组合式沥青路面结构（共11篇）
组合式沥青路面结构 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.
组合式沥青路面结构 篇2
BRT专用车道路面结构分析与组合设计
总结和分析了BRT专用车道的`车辙等病害及其产生原因.在此基础上,对沥青路面结构进行了力学分析,确定半刚性路面结构最大剪应力区和抗车辙区范围,为路面抗车辙设计提供依据.根据BRT系统的运行特点,针对性地提出了BRT车道路面结构组合设计和材料选择,并推荐了适合BRT运行特点的SMA+ATB和AC+PCC两种路面结构方案.
作 者：张勇 白子建 ZHANG Yong BAI Zi-jian 作者单位：天津市政工程设计研究院,天津,300051刊 名：中国市政工程英文刊名：CHINA MUNICIPAL ENGINEERING年，卷(期)：2010“”(1)分类号：U416.2关键词：BRT专用车道 路面结构 车辙 沥青路面
沥青路面合理结构的研究 篇3
关键词：沥青路面合理结构级配碎石基层施工
1沥青路面结构的相关概述
1.1沥青路面结构的分类从大的分类来说，公路路面可以按照使用的材料、施工方法、工程造价的多少或使用的品质及承受的交通荷载的方式进行分类。目前常用的做法是按照荷载来分，承受的交通荷载的方式分类可以分为柔性路面和刚性路面，我国还增加了半刚性路面。此种方式还可以认为是根据路面的力学特性进行划分的。在我国的沥青混凝土结构的划分中主要由以下几点：
1.1.1柔性路面。柔性路面是由具有粘性、弹塑性结合料和颗粒矿料组成的路面。其特点是抗弯强度低，主要依靠抗压、抗剪强度来抵抗交通车辆的荷载作用。其破坏取决于荷载作用下的极限垂直变形和水平弯拉应变。柔性路面包括铺筑在非刚性基层上的各种沥青路面、各种粒料路面和土壤路面等。
1.1.2刚性路面。刚性路面的特点是在荷载作用下起板体作用，具有较高的抗弯拉强度和较小的变形，因而它能减轻路基所受的应力。一般来说刚性路面是在弹性状态下工作，基础对板体起支撑作用，因此刚性路面的强度取决于板体的抗弯拉强度和基础的强度。水泥混凝土路面属于刚性路面。
1.1.3半刚性路面。半刚性路面所用的混合料在前期具有柔性路面的性质，随着时间的增长，到后期则逐渐向刚性路面转化，但它的抗弯拉强度仍较刚性路面低。石灰或水泥稳定加固土路面属于此类。
1.2沥青路面的功能作用和要求沥青路面的功能和作用不言而喻是以满足交通车辆安全、舒适通行为目的的，由于公路是暴露在自然环境条件下的土工工程构造物，因此，沥青路面还需满足并适应自然环境条件。
根据路面的功能和作用，对沥青路面结构的基本要求包括以下几个方面：①强度公路路面的强度是指路面结构层对于行车和自然因素等作用的抵抗能力即承载能力。在自然因素作用下，要求路面结构不产生过大的变形和发生过渡的磨损、压碎及疲劳等破坏。②稳定性公路路面的强度经常受到自然气候和水文因素的影响而发生变化，为了保证路面满足交通车辆行驶的需要，要求路面结构在任何气候和水文条件下都必须保持稳定的强度。⑨平整度路面越平整，交通车辆行驶时的振动、冲击越小，行车的滚动阻力也越小，这样就能保证交通车辆以较高的车速行驶，并使车辆的损坏减少，燃油和轮胎磨耗降低，行车更舒适。④粗糙度路面粗糙度的大小关系到行车安全，因此沥青路面必须满足一定的抗滑要求。因此，路面的要求与其相应的功能是统一的。
2沥青路面合理结构的选择(以级配碎石基层施工为例)
半刚性基层材料的研究和应用逐渐成熟，在以后的近二十年中，我国百分之九十以上的高等级公路沥青路面的基层或底基层一般都采用半刚性材料。几年来，由于半刚性基层开裂导致沥青路面结构反射裂缝问题日益突出，路面早期损坏严重，而我国级配碎石等粒料材料在高等级公路基层中的应用经验几乎没有。对此针对半刚性基层沥青路面结构早期损坏问题，希望通过对级配碎石材料的研究，将级配碎石材料在级配碎石基层施工中进行应用探讨。
2.1级配碎石材料的准备
2.1.1岩质的选择。级配碎石基层石料最好采用石灰岩，是因为石灰岩粗集料具有一定的韧性，细集料具有一定的塑性，这样在级配碎石混合料施工时，其和易性和保水性都比较好，易于碾压成型，不易离析：同时石灰岩粉末类同于石灰粉，与水反应后可以形成一定的强度，有利于路面结构的强度和长期使用的提高。在石灰岩短缺的地区其他岩质的集料也可采用如安山岩、花岗岩。
2.1.2集料的要求。对级配碎石混合料来讲，其强度主要来源于集料颗粒间的嵌挤，所以粗集料的棱角和破碎面至关重要，采用轧制工艺生产级配碎石集料最好。对级配碎石混合料采用的细集料来讲，尽可能采用石灰岩石屑，并严格控制含泥量。
2.1.3堆放要求。级配碎石集料堆放场地必须硬化，保证集料不被污染。料场中各档石料的堆放必须严格分开，不许窜料，否则级配难以控制。对于级配碎石的集料需要搭棚堆放，以保证混合料的含水量不受降雨的影响。
2.2现场施工前的准备工作级配碎石混合料摊铺前，首先恢复中线，进行标高控制和洒水预湿。在摊铺前，应检查下层的施工情况，下层的坡度、高程、横断面应该满足要求。级配碎石层最好采用全铺断面形式进行摊铺，以利路面结构内部排水，但会给边坡防护带来一定难度，主要是裸露的级配碎石层易被雨水冲刷而淘空。国外一般都采用这种方式，但由于我国高速公路或一级公路的路基有时会较高，因此这种方式需要进行调整。研究表明，由于沥青面层损坏或空隙率大而渗入基层内部的水分较集中，且不均匀，15％左右的级配碎石的空隙率很快会使水重新分布，不会形成动水压力，也就是说级配碎石的水分重分布功效要大干其排水功效。
2.3现场摊铺级配碎石的摊铺有推土机摊铺十平地机整平和摊铺机摊铺两种方式，根据青海与四川实体工程修建过程中的经验，高速公路的基层应采用摊铺机摊铺。山西平遥试验段由于较短，采用了推土机摊铺十平地机整平的组合方式基本可行，但根据承载板测定结果看，级配碎石基层的强度不太均匀，仍有离析发生。在使用平地机整平时，需要反复刮料，使粗骨料被刮起，集中在低洼处，形成离析带，刮平的遍数越多，级配碎石混合料的水分蒸发越严重，离析也越严重，针对以上情况在使用平地机摊铺时应注意以下几点：①级配碎石的拌和含水量应稍大，可以高出最佳含水量2％左右。②松铺系数应根据试铺段确定，一般在1.15～1.25之间，摊铺时要给刮平留有余地。③整平后应及时碾压。
2.4级配碎石的碾压
2.4.1碾压方式。直线和不设超高的平曲线段，由两侧路肩开始向路中心碾压：在设超高的平曲线段，由内侧路肩向外侧路肩进行碾压，路面的两侧应多压1～2遍。严禁压路机在已完成的或正在碾压的路段上调头或急刹车。碾压不平之处，移除多余部分，然后碾压整平。施工后的级配碎石层坡度、高程及横断面必须达到设计要求。
2.4.2碾压速度。压路机的碾压速度，头两遍以1.5～1.7km／h为宜，以后用2.0～2.5km／h。碾压是级配碎石施工中非常重要的环节之一。级配碎石结构层的强度主要通过碾压而获得粗颗粒的嵌挤、锁结以及细集料的填充形成的联结强度，因此，提高碾压工作的质量是提高级配碎石结构强度的直接手段。
2.5级配碎石基层的施工管理级配碎石基层的施工质量管理，国内外的规范主要在于材料、压实度控制。其中重点是以下几个指标：碎石混合料的级配，材料质量(材料的塑性指数及砂当量指标)，压实度等。成型后的级配碎石层要实行交通限制，对于底基层或级配类的在保湿养生情况下车辆可以行走，车速控制在20km／h，禁止急刹车和急转弯，级配碎石层应及时铺筑沥青层，铺筑前石硝要清扫干净，以利于沥青层与级配碎石层的联结。
3结语
市政工程沥青路面结构的组合设计 篇4
关于沥青路面结构应力的分析理论, 在历史上先后有弹性半空间体理论和弹性层状体系理论。弹性层状体系只是一种理想的结构模型, 因为沥青路面是用沥青材料作结合料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。弹性层状体系理论较弹性半空间体理论更能反映沥青路面的实际工作状况。沥青路面是层状体系, 沥青混合料是一种粘弹性材料, 在荷载作用下其应力应变关系一般呈非线性特性, 那么变量应随应力作用时间而变化, 并且在应力卸除后会有残余变形不能恢复。因此, 从力学性质上讲, 沥青路面属于非线性的粘弹塑性综合体。但是, 考虑到动荷载的特性, 行驶车轮作用的瞬时性, 而由此在路面结构中产生的粘塑性变形比较小, 所以可以将路面结构厚度大、强度高的高等级路面结构视为线弹性体, 计算时按线弹性层状体系理论分析。
二、计算模块的建立
SHELL设计法属于力学一个经验法。Bisar程序是基于多层弹性层状体系理论壳牌路面设计方法的一个计算程序, 利用Bisar程序可以计算弹性层状体系的应力、应变和位移。论文在进行沥青路面结构计算时, 采用的是双圆垂直均布荷载模式下的多层弹性连续体系理论。
Bisar3.0程序既可以计算任何一点的应力、应变和位移, 包括主应力、主应变及其作用方向, 对于层间接触条件, 不但有连续, 还有滑动, 又能计算部分摩擦阻力的各种情况, 同时又能考虑材料的非线性。
壳牌沥青路面设计方法是由壳牌公司于1963年提出的基于弹性层状体系理论的路面设计方法, 其功能包括沥青及沥青混合料力学性能预测、路面结构应力应变分析、新建路面沥青层厚度的确定、路面车辙深度的预测以及旧路罩面设计。在该设计方法中, 路面结构层分为沥青层、基层和路基三部分, 各层的控制指标有弹性模量、泊松比及厚度。交通荷载以标准双轮轴载次数为代表, 设计年限内的累计轴次即为设计寿命。以设计弯沉和层底拉应力为控制指标, 设计层层厚以及临界荷位的应力和应变由国外计算软件Bisar3.0进行分析计算, 主要设计标准为沥青层的容许拉应变和路基顶面的容许拉应变, 沥青层的容许拉应变控制开裂, 路基顶面的容许拉应变控制路面的变形。为了与我国的实际情况相结合, 最终结构由国内计算软件HPDS进行校验。
三、沥青路面结构设计
参照《公路沥青路面设计规范》 (JTGD50一2006) , 沥青路面结构层可由面层、基层、底基层、垫层等多层结构组成。
沥青路面的结构组合设计应根据当地的水文地质、气候特点, 城市道路类型, 交通量及交通组成等因素, 结合当地的实践经验, 选择适宜的路面结构组合, 拟定沥青层厚度。为防止雨水、雪水渗入路面结构层、土基, 沥青面层应选用密级配沥青混合料。当采用排水基层时, 其下应设防水层, 并设置结构内部的排水系统, 将水排出路基。
1. 沥青路面结构类型
在参考国外文献资料及相关规范的基础上, 将沥青路面结构大致分为半刚性基层沥青路面结构、组合式I结构、组合式Ⅱ结构、柔性基层沥青路面结构以及全厚式沥青路面结构5种类型。如下表所示。
由表1可以看出, 可选择的结构形式多种多样, 结构选择时应充分考虑各地的主要气候环境、交通状况、材料以及经济情况, 来选定经济合理的沥青路面结构, 兼顾结构的耐久性、结构层的可再生性, 最大限度地降低对环境的影响。
大量实践证明, 对于薄沥青层的半刚性路面, 横向裂缝己成为沥青路面的主要问题之一, 虽然可以采取各种措施延缓、推迟其发生的时间或者减少开裂数量, 其路面裂缝是不可避免的。由于在沥青面层或多或少要产生开裂, 同时, 半刚性材料具有对荷载疲劳的敏感性, 半刚性路面的使用性能具有极大的不可预测性, 同时路面的维修量很大, 往往需要结构性重建。
目前, 在我国大量使用全厚式沥青路面还需要进一步论证, 由于这种结构使用的沥青层较厚, 初期投资可能太大。从我国的实际情况看, 推广和运用组合式结构和柔性基层这两种路面结构应该是比较适宜的。
对于中、轻交通量柔性基层结构可以采用厚一些的级配碎石作为基层使用, 沥青层的厚度可以适当薄一些;对于重交通量的高速公路, 宜采用较厚的沥青层, 级配碎石宜稍薄一些。
2. 初拟路面结构组合方案
城市主干路, 在城市交通方面, 起到了重大的作用。以某大路为例进行主干路路面结构力学分析。
主干路累计轴载作用次数为500万轴次。
沥青稳定碎石基层
初拟的路面结构型式:
a.设计弯沉ld与路表弯沉的计算
设计弯沉值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按公路沥青路面设计规范 (JTGD50一2006) 中式计算确定:
ld=600Ne-0.2Ac As Ab
式中:ld一设计弯沉值 (0.01mm) ;
Ne一设计年限内一个车道累计当量轴次 (次/车道) ;
Ac一公路等级系数, 高速公路、一级公路为1.0, 二级公路为1.1, 三、四级公路为1.2;
As一面层类型系数, 沥青混凝土面层为1.0, 热拌和冷拌沥青碎石、沥青贯入式路面 (含上拌下贯式路面) 、沥青表面处治为1.1;
Ab一路面结构类型系数, 半刚性基层沥青路面为1.0, 柔性基层沥青路面为1.6。
ld=600x (5x206) -0.2xl.0xl.0xl.6=43.90 (0.01mm)
采用SHELL设计法的Bisar3.0程序进行试算:
当设计层厚度标准轴载:BZZ—100, 路面设计弯沉值为43.9 (0.0lmm) , 路面设计层位:4, 由公路沥青路面设计规范 (JTJD50—2006) , 密级配沥青碎石的适宜压实厚度为8~12cm。
按设计弯沉值计算设计层厚度:
ld=43.9 (0.01mm)
H (4) =25cm路表计算弯沉ls=50.47 (0.01mm)
H (4) =30cm ls=45.13 (0.01mm)
H (4) =32cm ls=43.31 (0.01mm)
可知ls
b.计算容许拉应力
容许拉应力是指混合料的极限抗拉强度与抗拉强度结构系数之比。路面结构层的容许拉应力是路面结构在行车荷载重复作用下达到疲劳临界状态时容许的最大拉应力。
《公路沥青路面设计规范》 (JTGD50—2006) 中规定, 沥青混凝土面层或半刚性材料基层、底基层, 在进行结构层层底拉应力验算时, 结构层底面计算点的拉应力σm应小于或等于该层材料的容许的最大拉应力, 即:σm≤σR。
按《公路沥青路面设计规范》 (JTGD50一2006) 规定, 沥青混凝土层、半刚性材料基层和底基层以拉应力为设计或验算指标时, 材料的容许拉应力σR应按式计算:
式中:σR—路面结构层材料的容许拉应力 (MPa) ;
σS—沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度 (MPa) ;
KS—抗拉强度结构系数。
根据结构层材料不同, 按以下公式计算。
四、总结
组合式沥青路面结构 篇5
软土地基上高速公路沥青路面结构设计
随着高速公路建设的发展;建设保持了持续快速增长的`势头;高速公路在软土地基路段,采用具有级配碎石夹层的沥青路面结构可以降低沥青面层底面的附加应力,较好地防止和延缓下基层反射裂缝的作用,从而延长沥青路面使用寿命.本文阐述了软土地基上高速公路沥青路面结构设计;对于在软土地基上修筑沥青路面结构有着一定的参考价值.
作 者：李辉 作者单位：深圳高速工程顾问有限公司刊 名：城市建设英文刊名：CHENGSHI JIANSHE YU SHANGYE WANGDIAN年，卷(期)：“”(1)分类号：U4关键词：高速公路 地基施工 沥青路面 结构设计 有元计算
碾压混凝土基层沥青路面结构分析 篇6
关键词：路面工程；沥青路面；碾压混凝土；结构分析
中图分类号： TU37 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
碾压混凝土（Roller Compacted Concrete 简称 RCC）是一种单位用水量较少、坍落度为零的超干硬性混凝土[1]。使用硅酸盐水泥、火山灰质掺和料、水、砂、外加剂和分级控制的粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与水泥稳定碎石基层施工相同的运输及铺筑设备，用振动分层压实，适用于大体积混凝土工程[2]。碾压混凝土基层的优点是：工期短、经济、高弯拉强度、高弹性模量、耐久性路面、优良的抗水损害性能、优良的抗温度疲劳性能、降低了建设期的调价分析[3]。这些优点使得碾压混凝土基层特别适用于高速、重载下的高等级公路路面结构。本文采用有限元方法，对比分析碾压混凝土基层与半刚性基层沥青路面弯拉和剪切力学响应。
1计算方法
车辆荷载通过轴载作用在路面上，由于轴的对称性，路面结构在车辆荷载作用下的力学响应分析仅需考虑半边轮载的作用。表征车辆轮载作用下路面结构力学响应特性的最简单方法是将路面结构简化为多层体系。弹性多层体系在圆形均布荷载作用下的计算图示如图1。其中，轮载为标准轴载0.7MPa， 其转化为平面问题后，施加的荷载大小为117371Pa，双圆荷载半径=10.65cm，轮距3=31.95cm，初步拟定的路面结构如图2、图3所示。
根据国内《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006），以及参考国内外经试验实践证明的常用的参数，在本项目中路面结构计算分析中所采用的材料力学参数如表1所示。
模型深度取3m，宽度取6m，模拟路面结构采用CPE8R（8节点二次平面应变缩减积分单元）单元，分析类型为平面应变。路面结构有限元分析如图4。
图4 路面结构有限元分析模型
2计算结果与分析
2.1基层开裂后沥青层底弯拉应力分析
根据南非路面研究结果，水稳基层一般在第3年后出现收缩裂缝，5年后出现荷载裂缝，8年后水稳基层碎裂成粒料。结合我国实际情况，建议模量逐年衰减取值如表2所示。
RCC路面结构与CTB路面结构在衰减年限内沥青层层底拉应力对比，如图5所示。
图5 不同路面结构沥青层底弯拉应力随模量衰减曲线
当RCC模量衰减到很低时（20年左右），即当RCC衰减成碎石时，模量取值为200MPa，瀝青层底由压应力转变为拉应力，拉应力为213723Pa。
当RCC为40cm，模量衰减为200MPa时，轮中心处沥青层层底拉应力为188157Pa。
2.2沥青面层与基层之间剪应力分析
碾压混凝土RCC基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图如图6所示。
图6 碾压混凝土RCC基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图
由应力云图可知，荷载外缘附近剪应力值大于内缘处，应力等值线以轮缘为中心向四周扩散，层间剪应力最大值出现于轮缘外侧，沥青面层与RCC基层层间剪应力为353603Pa。
含水泥稳定碎石基层（CTB）沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图如图7所示。
图7 水泥稳定级配碎石CTB基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图
由应力云图可知，荷载外缘附近剪应力值大于内缘处，应力等值线以轮缘为中心向四周扩散，沥青面层与CTB基层层间剪应力为271559Pa。相比两种路面结构，与半刚性基层比，RCC模量大，从而导致沥青层与基层之间剪应力较大。与水泥稳定基层相比，面层与基层之间的剪应力增大了30.1%左右。
3结语
采用有限元方法，对比分析碾压混凝土基层与半刚性基层沥青路面弯拉和剪切力学响应。结果表明：
（1）两种结构的路面随着年限的增长，基层逐渐开裂，面层与基层模量衰减，相比之下基层的模量衰减更为迅速，导致第9年开始，含水泥稳定级配碎石基层（CTB）沥青层底由受压状态转为受拉状态。相比较而言，RCC基层初期模量值比水泥稳定碎石基层大得多，15年衰减后其模量值仍达到2000MPa，因此沥青层底一直处于受压状态。当RCC模量衰减到很低时（20年左右），即当RCC衰减成碎石时，模量取值为200MPa，沥青层底由压应力转变为拉应力；
（2）与半刚性基层比，RCC模量大，从而导致沥青层与基层之间剪应力较大。与水泥稳定基层相比，面层与基层之间的剪应力增大了30.1%左右。
参考文献
[1] 刘数华，曾力，吴定燕.碾压混凝土抗裂性能研究[J]重庆建筑大学学报，2002，24（5）：71-75.
[2] 凌建明， 西绍波.碾压混凝土在机场场道工程中的应用[J].同济大学学报， 1997（5）： 598-603.
组合式沥青路面结构 篇7
组合式基层沥青路面采用半刚性材料作为路面结构的底基层,柔性材料作为路面结构的基层。该结构充分利用半刚性材料较高强度和承载能力,可以减少沥青层的厚度,大大节约初期投资,同时半刚性材料层位的下降,大大改善了路面结构的受力条件;柔性基层可以对半刚性底基层反射裂缝起到缓解和止裂的作用,还可以改善路面结构的水温条件[2]。
常用的组合式基层沥青路面结构形式,采用沥青稳定碎石作基层,无机结合料稳定集料作底基层的结构形式。由于采用这种柔性基层加半刚性基层的特殊路面结构形式,故导致组合式基层路面结构的应力分布、受力等与传统的半刚性基层沥青路面结构的受力状态有所不同。在此基础上,参考国内外已建相关路面结构的成功经验,提出适合我国的组合式基层路面结构的设计控制指标与标准。
1 设计控制指标的选取
我国新建公路沥青路面采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性体系理论,以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标,以弯拉应力作为控制结构层疲劳开裂的设计指标。在国外沥青路面,以沥青层层底拉应变εr作为控制沥青层疲劳开裂的设计指标、路基顶面压应变εz作为控制永久变形的设计指标、半刚性底基层层底拉应力σm作为控制半刚性底基层疲劳开裂的设计指标。
我国长期采用路表弯沉作为控制指标,并建立了一整套相对比较完善的测试换算体系,而且弯沉指标的测试比较便捷,设计施工单位已积累了丰富的实践经验。基于这点考虑,采用路表弯沉作为组合式基层沥青路面结构的设计控制指标。
我国现行的沥青路面设计规范采用沥青面层层底拉应力来控制疲劳损伤,但由于疲劳损伤产生的裂缝不是规则的横向裂缝,而是产生在与沥青混合料最大拉应变垂直的面上,而用水平拉应力去分析沥青面层疲劳损伤是不当的,故应选用沥青面层层底拉应变控制沥青层的疲劳损伤[3~4]。
为了提高路面结构的整体刚度选择用半刚性底基层是一个好办法,一方面是既考虑了半刚性材料强度高、板体性好的特点,又充分利用了我国半刚性材料使用的经验;另一方面通过利用半刚性底基层,可以适应目前我国对路基强度要求较低的现状。组合式基层沥青路面的半刚性底基层无疑将承受一定的弯拉应力,因此,半刚性底基层层底拉应力应作为组合式基层沥青路面的设计控制指标。
2 设计控制标准
2.1 沥青路面路表弯沉设计标准
路表设计弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标,其值应根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型计算确定。由JTG D50—2006《公路沥青路面设计规范》中设计弯沉公式得
式中:ld为路面设计弯沉值(0.01 mm);Ne为设计年限内一个车道上的累计当量轴次,次/车道;Ac为公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0,二级公路为1.1,三、四级公路为1.2;As为面层类型系数,沥青混合料面层为1.0,热拌沥青碎石为1.1,沥青表处为1.2;Ab为路面结构类型系数,半刚性基层沥青路面为1.0,柔性基层沥青路面为1.6。
由于力学计算模型,土基回弹、材料特性和参数等方面在理论假设与实际状态之间存在一定的差异,理论弯沉值与实测弯沉值之间存在一定的误差,为了使实际测量弯沉与理论计算弯沉结果一致,通过对大量实测资料进行分析,提出了弯沉综合修正系数F的计算公式如下:
式中:Ls为路表计算弯沉值(0.01 mm);p为标准车型的轮胎接地压强,MPa;δ为当量圆半径,cm;E0为土基回弹模量值,MPa。
式(2)存在反常现象,即随着土基回弹模量的增大,设计出的路面厚度反而增大;并且该式对路面结构层厚度没有作必要的考虑。另外,因半刚性基层是当前最为广泛采用的基层形式,故该修正公式主要适用于半刚性基层沥青路面。但随着柔性路面结构、组合式路面结构的日益广泛采用,有必要提出新的弯沉综合修正公式。在分析现行沥青路面设计规范中弯沉综合修正系数F的基础上,通过对现场试验路的实测数据的统计分析[5],提出了新的弯沉综合修正系数F,计算式如下:
式中:D为当量圆直径,cm;h为路面结构的总厚度,cm。
2.2 沥青面层层底拉应变设计标准
疲劳破坏是沥青路面结构设计中重要的设计指标,可以通过控制沥青层层底拉应变来达到控制沥青层的疲劳开裂。
根据国内外研究结果,沥青层层底拉应变εr与路面疲劳寿命之间的关系为
式中:Nf为疲劳破坏时的标准轴载累计当量轴次,次/车道;K1、K2为与路面结构和材料有关的系数。
由于不同的设计方法,对不同性质的沥青混合料(如孔隙率、弹性模量的不同)K1、K2的取值就不相同,同时国内还没有具体成熟的研究,因此K1、K2的取值还不能具体确定。
根据国内外柔性沥青路面基层材料的调查,柔性基层主要以沥青稳定碎石为主。沥青稳定碎石基层底拉应变的计算需要根据材料的疲劳方程进行确定。
近年来国内开展了一系列关于沥青稳定基层的研究,选择4种应变控制水平、2种油石比进行LSM混合料的4点梁弯曲疲劳试验,并采用AASHTOT321和简化能量消散率方法进行试验数据分析。
试验结果表明:LSM沥青混合料在低应变水平下存在疲劳极限现象,并提出LSM混合料的疲劳极限为70με。由于低应变水平下的疲劳极限试验难以实现,再加上疲劳试验本身存在极大的离散性,至今国内外对沥青混合料的疲劳极限大小仍无定论。根据国内外已有的研究成果,本文将沥青混合料的疲劳极限取为65με。
2.3 半刚性底基层层底拉应力设计标准
在组合式基层沥青路面结构中,将半刚性材料作为路面结构的底基层。因为半刚性材料具有强度高、板体好等特点,可以减少沥青层的厚度,降低路面结构的造价;利用半刚性材料做底基层,可以改善国内目前对土基强度普遍要求不高的现状。但是半刚性材料作为底基层,在荷载和自然条件的综合作用下,难免会产生开裂的现象,所以必须对其受力条件进行限制。
国内采用控制轮隙中心或单圆荷载中心处的底基层拉应力计算公式:
式中:σm为半刚性底基层设计计算弯拉应力,MPa;σR为半刚性底基层材料的容许拉应力,MPa。
3 结语
本文通过对组合式基层沥青路面的结构力学指标的研究,主要得出以下结论。
1)根据我国现行的沥青路面设计指标,提出了组合式沥青路面的设计控制指标:路表弯沉、沥青面层层底拉应变、半刚性底基层层底拉应力。
2)通过借鉴国内外的相关研究成果,提出了组合式基层沥青路面结构的设计标准。
参考文献
[1]邓学钧.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]肖亮.组合基层沥青路面结构研究[D].西安:长安大学,2007.
[3]胡春华,孙立军.考虑层厚的路面弯沉修正系数研究[J].同济大学学报,2006(7):895-898.
[4]黄卫.沥青路面设计指标和设计方法研究[D].南京:东南大学,1994.
复合式沥青路面防治反射裂缝 篇8
1 增加沥青层的厚度
在德、法、英、比利时、西班牙、奥地利等国家是采用典型结构法, 并通过适当增加面层的厚度等措施来减少反射裂缝。沥青加铺层设计主要是加铺层厚度计算, 此厚度由行车荷载和减缓反射裂缝的要求确定。有关文献表明, 加40mm沥青加铺层可减小10mm水泥混凝土下面层厚度。因此, 沥青加铺层的主要作用是提高路面的表面使用功能, 而对承载作用贡献不大, 水泥混凝土板是主要的承载层。
增加沥青层的厚度, 能延缓反射裂缝的出现, 但过厚不仅不经济, 而且易出现车辙。根据《公路水泥混凝土路面设计规范》 (JT-GD40-2002) , 高速公路和一级公路的沥青层最小厚度宜为10cm, 其他等级公路的最小厚度宜为7cm, 且一般采用两层密实型沥青混凝土结构。
2 铺设应力吸收层
目前, 在国内常用的应力吸收层有沥青橡胶层和STRATA反射裂缝应力吸收系统。
2.1 沥青橡胶层。
沥青橡胶应力吸收层 (SAMl) 起着一种软介层的作用, 它能把接缝位移引起的应力完全消散在夹层中。其施工方法为:把一种橡胶沥青加热到180℃时, 以1.22~1.63kg/m2的用量洒铺, 再趁热撒布预先拌好的等粒径砂 (14kg/m2) , 厚度为9~13mm。
2.2 STRATA反射裂缝应力吸收系统。
STRATA反射裂缝应力吸收系统是一种专门用于水泥混凝土路面的沥青罩面方法, 包括应力吸收层和罩面层两部分。它不但可以延缓反射裂缝, 还可以消减行车载荷在水泥板接缝处产生的位移对表面层的疲劳破坏, 特别是对防止水对路面基层侵蚀的作用非常明显。
3 设置大粒径沥青碎石过渡层
在水泥混凝土与沥青罩面层间设置大粒径沥青碎石层, 这种混合料的集料最大粒径达4~5cm, 所含细集料极少, 集料颗料间嵌挤良好, 沥青含量在2.5%~3.5%之间。因此, 有良好的抗变形能力, 并能减少和延缓反射裂缝。该技术在国内外应用获得了成功。其应注意的问题包括:防止沥青混合料运输过程中沥青发生析漏;应确保压实充分, 形成稳定的沥青碎石层;应确保排水通道畅通, 防止积水。
4 土工织物法
土工织物 (如土工布或玻璃纤维格栅) 也常常用于水泥路面与沥青罩面中间层, 其目的是改善沥青罩面层的受力性能和抗变形能力。但在实际应用中, 只有少数工程达到了减少和延缓反射裂缝的作用, 不能防止反射裂缝的产生。有相当多的项目却没有作用, 在经历一个冬季后很快出现反射裂缝。主要原因是在施工中没有拉紧 (要求张拉伸长率达到1%~1.5%) 土工布或玻璃纤维格栅, 不能和沥青罩面协同受力、变形。
土工织物对沥青混凝土起着加强的作用, 而且也是一种有效的防水层。必须用沥青黏结层填充织物的孔隙。如果织物的接缝很宽, 又没有填充, 便没有足够的沥青渗入纤维织物, 织物也就起不到防水的作用。当然土工织物的物理及力学性质, 要满足路用性能的要求, 即抗腐蚀、耐热、抗拉强度、顶破与撕裂强度及变形特性等。施工时, 应先清扫水泥混凝土路面, 洒一定量阳离子乳化沥青, 铺土工织物, 并立即铺筑沥青混凝土。一般沥青混凝土的厚度在5cm以上。据有关资料介绍, 铺设一层土工织物, 其预防反射裂缝的效果相当于修3~4cm沥青混凝土。目前, 在我国聚酯玻纤布在复合式沥青路面中应用较广, 具体各工序施工要求如下:
4.1 清理旧有路面。
首先一定要用清洁工具将路面清扫干净;将路面上尖锐的部分予以铲除;对于路面严重裂缝、破碎处, 应铲除其破碎部分, 并且采用沥青混凝土或沥青砂修补原有缝裂、坑槽、找平;凹处较严重时, 应采用沥青混凝土填平。在安装前, 路面应当干燥, 没有污物、尘土和碎石。
4.2 接缝处理。用高压空气清除接缝内杂物 (水、脏物、土、杂草、油脂、废物等) ;接缝采用沥青混合料 (沥青及石粉混合料) 填充。
4.3 喷洒沥青黏层。
根据旧路面的粗糙度和聚酯玻纤布的饱和量及温度限制, 黏油的用量一般控制在0.8~1.2kg/m2之间;热溶沥青的喷洒温度应控制在160~180℃之间;喷洒机械最好用小型的手工控制洒布机械, 热沥青的喷洒宽度应该要比聚酯玻纤布宽5~10cm左右;喷洒要均匀, 切忌黏层油量不足或条纹状喷洒。施工的关键工序是喷洒沥青黏层。
4.4 铺设聚酯玻纤布。
技术要求:平整无折、皱, 并及时铺设 (在喷洒沥青高温状态下) , 铺设可采用人工及机械铺设, 接口处应相互搭接15cm。
4.5 铺设沥青混凝土面层。采用热拌、热铺沥青混凝土, 沥青混凝土罩面层厚度以不小于5cm为宜。
4.6 碾压。
碾压时压路机从路边起压向路中, 双轮式压路机每次重叠宜为30cm。不得在新铺沥青混凝土上转向掉头及左右移动或突然刹车。
5 采用加筋沥青混合料或改性沥青混合料
水泥板的接缝或裂缝是不可避免的, 也难以在层间阻止裂缝的反射, 因此采用抗裂性能好的罩面材料是必由之路。使用数量较大的软沥青虽改善了抗裂性能, 却易造成车辙和泛油。因此, 可在沥青混合料中掺加聚丙烯或聚脂合成纤维, 增加混合料的抗拉强度。这种混合料能通过特制的裂缝反射试验机测试其在轮载作用下的断裂特性, 却不能获得其对温度应力的影响。该技术在国外获得了良好的效果, 是当前防反射裂缝方面的前沿课题之一。
综上所述, 不难看出目前的各种技术均无法解决反射裂缝问题。因此, 应集中研究控制裂缝的严重程度。目前正在使用的一种方法, 就是在沥青层上锯缝并进行密封。这既可以防止水或异物进入, 且有利于释放沥青层内的应力。这种处理方法, 可以减少反射裂缝处的剥落, 尤其在设接缝的配筋长路面板上的沥青混凝土层更有效。
摘要：复合式沥青路面为了解决反射裂缝问题, 常用的措施有:提高基层强度与刚度, 或横缝设传力杆, 以减小相邻板弯沉差;提高沥青混合料的强度和抗拉伸性能;从结构设计上着手解决, 如在水泥混凝土板与沥青层之间设置沥青橡胶层、沥青砂层、沥青混合料连接层 (过渡层) 、土工织物、钢丝网、油毡、锯口封缝等。本文介绍几种复合式沥青路面防治反射裂缝的技术措施。
关键词：复合式沥青路面,反射裂缝,防治措施
参考文献
[1]于淑杰.沥青路面反射裂缝处治措施探讨[J].建筑科技, 2007.
组合式沥青路面结构 篇9
1.1 基本假定
沥青路面和AC+RCC复合式路面均由面层、基层、底基层、垫层和土基组成。不同之处在于, 前者的面层只有AC层, 而后者的面层由有限尺寸RCC板和AC层组成。对这两种路面结构进行荷载应力分析之前, 作以下假定:
(1) 各层材料具有线弹性;
(2) 各结构层之间完全连续;
(3) RCC板的四周面为自由面;
(4) 地基为弹性半空间体。
1.2 有限元模型
用有限元计算路面结构时, 其收敛性不仅与单元的合理划分有关, 而且与所取的空间区域大小有关。当计算范围足够大、单元的疏密程度与场变梯度基本相适应时, 计算结果收敛于精确解。在实际的路面结构中, 地基为弹性半空间体, 为了使其无限大特性在计算中得以体现, 就需要考虑地基的空间尺寸范围。经过对地基不同尺寸进行误差分析, 地基尺寸拟定为:8m×8m×8m (沥青混凝土路面) , 10m×20m×6.5m (复合式路面, RCC板尺寸通常取5m×12m, RCC板下的结构采用扩大尺寸) 。模型的边界条件为:
①对于沥青路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, 侧面约束其法向位移;
②对于复合式路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, RCC板与沥青面层均假定为自由面。荷载作用区域网格划分较密, 单元尺寸约为2cm, 远处网格逐步扩大。
1.3 计算参数
车辆荷载采用标准轴载BZZ-100, 轮胎接地压强p为0.7 MPa;单轮传压面当量圆直径d=21.3cm, 两轮中心距1.5d。轮胎与路表的摩擦系数取0.2。
两种路面结构计算参数见表1和表2。
2 计算分析
本文采用三个指标来描述:弯沉、最大主应力、最大剪应力。在通常计算中, 最大主应力计算点位于经过双圆范围内某点且垂直于路表的直线上, 但是对于沥青层来说, 这个计算点上的应力一般均为压应力, 最大主应力值为负值。所以, 本文计算中将计算沥青层层面整个范围的应力值, 并取最大值作为最大主应力值。
考虑到两种路面结构的AC层厚度不一样, 为了使二者具有可比性, 本文取AC层同一深度处的数据进行分析, 见表3。其中, “路1”表示沥青路面, “路2”表示AC+RCC复合式路面。
总体上讲, 考虑水平荷载作用的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大一些, 而弯沉值基本不变。在相同荷载作用下, 沥青路面的弯沉值远大于复合式路面, 前者是后者的两倍有余。路表最大主应力和中面层底面最大主应力均以复合式路面为大, 对于只受垂直荷载作用的情况, 两者的比率分别为63%和43%;考虑水平荷载作用时, 其比率分别为67%和34%。对于表面层底面最大主应力, 则沥青路面要远大于复合式路面, 其比率为360% (只受垂直荷载作用) 和256% (考虑水平荷载) 。沥青路面和复合式路面的路表最大剪应力、中-下面层间最大剪应力基本持平, 在考虑水平荷载时, 后者的路表最大剪应力略大于前者 (比率约为77%) 。两者的表-中面层间最大剪应力基本相等, 后者略大于前者, 其比率为89% (只受垂直荷载作用) 和92% (考虑水平荷载) 。
3 部分参数变化对荷载应力的影响
3.1 面层厚度变化对荷载应力的影响
参照《公路沥青路面设计规范 (JTG D50—2006) 》, 取表面层 (细粒式AC) 的厚度分别为2cm、3cm、4cm、5cm、6cm, 取中面层 (中粒式AC) 的厚度分别为4cm、5cm、6cm、7cm、8cm, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表4、表5、图3、图4。其中, 弯沉差表示沥青路面的弯沉与复合式路面的弯沉之差, 因为个别指标的符号会发生变化, 所以不对其取绝对值, 但在分析的时候, 对其取绝对值。下文的应力差意义相类似。
由表4、表5可见, 随着表面层和中面层厚度的增加, 弯沉差均线性减小, 其减小速率分别为0.58×0.01mm/cm, 0.54×0.01mm/cm。
由图1可以看出, 随着表面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值则先减小后增大;路表最大剪应力差、中面层底面最大主应力差的绝对值线性减小, 但变化速率很小;路表最大主应力差和中-下面层间最大剪应力差的绝对值均逐渐增大, 其中, 路表最大主应力差对面层厚度变化比较敏感。
在图2中, 随着中面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈线性增大之势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值先增大后减小;路表最大剪应力差的绝对值逐渐增大;其它应力指标随中面层厚度变化的规律与随表面层厚度变化的规律相似。
3.2 面层弹性模量变化对荷载应力的影响
取表面层的弹性模量分别为1200MPa、1300MPa、1400MPa、1500MPa、1600MPa, 取中面层的弹性模量分别为1000MPa、1100MPa、1200MPa、1300MPa、1400MPa, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表6、表7、图3、图4。
由表6、表7可见, 随着表面层和中面层弹性模量的增大, 弯沉差均线性减小, 其减小速率大致相等, 约为0.001×0.01mm/MPa。
由图3可知, 随着表面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大剪应力差和中面层底面最大主应力差的绝对值近似为线性减小, 其中路表最大剪应力差从负数逐渐变为正数。
在图4中, 随着中面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值递增, 但是增大的速率逐渐减小;中面层底面最大主应力差、路表最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性减小。
3.3 超载率变化对荷载应力的影响
取作用于路表的垂直荷载的超载率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表8、图5。
由表8可知, 随着超载率的增加, 弯沉差线性增大, 其增长速率约为2×0.01mm/10%。
从图5可见, 随着超载率的增加, 各项应力差的绝对值均呈线性增大的趋势, 其中增长速率最大的是路表最大主应力差, 为0.0055MPa/10%;增长速率最小的是中面层底面最大主应力差, 为0.0011MPa/10%。
5 结语
(1) 考虑水平力的作用时, 除了弯沉不变外, 沥青路面和复合式路面之AC层的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大。
(2) 两种路面结构的弯沉差随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大而线性减小, 随着超载率的增大而线性增大。
(3) 超载率的增大使得各项应力指标的差值都线性增大。
(4) 随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大, 两种路面结构的各项应力差均表现出明显的规律性, 在路面结构的AC层设计中, 可以根据需要对某一参数加以控制。
摘要：为研究沥青路面和AC+RCC复合式路面这两种路面结构的AC层之间的应力状态有何异同, 对其进行ANSYS数值模拟分析。通过仿真计算, 求出它们在相同荷载作用下的荷载应力, 进而给出规律性的结论, 为路面结构的AC层设计提供参考。
组合式沥青路面结构 篇10
随着我国高速公路的飞速发展，沥青混凝土路面在高速公路中应用越来越广泛，应用过程中，为了提高沥青混凝土的性能，采用的配合比设计方法越来越多，部分设计采用了揉搓法或旋转法成型试件，在规范范围内调整了级配和空隙率，理论密度有所提高。为达到规范要求的压实度，就要求在沥青混凝土路面施工过程中，充分利用现场资源，采用合理的碾压工艺，以提高沥青混合料碾压后的密实度。我公司近年来在沥青混凝土路面施工中采用组合碾压方法进行施工，提高了施工质量，加快了施工进度，取得了较好的效果。
2 技术特点
1)在沥青混凝土碾压过程中，交错利用钢轮压路机的振动压实功能和胶轮压路机的揉搓功能，充分发挥沥青混凝土的温度资源，在保持较高温度的状态下，对沥青混凝土进行碾压，做到及时压实、及时消除轮迹，提高压实度和平整度。
2)沥青混凝土路面施工机械化程度高，采用组合碾压工艺使设备组合更加经济完善，提高了压实机具的使用率，加快了施工进度。
3 适用范围
这种工艺适用于高速公路及其他等级公路、城市道路沥青混凝土路面的施工。
4 工艺原理
利用钢轮压路机的振动压实功能和胶轮压路机的揉搓功能，在沥青混凝土路面碾压过程中，由一台钢轮压路机和一台胶轮压路机组合成一组，两台压路机中间保持安全距离，一般控制在2 m左右，统一速度，同时前进，同时后退，碾压时要求压路机操作手能熟练配合。高速公路由于路幅较宽，一般采用两组压路机进行碾压。
5 施工工艺流程及操作要点
5.1 施工工艺
施工工艺流程如图1所示。
5.2 操作要点
1)首先根据设计要求进行目标配合比设计和生产配合比的设计、验证，验证过程中检查混合料的油石比和级配是否和生产配合比相符，各种性能指标是否有偏差，并检验拌和机是否稳定正常。
2)准备好下承层，按设计要求进行透层油或粘层油施工;检查机械设备，使各种设备处于良好状态;由于组合碾压对压路机操作手有较高的要求，在试验段施工前，组织现场负责人、操作手及有关人员在路基上进行演练，掌握组合碾压的操作要领，保证在施工时能按组合碾压的方法正常碾压。
3)按照验证后的生产配合比进行混合料的拌制，并按规定组织运输，做到保温、不离析。
4)摊铺时，摊铺机的螺旋布料器要有2/3以上埋入混合料中，以避免混合料摊铺离析;摊铺后尽量避免人员踩踏，如局部离析，组织人员修补;摊铺速度按照拌合楼的供应能力和现场压实设备的压实能力确定，一般控制在2 m/min～3 m/min。
5)沥青混凝土的碾压温度及速度。a．改性沥青混合料初压温度一般控制在165℃～170℃，不低于160℃，终压完成的温度不低于110℃;普通沥青混合料一般初压温度为150℃～160℃，一般不低于150℃，终压完成温度不低于100℃。b．压路机的碾压速度如表1所示。
km/h
6)碾压:
a．在工程正式开工前，应进行一段试验段的施工，通过试验段来确定压路机的机械组合和碾压遍数。在做试验段时，先在以前施工经验的基础上进行初步确定，通过做试验段时的观察、测定后来做最后的确定。本施工技术以山东荣乌高速公路第四合同段为例来说明组合碾压的选择。
对于改性沥青混合料碾压工艺，施工中按照如下A,B两种碾压方案进行碾压:
A方案:
初压:XP302胶轮压路机紧跟摊铺机碾压一遍;
复压:BW203、酒井SW900双钢轮压路机各强振一遍;
终压:沃尔沃DD138双钢轮压路机静压至无轮迹。
B方案:
初压:酒井SW900双钢轮压路机前进静压，后退弱振一遍;
复压:XP302胶轮压路机碾压一遍，BW203双钢轮压路机强振两遍;
终压:沃尔沃DD138双钢轮压路机静压至无轮迹。
碾压终了，通过压实度检测，以上两种碾压方案碾压的段落均达到压实效果，说明该两种压实方案都能够满足压实度要求。但B碾压方案在碾压过程中经用6 m直尺检测平整度较A方案要好，故在施工中采用B方案进行沥青混合料碾压。本着经济有效、保证质量的原则，同时也对B方案进行部分调整，调整后的B方案如下:
压实顺序、碾压工艺及碾压遍数:
初压:BW203、酒井SW900双钢轮压路机前进静压，后退弱振碾压各一遍;
复压:BW203、酒井SW900双钢轮压路机各强振一遍;XP302胶轮压路机碾压一遍;
终压:沃尔沃DD138双钢轮压路机静压至无轮迹。
碾压温度与速度如表2所示。
km/h
b．为了避免碾压时混合料推移产生壅包，碾压时驱动轮朝向摊铺机，碾压路线及方向不应突然改变;压路机每次在两端折回的位置形成阶梯形随摊铺机向前推进，禁止折回处位于同一横断面上。压路机启动、停止必须减速缓行，不准刹车制动。不能在未完成碾压的路面上转弯、急刹车等。
c．碾压过程中，双钢轮压路机要确保滚轮湿润，以免粘附混合料，同时严禁“洒大水”碾压，以防止混合料表层降温过快从而影响成型效果。设专人密切关注压路机的粘轮问题，对于出现粘轮的，立即采用铲刀刮除，以防止影响混合料的表面平整度。碾压过程中专人对碾压遍数进行控制。事实证明，调整后的B组合式碾压新工艺确实具有容易控制遍数，碾压有序，有利平整度及压实度的优点。对于轮胎式压路机，在正式碾压以前，要设专人对前后轮刷食用油，以防止出现粘轮问题。
d．在复压结束后，终压结束以前，设专人采用6 m直尺对成型混合料的平整度进行逐尺测量，对于大于5 mm的部位采用双钢轮压路机及时进行修复性碾压，确保平整度全部合格。
7)在尚未冷却的面层上，禁止停放压路机和其他车辆，进行交通管制。按规范要求进行压实度、平整度、渗水系数、摩擦系数等有关项目检测。
6 机具设备
本工艺除按正常要求的沥青拌和机、运输车辆、摊铺机外，压路机的要求与正常沥青混凝土路面施工也基本一致，选型时一般要求自重10 t以上，线压力不低于300 N/cm，具有频率在30 Hz～50 Hz，振幅在0.3 mm～0.9 mm之间的双驱双振钢轮重型压路机，胶轮压路机一般总质量不应小于25 t。
本施工技术常用的机具设备配型如表3所示。
7 质量控制
1)在组织沥青混凝土摊铺以前，建立健全质量保证体系，按岗定人，分工明确，责任到人;
2)加强施工现场管理人员和操作人员的责任心教育，保证按照预定的碾压方案进行施工;
3)配置足够的压实机具并在休工期间及时检查维修，使设备一直处于良好状态;
4)做好演练工作，发现问题及时调整;施工过程中，紧跟摊铺机，有效利用温度资源，提高沥青混合料的初始密实度，减少复压产生的轮迹，从而得到理想的空隙率，提高沥青混凝土的密实度和平整度;
5)双钢轮压路机尽可能减少洒水量，并随时检查洒水的雾化情况，控制好碾压速度和碾压重叠宽度;
6)施工过程中，随时检测混合料的内部温度，保证改性沥青混合料初压温度不低于160℃，终压温度不低于110℃，普通沥青混合料初压温度不低于150℃，终压温度不低于100℃，由于紧跟摊铺机作业，能有效地利用温度资源，复压碾压过程中，保证温度不低于125℃;
7)处理好摊铺速度和碾压速度，保证摊铺好的混合料能得到及时碾压;
8)严格控制碾压过程中的各道程序，提高工艺水平和碾压效果，这将有利于实现规范中“沥青路面的压实度采取重点对碾压工艺进行过程控制，并适度钻孔抽检压实度”的要求;
9)认真处理好横向接缝;
10)严格控制沥青混合料的温度范围，发现异常变化，立即沟通，并将不合格混合料予以废弃。
8 应用实例
山东荣乌高速公路第四合同段全长10.6 km，在路面工程结构中包括了6 cm中粒式改性沥青混凝土中面层+8 cm粗粒式沥青混凝土下面层。在中面层和下面层施工中全部采用组合压实工艺，经现场检测，压实度、平整度、渗水率和摩擦系数全部满足要求。
摘要：结合山东荣乌高速公路第四合同段的施工实例,介绍了沥青混凝土路面组合碾压施工技术的特点、关键技术、施工程序和工艺操作要点,并对施工中机具设备使用情况及质量控制要点作了阐述,为组合碾压技术的应用提供了依据。
组合式沥青路面结构 篇11
关键词：高模量路基,冲击碾压,橡胶沥青
1 前言
“强基薄面”理论是沙庆林院士在“八五”功关项目中提出的路面设计理论。它的基本思想是路基要稳定、基层要强固、进而可以减薄路面结构层的厚度。本文通过辽宁省滨海公路的应用实践, 验证了冲击碾压技术对提高路基强度效果显著;通过增设橡胶沥青应力吸收层, 面层采用橡胶沥青混合料路面, 与普通沥青路面相比, 可以减薄面层的厚度。
2 高模量路基与橡胶沥青混凝土路面组合技术方案
滨海公路某试验段基于“强基薄面”理论, 采用路面组合技术的试验方案为: (1) 在淤泥质软土地基进行抛石挤淤, 经过常规振动碾压正常压实后, 采用冲击碾压补强20 次, 以此来提高路基的强度, 获得高模量路基; (2) 在基层与面层之间增设橡胶沥青应力吸收层, 其作用是抵抗基层的反射裂缝, 利用橡胶沥青具有的高粘特性从而增强层间粘结并提高面层的防水。 (3) 利用橡胶沥青良好的高低温性能, 面层采用只铺设一层5cm密级配中粒式橡胶沥青混凝土, 以此来验证“强基薄面”的技术效果。
2.1 高模量路基与冲击压实技术
试验路起止桩号为K0+550~K0+760, 长210 米。在旧路中心线位置每隔30m设置检测点, 冲击压实采用南非研制开发的25T3-25KJ三边形冲击式压实机, 该机行进中每秒冲击地面两次, 相当于低频大幅冲击压实土体, 产生的强烈冲压波通过深层传播, 其压实深度可随碾压遍数递增。对碾压后的路基沉降量、弯沉值及回弹模量进行检测, 结果如下:
(1) 路基沉降量观测结果
路基沉降量观测以每碾压5 次为一个检测单元进行, 经过20 次冲击碾压补强后, 路基获得了6.85cm的沉降量。通过同步观测, 路基整体未发现明显的侧向位移, 表明通过冲击碾压对路基起到了明显的加固作用。
(2) 路基弯沉值检测结果
对该试验段冲击碾压后的弯沉值进行检测, 结果见下图。为方便比较, 把未进行冲击碾压的K0+450, K0+500 桩号的弯沉值列入图中。
通过比较弯沉值检测结果, 旧路经过冲击碾压后, 弯沉值明显降低, 说明旧路的整体刚度有所增加。随测点位置的不同, 冲击碾压后的弯沉值呈现高低起伏的变化规律, 其原因是路面经过冲击碾压后呈现波浪状, 位于波谷处弯沉值小, 位于波峰处的弯沉值大。
(3) 路基回弹模量检测结果
旧路经冲击压实后检测的回弹模量对比结果见下图。
与未经冲击碾压旧路比较可知, 经过冲击压实后, 回弹模量值有所上升, 说明经过冲击碾压后, 旧路的整体刚度和承载能力得到提高。但同弯沉值一样, 回模弹量数据也具有一定的离散性。通过对回弹模量和弯沉的相关性分析, 可知二者的相关性较好, 检测结果真实可靠。
2.2 橡胶沥青应力吸收层
橡胶沥青应力吸收层是一种在喷洒橡胶沥青结合料后, 立即撒铺一定粒径的粗集料, 经碾压而形成的薄层。由于橡胶沥青的高粘特性, 这一功能层在路面结构中起到减震防噪、吸收应力、减少反射裂缝、防水和层间粘结等多种特殊的优良功能。
橡胶沥青应力吸收层的施工工艺如下: (1) 施工前, 对基层进行清理, 确保基层干燥、整洁、无尘土杂物; (2) 使用专用洒布设备喷洒橡胶沥青, 洒布温度控制在190℃左右, 洒布量控制在2.2kg/m2左右; (3) 橡胶沥青洒布后马上进行碎石撒布, 碎石的撒布量为10~12 kg /m2, 为增加碎石与橡胶沥青的粘结性, 可对碎石进行预裹覆处理; (4) 碎石撒布之后, 及时用重型胶轮压路机紧跟粗集料撒布车进行碾压1~2 次, 碾压后再将多余的碎石清扫干净。
2.3 橡胶沥青混凝土路面
2.3.1 路面结构设计
试验路借鉴了南非“强基薄面”理论, 改变了原设计方案, 只采用一层5cm中粒式橡胶沥青混凝土 (ARAC-16) 。具体结构为: 5.0cm橡胶沥青混凝土 (ARAC—16 型) 表面层、1.0cm橡胶沥青应力吸收层、高渗透乳化沥青透层油、20cm厂拌水泥稳定碎石基层、20cm厂拌水泥稳定级配砂砾底基层、15cm级配砂砾垫层。
2.3.2 橡胶沥青混合料性能
混合料正式生产之前, 进行了目标配合比设计。室内做了连续级配和间断级配, 筛分结果见表。考虑到橡胶沥青的高粘性特, 最终选择间断级配, 筛分结果如下表所示。石料采用石灰岩, 细集料采用石灰岩石碎和天然砂。
以空隙率为控制指标, 设计空隙率为4.1%, 通过马歇尔试验确定橡胶沥青混合料最佳油石比为6.4%。马歇尔试验结果见下表。
混合料高低温性能试验结果见下表
从表3、表4 可以看出, 橡胶沥青混合料的目标配合比设计和高低温性能各项指标均符合规范要求。
3 结论
(1) 采用冲击碾压技术对软弱地基上的填石路基进行加固, 提高了路基的整体强度和回弹模量, 为减薄沥青面层厚度提供可靠的保障。
(2) 试验路利用橡胶沥青具有的高粘弹特性及良好的高低温性能, 采用橡胶沥青应力吸收层和橡胶沥青混凝土路面组合结构。经过对试验路后期运营情况跟踪观测结果表明, 组合结构有效地减缓了路面反射裂缝的出现, 路面结构层厚度减薄后总体运行情况较好, 说明该项技术是一项值得推广的先进技术。
参考文献
[1]李延刚, 冲击碾压、橡胶沥青及应力吸收层组合技术在公路工程中的应用研究, 北京科技大学学报