长寿命路面结构

长寿命路面结构（精选5篇）

长寿命路面结构 篇1

摘要：提出了寿命沥青路面的设计指标:沥青层底最大拉应变、土基顶面最大压应变及考虑路面抗剪能力的路面结构车辙深度;同时采用三维有限元方法对半刚性基层及柔性基层两种形式的长寿路面结构进行分析,分析中材料参数采用路面各结构层的实测结构模量,最后根据力学分析结果对拟定结构的设计指标进行验算。分析结果表明,半刚性基层长寿路面最大拉应变发生在沥青层顶面附近,而柔性基层路面最大拉应变出现在沥青层底面,剪应力在两种形式长寿路面中的分布形式也有很大差别。

关键词：长寿命沥青路面,结构组合,柔性基层,结构模量,车辙深度

0 引言

随着交通量和车辆荷载的激增以及平均行车速度的提高,我国沥青路面的初期和早期损坏非常严重,往往在道路建成通车后1~2年甚至更短的时间内就产生大面积的破坏,路面的过早损坏意味着路面的耐久性不足。尽管我国高等级沥青路面的研究和修建实践已有十几年的历史,但从本质上讲,现行的设计理论、方法、参数都是建立于传统低等级道路基础上,对当前重载交通高等级路面的设计与施工指导具有较大的局限性[1]。因此,本文结合国内外相关研究工作,提出长寿命路面的主要设计指标,并依据相关长寿命路面实验路的实际参数,对半刚性基层以及柔性基层两种形式的长寿命沥青路面结构进行分析,为我国长寿路面的设计提出建议。

1 长寿命路面的理念

出于节省投资和避免车辙的考虑,国内一直采用“强基薄面”的路面结构组合设计思想。然而,随着近年来道路等级和车速的不断提高、交通量的增长、轴载的加重,路面的损坏非常严重、愈演愈烈。传统的力学-经验设计法或基于力学的设计方法认为,不管面层多厚,开裂或者结构性的车辙最终将不可避免。然而,Nunn等人在1997年发现[2],沥青路面面层存在一个厚度极限,在施工良好的道路中,超过这个厚度限值,由下到上的疲劳开裂和结构性的车辙都可避免。应该说这一发现导致了长寿命路面设计理念的盛行。

根据美国沥青路面协会(APA)定义,长寿命路面是指设计使用年限达50年的沥青路面,在设计使用年限内无结构性的修复和重建,仅需根据表面层损坏状况进行周期性的修复[3]。

2 长寿命路面的设计指标

国外主要路面设计方法采用沥青层最大弯拉应变εr与路基顶面的竖向压应变为εz设计指标,考虑到路面结构的整体抗力及抗剪要求,本文拟定以下3个指标为设计指标:

(1)沥青层底面的弯拉应变,沥青层底面的弯拉应变指标是各种力学-经验设计方法中普遍采用的指标,该指标的目的是保证沥青层本身不会产生疲劳破坏,以确保沥青层的寿命不小于路面的使用寿命。目前规范中采用限制沥青层底面弯拉应力作为验算指标,以控制沥青层的疲劳开裂破坏。实际上,重复荷载作用下沥青面层底面的弯拉应力取决于沥青面层的弯曲变形量,而后者则同沥青层与下卧层的刚度比以及层间接触条件有关;

(2)路基顶面的压应变是各种力学-经验设计方法中普遍采用的另一个指标,其主要目的是控制路面的总变形量。在我国目前的规范中,控制总变形量的指标是路面弯沉,本文采用路基顶面的压应变εz作为控制指标;

(3)考虑到路面结构的整体抗力及抗剪要求,面层采用预估车辙深度RD控制沥青层内的剪应力。

3 长寿路面的结构设计

河南驻泌高速公路修筑了延长道路使用寿命实验段,路面结构形式见表1。磨耗层采用AC-13C,并且使用SBS改性沥青;中面层采用SUP20,使用SBS改性沥青,为了提高其抗车辙性能,采用靠近级配区间下限的粗级配;下面层上层采用普通沥青,SUP25设计;下面层下层采用富沥青SUP25结构层,研究表明,增加沥青用量有利于沥青混合料的压实,同时也有助于增加沥青混合料的柔性,从而获得较大的疲劳寿命,本文富沥青层设计空隙率为3%,普通设计沥青用量增加0.3%。

注:其中A:AC-13C+SBS;B:SUP-20+SBS;C:SUP-25下面层;D:SUP-25富沥青底面层;E:4%水泥稳定碎石;F:级配碎石;G:土工格室+级配碎石

4 路面结构模量的测定

在各种力学经验设计方法中,荷载、环境因素、材料参数都是设计中的重要输入信息,其中材料参数又是弹性层状体系力学计算的基础。我国现行的沥青路面设计规范中,提供了各种材料参数的建议值和测试方法。对于沥青混合料面层及基层材料,其无侧限抗压回弹模量的测试方法是对室内试件采取重复加载卸载,测试其应力应变关系曲线,选取一定压力下的割线模量为最终测试结果。

规范推荐的各种材料模量是试件在无侧限的条件下进行测得的材料模量。在实际的路面结构中,路面结构层在受到荷载作用下,通常考察范围是结构层内任意位置,此时材料是存在侧限压力的,这和实验室的材料模量测试所处条件显然不同[4]。为了对实验路不同结构形式的实际力学状况进行分析,必须采用路面结构的实际参数,本文对路基及路面各结构层的弯沉及回弹模量进行测定,弯沉采用贝克曼梁进行测定,回弹模量采用承载板测定。

结构1至结构5实测土基回弹模量分别为130.1MPa、121.5MPa、131.4MPa、125.1MPa及130.5MPa,其他各结构层模量采用BISAR运用各结构层的实测弯沉及土基回弹模量进行反算,反算通过各结构层实测回弹模量进行验证。计算过程中,沥青混合料泊松比为0.35,水泥稳定碎石泊松比为0.20,级配碎石泊松比为0.35,路基泊松比取0.40。反算得到各结构层的结构模量如下所示。

5 路面结构组合力学分析

根据路面结构实测模量,应用有限元方法对路面结构关键指标进行计算,路面结构模型如图1所示。边界条件假设为:底面上没有z方向位移;左右两面没有x方向位移;前后两侧没有y方向位移。层间接触条件,沥青混合料层与基层分完全连续和完全光滑两种状况(其余各层层间完全连续)。大量的文献资料及其试验结果显示,轮胎作用于路面的形状更接近于矩形,且随载荷的增加,矩形形状越明显。轮胎作用于路面的这种不规则性对路面的力学影响也会有很大的差异,因此本研究将轮胎接地面积假定为方形,双轮中心距:32.0cm;轮胎接地面18.88cm×18.88cm。

5.1 拉应变、剪应力随深度的变化

由于荷载模型的不对称性,导致应力、应变指标在平面上具有不对称性,因而不同深度处最大拉应力、最大剪应力位置必然发生变化。为了研究最大拉应变、剪应力沿路面深度的变化规律,采用程序选取了路面结构中不同深度处的最大剪应力包络图,而不是沿着整个结构中最大拉应变及最大剪应力处的纵向剖面,分析结果如图2-图3所示。

由图2可见,对半刚性基层路面结构(结构1、结构2、结构3),不论层间完全连续或完全光滑,纵向拉应变总体上大于横向拉应变,且最大拉应变位置发生在路面顶面附近。当层间接触状态由连续变为完全光滑时,路面顶面附近拉应变小幅度增大,但中面层、下面层拉应变显著增大,并在沥青层层底产生仅次于路面顶面的拉应变,这是由于光滑的层间接触关系导致沥青层底面没有任何水平方向的约束。

对柔性基层路面结构(结构4、结构5),无论沥青层与级配碎石层的接触状态如何,最大拉应变发生在沥青层层底,路面顶面处的拉应变明显小于半刚性基层路面结构路面顶面处的拉应力。同时当层间接触状态由完全连续变为光滑时,沥青层拉应变明显增大。但总体来说,两种形式路面结构拉应变都处在较低的水平。

对图3进行分析,两种层间接触关系下,柔性基层路面结构内沥青层剪应力明显小于半刚性基层路面结构。对半刚性基层路面结构,最大剪应力发生在路面顶面以下2-6cm左右位置,当层间关系由完全连续转变为完全光滑时,沥青层剪应力明显增大。对柔性基层路面结构,剪应力在路面结构10cm左右位置存在一个峰值,在沥青层层底也存在一个峰值,当层间接触完全连续时,最大剪应力发生在路面顶面下2-8cm左右位置,当层间完全光滑时,沥青下面层剪应力显著增大,最大剪应力发生沥青层底。

5.2 路面结构设计指标验算

同济大学崔鹏博士参考国外长寿命沥青路面结构,并结合我国材料参数进行分析,以BZZ-100为标准轴载,考虑一定安全系数,提出了我国长寿命沥青路面设计指标[5]:连续体系:(1)沥青层拉应变极限指标:沥青层底拉应变<120微应变;(2)土基顶面压应变极限指标:土基顶面压应变<280微应变。滑动体系:(1)沥青层底拉应变极限指标:沥青层拉应变<140微应变;(2)土基顶面压应变极限指标:土基顶面压应变<320微应变。根据分析结果,对前文指出的长寿沥青路面设计指标进行验算,计算结果如表3所示,各结构沥青层层底拉应变及土基顶面压应变均满足设计要求。

沥青路面车辙深度采用基于分层叠加方法的路面结构车辙预估模型进行计算,如式(1)所示;各亚层等效车辙温度采用美国战略公路计划(SHRP)在沥青混合料设计指南中提出的车辙等效温度确定方法[6],如式(2)(3)所示:

式中:

RD—沥青路面在某种状况下的车辙深度(mm);Fs—水平力修正系数,取1.1;

Lp—车辙隆起系数,取0.4;Ti—沥青路面各亚层等效车辙温度(℃);

τi—各亚层最大剪应力(MPa);[τ]i—各亚层抗剪强度标准,MPa。

Nv—轮载作用次数;V—设计行车速度(Km/h);Zer—沥青层的深度(m);

MAAT平均—根据历史资料统计的年平均气温的平均值(℃);

Kα—保证率系数;σMAAT—年平均气温的标准差;

对实验路沥青混合料取样进行单轴抗剪实验,四种沥青混合料抗剪强度分别为1.02MPa、1.13MPa、0.79MPa、0.67MPa;允许车辙厚度为15mm。轮载作用次数Nv为1011;设计行车速度为60Km/h;年平均气温为15℃,保证率系数为0.9,标准差0.9。根据本文的剪应力结果计算车辙深度RD,若RD<15mm,则满足抗剪要求。经过验算各路面结构均满足设计要求。

6 结论

本文对长寿命沥青路面结构组合进行分析,得到以下结论:

(1)半刚性基层路面最大拉应变发生在沥青层顶面附近,而柔性基层路面最大拉应变出现在沥青层底面;(2)半刚性基层路面最大剪应力发生在沥青层2-6cm位置,而柔性基层路面最大剪应力位置与层间接触状态有关;(3)根据本文确定的长寿命沥青路面设计指标,对沥青层层底最大拉应变、土基顶面最大剪应变及路面结构内的剪应力进行验算,实验路结构1-结构5均满足长寿命沥青路面的设计要求。

参考文献

[1]孙立军,等.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社,2005.

[2]Nunn,M.E.,A.Brown,D.Weston and J.C.Nicholls,Design of long-life flexible pavements for heavy traffic,Report No.250,Transportation Research Laboratory,Berkshire,United Kingdom,1997.

[3]Asphalt Pavement Alliance.Perpetual Pavements A Synthesis[C].Asphalt Pavement Alliance Order Number APA1011/02,2002.

[4]胡春华,等.沥青路面半刚性基层材料的结构模量[J].中国水运,2006,14(11):90-92.

[5]崔鹏.长寿命沥青路面设计方法研究[博士学位论文].上海:同济大学交通运输工程学院,2007.

[6]Cominsky R J.et al.,The Superpave Mix Design Manual for New Construction and Overlays,Report SHRP-A-407,National Research Council,Washington,D.C.,1994.

复合式长寿命路面结构分析探讨 篇2

1 长寿命路面的定义

长寿命路面在使用上的定义年限为40年, 长寿命路面即设计年限超过40年的路面结构。随着时代的不断进步, 人们也为长寿命道路提出了新的要求;第一, 设计使用寿命超过40年, 不包括40年;第二, 实际年限内, 只是进行必要的常规保养, 没有主要承重层和结构性的修改;第三, 具备足够的承重层厚度, 具备设计年限内的最经济道路选择, 即保证最低维修费用;第四, 在设计的使用年限内, 道路结构完整, 不发生道路结构的长大损坏和重修;因其具备社会最经济特征, 故而在使用期间, 如果出现道路问题也不会对交通产生重大干扰, 可以尽量避免道路的堵塞, 由此带来的道路使用群体不满、愤懑情绪以及道路有关部门、当地政府的压力将会得以减轻, 一定程度上确保社会的稳定和长治久安。

2 复合式长寿命路面的设计要求

1) 复合式长寿命路面应该具备较高的路基稳定性。路基是道路稳定的基础也是路面结构的基石, 是道路的最终承重者和路面工作的平台, 较高的路基稳定性, 不仅可以改善路面的水温情况, 还可以更好的保证路面的完整性[2]。对于复合式长寿命路面结构而言, 设计的过程中应该尽力的提升路基的稳定性和承重能力, 为路面的使用年限划下最大的边际范围。

2) 材料的性能要求。针对于路面的使用长寿命, 从路面结构上来说, 首先, 路面的表层材料应该具有耐高温、高强度、高硬度、强水温稳定性和避免水损坏性, 保证过往车辆的安全;其次, 要具备抵抗大型车辆或过重车辆荷载过行碾压留下的车辙痕迹功能, 保证路面的光滑和平整;笔者认为, 柔性基层、碾压混凝土、半刚性材料理论上均可用作沥青复合长寿命路面的基垫层材料。

3) 结构层厚度的要求。长寿命路面的结构层厚度是设计和建设长寿命路面重中之重的问题, 是各方学者争相研究的焦点, 同时也是现有路面出现短时间破损的根本所在, 至道路承建商频繁出现偷工减料的环节。长寿命则必须要求路面的结构层厚度足够厚, 才能在车辆荷载通行时不影响路面结构, 在使用年限内保证道路结构上的完好。据调查, 目前国内高速路面的路面设计板厚度一般为25 cm, 而想要使得使用寿命达到40年, 这一厚度显然是远远不够的。想要实现复合式路面的长久使用, 则要求道路的结构层达到一定的厚度, 在能实现使用年限内只进行表层的修复而不进行结构上的修葺。

4) 路面的结构组成要求。路面结构的组成科学合理才能有效的延缓和制止道路出现结构性损坏, 在路面表层满足长寿命道路标准以后, 还需要严格的进行铣刨表面层重新加铺[3]。表层以下的结构分布主要能力就是缓冲结构间的直接压迫和抗裂性能, 让道路具有强力的抗疲劳能力, 让路面的使用年限得以延长, 同时路面的整体性也要适可注意, 底基层、基层、垫层、路基也要和长寿命道路设计思想一致;结构层底的拉应力是保证道路结构完整性的重要指标, 只有牢牢把握好这一指标, 才能更好的对路面进行预计和检测, 延长路面的使用年限。

3 复合式长寿命路面的设计标准

1) PCC+AC路面结构模式。PCC+AC长寿命路面 (沥青混凝土+应力吸收层+水泥混凝土+沥青联结层) 结构形式。采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析。结构模式如图1所示。

2) 结构参数。文中结构计算参数的来源采用设计实际长寿命路面工程的最佳实际道路结构参数, 如表1所示。

3) 温度翘曲应力。道路的使用年限一定程度上受影响于混凝土板内温度应力, 其温度应力主要分为翘曲应力和胀缩应力, 由于胀缩应力的影响小之又小, 故而笔者认为温度应力影响甚大的还是温度的翘曲应力, 温度应力的产生原因是同一深度上的不同层面存在着温度梯度, 一天内, 路面层次间的温度变化时刻因沥青层厚度的增加而显得逐渐延后。据科学预测, 水泥混凝土的最大温度梯度一般出现在中午时刻, 相对于复合式长寿命道路, 因为结构层的不断加厚, PCC+AC路面的最大温度梯度则会出现在午后3:00左右。通过反复计算发现, 温度翘曲应力会随着PCC板的长度增加而逐步减少, 因此, 为了延长道路的使用寿命, 减少温度应力的影响, 可以适当的对PCC板长进行调整[4]。

MPa

4) 边界条件。a.复合型长寿命道路设计时, 其层面的边界不是随意设定的, 而是具有科学的、无数次试验得出的参数指标。AC表面层、PCC结构板层为有限的参数尺寸;复合式长寿命路面的地基为弹性半空间地基, 根据计算精度要求, 科学取尺寸为8 m×10 m×7 m。b.道路的表面层和结构层、地基的周围科学上应该保持悬空空间, 而地基的地面为大地是固定面;AC层与PCC板之间不是间隔分离的, 而是应该保证完全连续接触。

5) 法律上的要求。复合长寿命道路的表层设计基准为8年, 主要承重层即PCC层的设计基准为40年, 以道路使用过程中产生的疲劳断裂为道路强度验算指标;其材料设计要符合《公路沥青路面设计规范》和《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

6) 沥青层寿命。即使路面的使用年限可以达到40年之久, 但是表层沥青的使用年限肯定是达不到的。所以在进行复合式长寿命道路结构设计时, 不要刻意的去强化路面沥青的使用寿命, 应该去考虑主体结构的完整和优良性, 沥青层的年限更加注重的是材料选取, 力求尽可能的长久, 必要时进行路面的表层维护。

4 结语

文章采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析, 通过验算和校正, 复合式长寿命路面结构承重能力得到很大的提高, 比常规路面设计的使用寿命大大提升, 其主要的合理性在于, 各层面之间的力学调整, 符合时代长寿命的要求。虽然道路的设计年限为40年, 这一要求是针对于路面的承重层即PCC层, AC层则需要一段时间内进行翻新和养护。

摘要：采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行了荷载应力分析, 并对复合长寿命路面结构进行了验算, 结果表明, 复合式长寿命路面改善了层弹性模量对PCC板底温度应力的影响, 提升了路面的实际使用寿命。

关键词：复合式长寿命路面,温度应力,使用寿命

参考文献

[1]李淑明, 许志鸿, 蔡喜棉.土工织物对复合式路面结构内力影响分析[J].中国公路学报, 2006, 19 (1) :28-31.

[2]刘晓曦, 王硕太.机场混凝土道面封缝材料疲劳特性[J].交通运输工程学报, 2006, 6 (1) :44-47.

[3]Lee Hyun Jong, Lee Jung Hun, Park Hee Mun.Performance evaluation of high modulu asphalt mixtures for long life asphalt pavements[J].Construction and Building Materials, 2007, 21 (5) :1079-1081.

长寿命路面结构 篇3

武汉市素有“九省通衢”之称, 是我国内陆最大的交通枢纽, 在“十二五”交通建设规划中, 2015年武汉市将形成“三环六联十二射”的快速路网格局, 可见城市道路的建设十分紧迫。武汉市快速路与主干道以水泥混凝土路面结构为主, 但由于超载、资金、技术等影响因素, 近年来较大比例的城市道路均出现了不同程度的损坏, 严重地影响了行车的舒适性和安全性。若在武汉市大规模的交通建设中, 加以长寿命路面的修筑技术, 配合严谨的施工及科学的管理, 将大幅度地增加道路的使用寿命, 并减少路面结构的损坏和维修次数, 不仅节省建设投资, 使行车更加安全顺畅, 更有助于缓解武汉市的交通拥堵。

1 长寿命路面结构拟定

长寿命路面的结构形式主要有三种:全厚式沥青路面、半刚性基层沥青路面和复合式沥青路面, 而我国多采用复合式沥青路面结构, 该结构由水泥混凝土板 (PCC) 以及沥青混凝土 (AC) 组成, 其中沥青混凝土面层较薄只起到功能性的作用, 主要的承重层是水泥混凝土板。复合式路面结构“刚柔并济”, 综合了普通的沥青路面及水泥路面的优点, 不仅节省建设费用, 改善路面性能, 而且沥青面层一旦损坏可刨除重铺, 方便维修。因此, 以下将选用复合式路面作为武汉市快速路与主干道的路面结构形式。

(1) 磨耗层

武汉市属北亚热带季风性 (湿润) 气候, 具有常年雨水充沛、热量丰富、雨热同季、旱涝更替、冬冷夏热、温差极大的特点, 且快速路超载现象较严重, 因此磨耗层应选择抗车辙性能、抗渗性、抗磨损性强及耐久性好的材料, 可在沥青玛蹄脂碎石混合料 (SMA) 及密级配沥青混合料中选择。但考虑到城市道路虽然货车超载严重, 但货车所占的比例较少, 因此采用密级配沥青混合料更为合适。

(2) 层间处理

我国通常采用半刚性基层, 容易出现反射裂缝的问题, 考虑在沥青层与水泥混凝土板之间增加应力吸收层, 以防止反射裂缝的出现;另外, 水泥混凝土板与基层之间则增设防水联结层, 不仅可以起到防水和保护基层的作用, 还可以改善基层对水泥混凝土板的约束, 使水泥混凝土板实现“软着陆”。

根据上述分析, 初拟武汉市快速路与主干道长寿命路面结构如图1所示。

2 长寿命路面结构设计指标及方法

2.1 长寿命路面结构设计指标

对于长寿命路面结构的设计指标, 国内外尚没有统一的定论, 我国现行的沥青路面设计规范中采用路表弯沉作为设计指标, 以沥青层底弯拉应力作为验算指标, 然而研究发现, 以这样的设计指标组合形式并不能很好地与工程实际相匹配。

(1) 弯沉

弯沉是一个综合性的设计指标, 虽然可以很好地反映路面结构整体的力学特性, 但是无法准确地描述结构局部的受力情况, 且路表弯沉值大的路面结构不一定比弯沉值小的路面结构整体承载力差, 因此两种路面结构无法用弯沉值作为比较的指标;弯沉与路面的损坏程度无法协调, 有的路面完好无损但弯沉值大, 而有的路面破损严重但弯沉值较小;另外, 设计弯沉值公式中有三个安全系数, 计算时三个安全系数的取值均偏于安全, 但实际工程中弯沉受很多外界因素的影响, 仅三个安全系数无法全面地描述弯沉值的真实变化。

(2) 沥青层底弯拉应力

对于沥青层底弯拉应力, 虽然应力与应变可以近似转换, 理论上可以相互替换, 但在室内的材料疲劳特性试验研究时发现, 当沥青层达到一定的厚度, 沥青面层的应力变化与控制应力的材料疲劳试验相差很大, 而沥青面层的应变变化则与控制应变的材料疲劳试验相当类似, 因此相比而言应变更加直观便于理解。

由于弯沉和层底弯拉应力具有以上一些不足, 且路面设计指标应与路面损坏形式相匹配, shell设计法指出路面损坏主要是开裂和车辙, 开裂是由行车荷载重复作用下, 对沥青面层造成疲劳开裂所致, 以限制沥青面层的拉应变控制;车辙是由于行车反复作用后各层积累的永久变形产生的, 主要取决于土基变形, 以土基表面的垂直压应变控制。

因此, 以沥青层底弯拉应变和基顶压应变作为长寿命路面结构的设计指标。

2.2 长寿命路面设计方法

(1) 以弹性层状体系为基础, 假设各结构层为均匀、连续、各向同性的弹性材料, 采用我国标准的单轴双轮垂直均布荷载100k N, 运用Bisar3.0分析轮载作用下的特征点的应力、应变和位移值。

(2) 选用沥青面层底部在荷载作用下的拉应变以及路基顶面的压应变作为设计指标;其中沥青层底弯拉应变应小于60με, 基顶压应变应小于200με。

3 长寿命路面结构验算

3.1 结构验算最不利点的选取

以三层弹性体系作为最不利点的计算用结构, 采用我国标准单轴双轮组荷载, 按圆形均布荷载进行加载, 当量圆半径为0.1065m, 轮胎接地压力为0.7MPa, 荷载形式采用荷载和作用半径, 选取B、D、E、C四点作为计算点, 具体位置如图2所示。

各结构层取值如下, h表示结构层的厚度, E表示弹性模量, 表示泊松比。

结构的沥青层底弯拉应变和基顶压应变如表1所示。

由计算结果可知, 从C点至B点的沥青层底弯拉应变以及基顶压应变均逐渐减小, 因此以下将以轮迹中心C点作为计算最不利点。

3.2 初拟结构的验算

以轮迹中心点为计算点, 以沥青层底弯拉应变、基顶压应变为指标, 对初步拟定的长寿命路面结构进行验算, 结果如表2所示。

由表2可知, 该结构的沥青层底弯拉应变及基顶压应变的计算结果均远小于规定值60με和200με, 表明该结构符合长寿命路面的要求。

4 结语

经分析拟定、软件验算, 推荐武汉市快速路与主干道长寿命路面结构为:4cm细粒式沥青混凝土+8cm中粒式沥青混凝土+2cm应力吸收层+25cm水泥混凝土板+36cm水泥稳定碎石基层+20cm碎石垫层。该结构“刚柔并济”, 综合了沥青路面及水泥混凝土路面的优势, 预期使用寿命长, 维修养护方便, 全寿命周期成本低, 经济社会效益明显。

参考文献

[1]苏金巧.模拟路面的层状结构物层底拉应变变化规律研究[D].西安:长安大学, 2011.

[2]钱玉春.高速公路实测轴载根部特征及车辙等效轴载换算模型研究[D].西安:长安大学, 2010.

[3]李景双, 伊淑杰.对路面弯沉指标测试的探讨[J].黑龙江科技信息, 2009 (1) :237.

[4]侯荣国.复合式长寿命路面结构研究[D].西安:长安大学, 2008.

[5]崔鹏, 邵敏华, 孙立军.长寿命沥青路面设计指标研究[J].交通运输工程学报, 2008 (8) :37-42.

长寿命沥青路面设计探讨 篇4

近二十多年来我国高速公路迅猛发展, 但由于我国经济基础较差, 技术水平不高, 高速公路沥青路面开始出现各种各样的病害。特别是近些年, 局部地区局部路段的高速公路沥青路面的早期损坏比较严重, 一些高速公路建成通车后不久, 就发生了开裂、水损害、泛油、坑槽、车辙等早期损坏现象, 路面常常达不到设计年限就出现了损坏, 需要进行大修。为了提高沥青路面的性能和使用寿命, 减少沥青路面的病害, 降低沥青路面的维护费用, 我国引入长寿命沥青路面设计理念。

1 长寿命路面概述

长寿命沥青路面, 是指路面设计寿命超过40年, 全寿命期总体费用最经济的路面结构。相对于现有设计寿命为15年的沥青路面, 由于长寿命沥青路面通常采用较厚的沥青层, 其建设期投入成本高, 但其损坏仅限于沥青表面层, 减少沥青路面底面的开裂, 避免结构性车辙, 因此日常养护费用低, 维护方便。国外的长寿命路面追求的寿命是50年, 即50年不进行结构性维修。典型的长寿命沥青混凝土路面可用概念图1表示。

长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点为:

轮载下100~150mm区域是高受力区域, 也是各种损坏 (主要是车辙) 易发区域;

面层:40~75mm高质量沥青混凝土, 能为车辆提供良好的行驶界面, 应具有足够的表面构造深度, 抗车辙, 水稳定性好;

中间层:100~175mm高模量抗车辙沥青混凝土, 能起到连接和扩散荷载的作用, 应具有高模量 (刚度) 和抗车辙特性;

HMA基层:75~100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土, 能起到消除疲劳破坏的作用, 由于最大拉应变产生在HMA基层底部, 该区域最易发生疲劳破坏, 所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点;

路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面, 而且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。

2 长寿命沥青路面设计理念

2.1 长寿命沥青路面设计指标

(1) 沥青层层底弯拉应变指标。目前路面的结构性破坏之一是路面疲劳开裂。路面疲劳开裂是指在荷载的重复作用下沥青面层弯拉应变引起的, 并由下而上发展贯穿整个沥青面层, 从而引起路面的破坏。长寿命路面设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才能预防或减少路面结构性破坏。在路面设计时, 必须使材料的疲劳寿命大于累计标准荷载。

式中:Nf—实际路面结构中的疲劳寿命;

Nlab—沥青混合料室内试验的的疲劳寿命;

SF—修正系数;

TCF-温度修正系数。

研究表明随着沥青层厚度增加, 层底的弯拉应变逐降低, 因此提高沥青层设计厚度能预防或减少路面疲劳开裂。

(2) 路面面层抗剪指标。路面抗剪指标主要是控制面层局部损坏过早发生, 实际道路中最大剪应力应小于抗剪试验所提的混合料最大抗剪强度。抗剪强度公式:

沥青混合实际的容许剪应力公式:

式中:σα———结构层可能破坏面;

c———材料的粘聚力;

τR——容许剪应力。

研究表明沥青路面最大剪应变发生0~10cm, 特别是中面层剪应变较为突出。

(3) 路基顶面的压应变指标。路基顶面的压应变是各种力学-经验设计方法中普遍采用的另一个指标, 其主要目的是控制路面的总变形量。长期以来, 我国的沥青路面一直以来采用路表弯沉作为路面结构的主要设计和控制指标。认为弯沉指标是一个能够反映路面发生沉陷、网裂等综合强度的指标。但是随着我国近些年来对路面损坏的大量调查, 对弯沉指标指标有了更加深入的认识, 大量工程实践表明采用弯沉作为控制指标, 不能很好地表征路面的使用状况, 即较低的弯沉指标并不意味着较高的路用性能, 相反路面弯沉较小的路面可能会较路面弯沉大的路面破坏的情况严重得多。根据国外的经验和我国很多地方在进行长寿命路面的研究, 采用了路基顶面的压应变作为结构设计指标, 如江苏、山东等。

上海地区资料导出的路基顶面的压应变与路面寿命的关系, 可用下式表示:

式中:εz———表示路基顶面的压应变

2.2 长寿命沥青路面结构层材料设计理念

(1) 长寿命沥青路面结构层材料设计。长寿命沥青路面各结构层材料设计是保证路面良好路用性能的关键, 根据各结构层功能进行路面材料设计, 提出材料指标要求。

(1) 各结构层功能。磨耗层要求抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗;中间层要求抵御车辙, 传递、分散荷载;基层要求作为承重层抵抗层底弯拉应变。

(2) 各结构层材料设计。磨耗层材料设计应选择SMA、密级配混合料或OGFC等类型混合料。

HMA中间层材料设计须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能。耐久性是其抗疲劳性能、水稳定性、抗老化性能的综合反应, 其与混合料的空隙率有密切关系。提高中间层沥青混合料的耐久性能, 可以通过合理选择材料和增加骨料表层沥青膜的厚度来实现。稳定性可以从粗骨料间的骨架结构及采用合适的高等级沥青来获得, 这对面层上部150mm区域是至关重要的。抗车辙性能材料设计时可采用改性沥青、塑料隔栅, 混合料采用骨架嵌锁结构。值得注意的是, 必须考虑粗集料混合料的离析。

HMA基层材料设计要求有一定的抗车辙能力和具有很好的耐久性、优良的抗疲劳性能。HMA基层抗疲劳设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才可预防或减缓路面结构性破坏。可以采用增加混合料的柔性、增加路面的厚度和采用基层材料抗疲劳设计的新方法。

长寿命沥青路面路基设计包括土基、垫层、地基层, 是路面“长寿命”的关键。路基功能要求设计和修筑高强、稳定和均匀的路基, 且设计路面时应将排水性能也作为重要指标, 使路基具有最基本的刚度要求, 以满足整个施工阶段和服务阶段的需要。

(2) 长寿命沥青路面结构和材料设计一体化研究。基本思路为:以材料路用性能为设计的根本, 保证设计的实用性及区域的适用性;将结构设计与材料设计有机结合;在室内进行模拟不同施工环境下混合料性能测试及分析, 以建立不同环境下施工参数与设计参数控制指标关系;结构设计和材料设计的实施效果直接受施工控制的影响, 因此施工控制的指标是结构设计和材料设计必须考虑的因素;设计中应针对具体技术水平提出相应的方案, 保证结构、材料设计指标的实现。

3 长寿命沥青路面设计实例

某高速公路全长78km, 是国内比较有代表性的长寿命路面。它采用了“柔+刚+柔” (沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层, 简称A·P·A) 的路面结构设计新思路。具体结构形式为:石灰土或固化剂垫层+二灰碎石基层+防水连接层+水泥混凝土面层+应力吸收层+改性沥青混凝土面层。如图2所示。

(1) 路基设计:通过冲击压实以及固化剂处理土基两项技术对路基进行处理, 极大地提高了路基的压实度以及整体强度, 提前完成了4cm左右的沉降量, 为整个长寿命路面结构提供了均匀、连续的支撑条件, 保证了整体结构的稳定性。

(2) 基层设计:在二灰稳定碎石基层中掺加了硫酸钠早强剂, 提高了二灰碎石的早期强度, 而且增强了二灰稳定碎石的成型初期的抗干燥收缩的能力与中长期的抗温度收缩的能力。此外, 基层顶部设置了防水联结层, 这样不仅起到了防水功能, 而且实现了混凝土板的“软着陆”, 并能改善半刚性基层对混凝土面板约束状况。

(3) 面层设计:采用28cm厚水泥混凝土面板, 比常规26cm厚混凝土板的极限寿命提高40年左右, 大大提高了水泥混凝土路面的极限寿命。并且创造性地利用了板块划分技术, 采用3m×4m板块划分方式, 大大延长了水泥混凝土面板的使用寿命。另外, 混凝土面板全部缩缝设传力杆, 使行车荷载在板块之间平稳过渡, 防止重载车辆对路面的损坏, 保证了路面行驶的舒适性。

在沥青混凝土表面层下设置了2cm的SBS改性沥青玛蹄脂石屑作为应力吸收层, 起到了很好的防水、防反射裂缝的作用。它所采用的改性沥青稳定密级配混凝土, 可大大缓和行车荷载对水泥混凝土板的冲击振动, 并有利于扩散荷载以及便于养护维修, 对延长路面使用寿命, 增强路面耐久性起到关键作用。

该高速公路的建设实践在一定程度打破了我国高速公路半刚性基层沥青路面一统天下的格局, 促时了长寿命沥青路面在国内的发展。

4 长寿命沥青路面的经济效益

长寿命沥青路面的初期建设费用虽然很高, 但由于其路面性能很好, 能够承受更大的交通量, 按照全寿命成本效益计算更加经济, 主要表现在以下几个方面:

(1) 路面的沥青层厚, 沥青层底不容易开裂, 结构性车辙少。

(2) 路面的损坏仅限于路面顶部 (2.5~10cm) , 不存在结构性破坏, 只要定期进行表面铣刨、罩面修复, 不需大的结构性的重修。

(3) 日常维护比较方便, 维护费用低。

(4) 结构设计寿命达到30~50年;磨耗层寿命10~20年;

(5) 行车舒适, 可维持较高的服务水平等。

总之, 长寿命沥青路面比传统的沥青路面具有较低的寿命周期费用, 特别是重载货物交通道路。如德国修建的道路大部分费用用在初始道路修建, 道路标准较高, 因此服务期内所需维修费用较低, 初期建设费用和后期维修一般比例为95:5。因此在费用周期内可以基本不考虑维修费用。

5 结束语

随着路面设计施工技术的进步、交通量的增加、轴载的加重和频繁的维修带来的费用等一系列问题的产生, 使得人们越发认识到重交通地段修建长寿命路面的必要性, 进行长寿命路面的研究和应用, 具有重要的现实意义。长寿命沥青路面在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至于南非都已开展了广泛的研究, 但到目前为止, 其设计方法在设计参数等方面还没有一个统一的标准, 还处在发展与完善当中。我国在引入这种长寿命路面设计理论时, 要注意研究以下问题:

(1) 设计指标:沥青混合料层底部水平拉应变以及基层和路基顶面的竖向压应变是长寿命路面的设计指标。这些指标的设计标准取值影响因素很多, 需要结合我国的原材料性质、混合料类型、土质情况、气候条件和施工技术水平等因素进行研究, 提出适合我国实际的设计标准;

(2) 设计轴载及超载:结合我国交通情况, 确定合理的设计轴载及超载处理方案;

(3) 沥青混合料力学参数:使用长寿命沥青路面设计是采用沥青材料的“动态”回弹模量反映原材料性质、沥青用量、矿料级配、温度等对沥青混合料力学性能的影响, 我国有必要结合国情研究出科学、合理的沥青混合料力学参数确定方法;

(4) 路面设计修正系数:路面设计中的材料参数、力学模型等建立在试验或理论的基础上, 往往对实际情况进行了很多的简化, 如对路面材料、土基完全弹性的简化, 对结构层间连接状态的简化等, 必须在设计中引入相关的修正系数, 来消除这种简化带来的误差;

(5) 路况监测、评价车辙、表面裂缝以及路表功能的丧失都需要通过表层处理予以修复。确定表面修复时间要考虑两个方面:一方面防止表面损坏发展影响路面结构安全、降低路面运营成本;另一方面修复过早会增加路面运营成本, 修复延后会影响路面结构安全和降低服务水平。合理地确定路面修复时机需要借助于完善的路况监测、评价体系和科学的道路运营费用分析系统。

参考文献

[1]长寿命沥青路面设计方法研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2008.

[2]长安大学长寿命路面结构研究课题组.高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究[R].西安:长安大学, 2005.

[3]崔鹏, 孙立军, 胡晓.高等级公路长寿命路面研究综述[J].公路交通科技, 2007, (10) :10-14.

长寿命路面结构 篇5

1 一种小型大功率长寿命继电器的研发

在现有小型大功率电磁继电器技术中,根据防护等级不同,可将继电器分为塑封继电器、防尘罩继电器和敞开继电器,其中防尘罩继电器和敞开继电器均为非塑封型电磁继电器。现有一种非塑封型电磁继电器,如图1所示,外壳上设置有通孔,能够释放继电器使用过程中内部由于温升产生的气体和触点切换负载过程中产生的热量,极大地提高继电器的电气寿命。但因顶部的通孔可以与外界进行气体交换,不适合用于潮湿、有水滴的场合。

为了防止助焊剂、水、保型剂等液体进入继电器内部,导致继电器输入端、输出端之间或触点之间短路、绝缘下降,还有另一种塑封型电磁继电器,如图2所示,采用封胶的方法,将支承系统、磁路系统和接触系统等继电器部分密封在外壳内。这使得继电器在工作过程中,由于温升导致塑料件挥发出的有机气体、热量无法排出,有机气体在电弧作用下分解,析出碳化合物,从而增大继电器发生故障的概率,降低寿命。要保证继电器的密封性,并不易实现,且效率不高。针对上述技术现状进行深入思考,如果具有一种特殊的防水透气结构,其能够防止水滴等液体流入继电器内部,同时能够有效地排出在继电器工作过程中内部产生的气体,那么就可以确保继电器在潮湿环境下有足够长的电气寿命。由此可见只有在分析和理解产品结构的目的和功能之后进行创新,使得同样的目的和功能在其它结构上实现,才能将之替代。下面分别详细描述。

结构上,主要将继电器结构分成外壳和继电器部分两个部分组成。

1)继电器部分包括支承系统、磁路系统和接触系统,如图3所示。

2)外壳上设置一个内外相通的气孔,通过对孔的路径进行特别设置,以达到防止外部水(液体)进入继电器内部,同时可以将继电器内部的气体排出外部,如图4所示。图5为继电器外壳上的防水透气结构剖切图。

在外壳相互垂直的两个面上分别设置有两个孔,其中顶部的孔采用环氧树脂胶密封,防止液体渗漏进入继电器内部;在继电器内部产生的气体、热量可通过侧面的孔排出外部,有效地提高继电器电寿命、接触可靠性。而且继电器外部的水等液体在除特殊角度外,无法通过侧面的孔流入内部。

该防水透气结构同时还考虑了模具可实现性和加工工艺性:外壳两个孔是相通的,只需要模具上简单地碰穿即可实现;顶部的孔采用机器自动点胶,保证密封的效果和一致性,且生产效率高。

上述创新方案采用了特殊的防水透气结构,继电器内部的气体可以通过防水透气孔排出,能够有效地释放继电器内部由于温升产生的气体和触点切换负载过程中产生的热量,极大地提高继电器的电寿命;同时在继电器的安装方向,水等液体无法从继电器外部的孔流入内部。该结构创新已申请并获得了专利授权,专利号和名称为:ZL200720008290.X《一种电磁继电器的防水透气结构》。

2 结语