip of the base course.
引文
1 郑健龙、张起森. 半刚性基层反射裂缝及其应力强度因子的有限元分析. 岩土工程学报. 1990年第3期
2 沙庆林。 论半刚性基层沥青路面的裂缝.交通部公路研究所. 1989年12月
3 张登良等. 沥青混合料低温抗裂性能的研究.西安公路学院研究报告. 1986.6
4 张起森、刘益河. 沥青路面开裂机理分析及试验研究. 长沙交通学院学报. 1988.第2期
5 张起森、郑健龙. 半刚性基层沥青路面断裂应力计算及开裂机理分析. 长沙交通学院路桥设计研究所. 1990.10
6 李灏、陈树坚.断裂力学基础. 四川人民出版社.1983
7 沈蒲生. 结构分析的计算方法。湖南科学技术出版社.1985. P413-417
8 张行. 断裂力学中应力强度因子底解法. 国防工业出版社。 1992
9 黎军、林延鹏. 土工格栅（网格）在公路边坡防护及路基中的应用. 公路.2000.年9月 第9期
10 曹东伟、胡长顺、曹景民、周发运. 水泥混凝土路面沥青加铺层板缝弯沉指标底试验研究. 西安公路交通大学学报. 1999年1月
11 郭忠印、潘正中. 土工织物在路面工程中的应用技术综述. 公路. 2000年9月
12 何兆益. 碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究. 东南大学博士论文. 1997.1
13 胡长顺、曹东伟、刘悦、王江帅、曹景民. 土工织物在PCC-AC结构中应用的理论与实践. 公路.2000年9月 第9期
14 吴赣昌. 层状路面提醒温度场分析. 中国公路学报. 1992年 第5卷 第4期
15 吴赣昌. 层状路面结构温度应力分析.中国公路学报.1993年 第6卷 第4期
16 曹东伟、郝大力、韩瑞民. 土工网格加强沥青砼路面结构的力学分析. 重庆交通学院学报. 2000年3月 第19卷 第一期. P47～51
17 邓有左. 半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施. 公路. 2001.6 第6期
18 易志坚、吴国雄、周志祥、杨庆国、周水兴、巫祖烈. 基于断裂力学原理的水泥砼路面破坏过程分析及路面设计新构想. 重庆交通学院学报.
19 郑健龙、关宏信. 温缩型反射裂缝的热粘弹性有限元分析. 中国公路学报. 2001.7 第14卷 第3期
20 胡长顺、曹东伟. 有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析.中国公路学报. 1999.5 第12卷增刊
21 张毛凤. 玻璃纤维格栅在路面工程中的应用. 山东建材学院学报. 1998年3月
22 张帆编译. 道路用玻璃纤维格栅简介. 国外公路. 1996（4）. 48～49
23 张圣城、 张晓冰. 土工格栅的特性及其应用实例. 国外公路. 1994（1）32～41
24 周富杰、胡圣. 反射裂缝产生和发展的机理. 国外公路. 1997（2） 12～14
25 黄卫、钱振东. 高等沥青路面设计理论与方法. 科学出版社.
26 龚晓南、叶黔元、徐日庆. 工程材料本构方程. 中国建筑工业出版社.
27 杨秉宪、王幼复编译. 弹塑性断裂力学. 山西人民出版社.
28 洪其麟、郑光华、郑祺选、饶寿期、李石、戴羿编译. 高等断裂力学. 北京
航空学院出版社.
29 中国航空研究院主编. 应力强度因子手册. 科学出版社.
30 孙训方、曾春华、郭康民编译. 屈服后的断裂力学. 机械工业出版社.
31 江见鲸. 混凝土结构工程学. 中国建筑工业出版社.
32 Kim, Kwang W. (Kangwon Natl Univ); Doh, Young S.; Lim, Sungbin . Model reflection cracking resistance of strengthened asphalt concretes. Source: Construction and Building Materials, v 13, n 5, Sep, 1999, p 243-251
33 Brown, S.F. (Nottingham University); Thom, N.H.; Sanders, P.J. A study of grid reinforced asphalt to combat reflection cracking. Source: Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions, v 70, 2002, p 543-571
34 Chang, Dave Ta-Teh (Chung Yuan Univ); Lai, Rui-Qi; Chang, Jung-Yang;Wang, Yao-Hung. Effects of geogrid in enhancing the resistance of asphalt concrete to reflection cracks. Source: ASTM Special Technical Publication, n 1348, Nov, 1998, p 39-52
35 Liu, X. (Delft Univ of Technology); Scarpas, A.; Blaauwendraad, J.; Genske, D.D. Geogrid reinforcing of recycled aggregate materials for road construction: Finite element investigation . Source: Transportation Research Record, n 1611, Aug, 1998, p 78-85
36 Ballarini, R. (Case Western Reserve Univ); Ferrante, G.C.; Figueroa, J.L. Analytical and experimental analyses of fatigue crack propagation in asphalt concrete overlays . Source: Structures Congress XII, 1994, p 978-983
37 Aglan, H. (Tuskegee Univ); Othman, A.; Figueroa, L. Specific energy of damage as fracture criterion for asphaltic pavements . Source:
Transportation Research Record, n 1449, Dec, 1994, p 57-63
Database: Compendex
38
Zheng, Jianlong (Changsha Communications Inst); Zhang, Oisen . Nonlinear analysis of low-temperature shrinkage cracking in asphalt pavements. Source: Computational Mechanics, 1991, p 807-812
39 Liu, Tao (Lab. for Road and Traffic Eng., Tongji Univ.); Hao, Pei-Wen Comparison study of evaluation method for low temperature anti-cracking performance of hot mix asphalt. Source: Tongji Daxue Xuebao/Journal of Tongji University, v 30, n 12, December, 2002, p 1468-1471 Language: Chinese
40 Aglan, H. (Tuskegee Univ); Othman, A.; Figueroa, L. Specific energy of damage as fracture criterion for asphaltic pavements.Source: Transportation Research Record, n 1449, Dec, 1994, p 57-63
41 Viscoelastic analysis of hot mix asphalt pavement structures
Rowe, G.M. (SWK Pavement Engineering, Inc); Brown, S.F.; Sharrock, M.J.; Bouldin, M.G. Viscoelastic analysis of hot mix asphalt pavement structures. Source: Transportation Research Record, n 1482, Jul, 1995, p 44-51
42 Chua, Koon M. (Univ of New Mexico); Roo, Myung C. Comprehensive characterization of performance-related properties of asphalt concrete mixtures through dynamic testing. Source: ASTM Special Technical Publication, n 1265, 1995, p 213-230
43 Wang, Jin-Chang; Zhao, Ying-Hua Fatigue damage analysis of asphalt pavement with reflecting cracks under varying temperature. Source:
Yantu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Geotechnical Engineering, v 23, n 6, November, 2001, p 669 Language: Chinese
44 徐芝纶. 弹性力学. 人民教育出版社. 1990
45 弹性力学及其有限元法. 中国铁道出版社. 1983
46 王洪刚. 热弹性力学. 清华大学出版社. 1989
47 工程弹性理学. 清华大学出版社. 1982
48 弹塑性力学. 人民教育出版社. 1980
49 赵经文、王宏钰. 结构有限元分析. 哈工大出版社. 1988
50 李洵. 半刚性基层沥青面层早期裂缝机理分析. 东南大学硕士学位论文. 1998
51 张晓冰、程日盛、汪丽娟. 我国高速公路沥青路面厚度现状调查分析. 河南省高速公路建设管理局
2 沙庆林。 论半刚性基层沥青路面的裂缝.交通部公路研究所. 1989年12月
3 张登良等. 沥青混合料低温抗裂性能的研究.西安公路学院研究报告. 1986.6
4 张起森、刘益河. 沥青路面开裂机理分析及试验研究. 长沙交通学院学报. 1988.第2期
5 张起森、郑健龙. 半刚性基层沥青路面断裂应力计算及开裂机理分析. 长沙交通学院路桥设计研究所. 1990.10
6 李灏、陈树坚.断裂力学基础. 四川人民出版社.1983
7 沈蒲生. 结构分析的计算方法。湖南科学技术出版社.1985. P413-417
8 张行. 断裂力学中应力强度因子底解法. 国防工业出版社。 1992
9 黎军、林延鹏. 土工格栅（网格）在公路边坡防护及路基中的应用. 公路.2000.年9月 第9期
10 曹东伟、胡长顺、曹景民、周发运. 水泥混凝土路面沥青加铺层板缝弯沉指标底试验研究. 西安公路交通大学学报. 1999年1月
11 郭忠印、潘正中. 土工织物在路面工程中的应用技术综述. 公路. 2000年9月
12 何兆益. 碎石基层防止半刚性路面裂缝及其路用性能研究. 东南大学博士论文. 1997.1
13 胡长顺、曹东伟、刘悦、王江帅、曹景民. 土工织物在PCC-AC结构中应用的理论与实践. 公路.2000年9月 第9期
14 吴赣昌. 层状路面提醒温度场分析. 中国公路学报. 1992年 第5卷 第4期
15 吴赣昌. 层状路面结构温度应力分析.中国公路学报.1993年 第6卷 第4期
16 曹东伟、郝大力、韩瑞民. 土工网格加强沥青砼路面结构的力学分析. 重庆交通学院学报. 2000年3月 第19卷 第一期. P47～51
17 邓有左. 半刚性基层沥青路面开裂原因及防治措施. 公路. 2001.6 第6期
18 易志坚、吴国雄、周志祥、杨庆国、周水兴、巫祖烈. 基于断裂力学原理的水泥砼路面破坏过程分析及路面设计新构想. 重庆交通学院学报.
19 郑健龙、关宏信. 温缩型反射裂缝的热粘弹性有限元分析. 中国公路学报. 2001.7 第14卷 第3期
20 胡长顺、曹东伟. 有防裂夹层结构的旧水泥混凝土路面沥青加铺层力学分析.中国公路学报. 1999.5 第12卷增刊
21 张毛凤. 玻璃纤维格栅在路面工程中的应用. 山东建材学院学报. 1998年3月
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23 张圣城、 张晓冰. 土工格栅的特性及其应用实例. 国外公路. 1994（1）32～41
24 周富杰、胡圣. 反射裂缝产生和发展的机理. 国外公路. 1997（2） 12～14
25 黄卫、钱振东. 高等沥青路面设计理论与方法. 科学出版社.
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27 杨秉宪、王幼复编译. 弹塑性断裂力学. 山西人民出版社.
28 洪其麟、郑光华、郑祺选、饶寿期、李石、戴羿编译. 高等断裂力学. 北京
航空学院出版社.
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30 孙训方、曾春华、郭康民编译. 屈服后的断裂力学. 机械工业出版社.
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32 Kim, Kwang W. (Kangwon Natl Univ); Doh, Young S.; Lim, Sungbin . Model reflection cracking resistance of strengthened asphalt concretes. Source: Construction and Building Materials, v 13, n 5, Sep, 1999, p 243-251
33 Brown, S.F. (Nottingham University); Thom, N.H.; Sanders, P.J. A study of grid reinforced asphalt to combat reflection cracking. Source: Asphalt Paving Technology: Association of Asphalt Paving Technologists-Proceedings of the Technical Sessions, v 70, 2002, p 543-571
34 Chang, Dave Ta-Teh (Chung Yuan Univ); Lai, Rui-Qi; Chang, Jung-Yang;Wang, Yao-Hung. Effects of geogrid in enhancing the resistance of asphalt concrete to reflection cracks. Source: ASTM Special Technical Publication, n 1348, Nov, 1998, p 39-52
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36 Ballarini, R. (Case Western Reserve Univ); Ferrante, G.C.; Figueroa, J.L. Analytical and experimental analyses of fatigue crack propagation in asphalt concrete overlays . Source: Structures Congress XII, 1994, p 978-983
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Transportation Research Record, n 1449, Dec, 1994, p 57-63
Database: Compendex
38
Zheng, Jianlong (Changsha Communications Inst); Zhang, Oisen . Nonlinear analysis of low-temperature shrinkage cracking in asphalt pavements. Source: Computational Mechanics, 1991, p 807-812
39 Liu, Tao (Lab. for Road and Traffic Eng., Tongji Univ.); Hao, Pei-Wen Comparison study of evaluation method for low temperature anti-cracking performance of hot mix asphalt. Source: Tongji Daxue Xuebao/Journal of Tongji University, v 30, n 12, December, 2002, p 1468-1471 Language: Chinese
40 Aglan, H. (Tuskegee Univ); Othman, A.; Figueroa, L. Specific energy of damage as fracture criterion for asphaltic pavements.Source: Transportation Research Record, n 1449, Dec, 1994, p 57-63
41 Viscoelastic analysis of hot mix asphalt pavement structures
Rowe, G.M. (SWK Pavement Engineering, Inc); Brown, S.F.; Sharrock, M.J.; Bouldin, M.G. Viscoelastic analysis of hot mix asphalt pavement structures. Source: Transportation Research Record, n 1482, Jul, 1995, p 44-51
42 Chua, Koon M. (Univ of New Mexico); Roo, Myung C. Comprehensive characterization of performance-related properties of asphalt concrete mixtures through dynamic testing. Source: ASTM Special Technical Publication, n 1265, 1995, p 213-230
43 Wang, Jin-Chang; Zhao, Ying-Hua Fatigue damage analysis of asphalt pavement with reflecting cracks under varying temperature. Source:
Yantu Gongcheng Xuebao/Chinese Journal of Geotechnical Engineering, v 23, n 6, November, 2001, p 669 Language: Chinese
44 徐芝纶. 弹性力学. 人民教育出版社. 1990
45 弹性力学及其有限元法. 中国铁道出版社. 1983
46 王洪刚. 热弹性力学. 清华大学出版社. 1989
47 工程弹性理学. 清华大学出版社. 1982
48 弹塑性力学. 人民教育出版社. 1980
49 赵经文、王宏钰. 结构有限元分析. 哈工大出版社. 1988
50 李洵. 半刚性基层沥青面层早期裂缝机理分析. 东南大学硕士学位论文. 1998
51 张晓冰、程日盛、汪丽娟. 我国高速公路沥青路面厚度现状调查分析. 河南省高速公路建设管理局