沥青路面结构（精选12篇）
沥青路面结构 篇1
1 我国柔性基层, 组合式基层沥青路面结构在高等级公路上的应用
1.1 级配碎石基层的应用回顾
在我国, 20世纪70年代前后, 相当一部分的二级公路是采用的柔性基层, 许多干线公路, 国道以及大量的城市道路主干线, 建筑的是柔性基层沥青路面, 那时的柔性基层的质量是非常差的, 公路和城市道路主要使用天然砂砾, 级配碎石是少数, 甚至根本没有用过真正意义上的级配碎石, 但是一直到21世纪, 这些干线公路和城市道路都在运营, 只不过已经维修了几次, 由于沥青层很薄, 很多路面已发生了网裂。
通过这些工程的研究, 得出:
1.1.1 半刚性沥青路面因半刚性基层干缩,
温缩开裂导致的反射裂缝成为沥青路面的主要病害之一, 而采用级配碎石基层或过渡层对于防止和减少沥青面层裂缝具有较好的效果。
1.1.2 采用级配碎石过渡层结构都没有关于路面抗车辙性能差的报道,
因此至少没有证明因采用了级配碎石而减弱了路面结构的抗车辙性能。
1.1.3 采用级配碎石层结构的沥青路面, 如果沥青层厚度较薄时, 容易产生沥青路面疲劳破坏。
1.1.4 级配碎石的生产必须严格控制原材料碎石的质量。
1.2 厚沥青层路面的应用与问题
在我国有几条高速公路采用了沥青导相对较厚的半刚性沥青路面, 如北京首都机场高速公路, 京津塘高速公路和广深高速公路。这些沥青路面沥青层较厚, 已经不是我国传统意义上的薄沥青层半刚性路面。
1.3 厚沥青层路面的问题调查
1.3.1 采用较厚的沥青层, 没有任何迹象表明这些高速公路结构强度不足。
1.3.2 虽然沥青层较厚, 但是车辙并不大,
特别是京津塘和广深珠高速公路的交通量应该说很大, 这说明了增加沥青层厚度, 并不意味着车辙量的增加, 从广深高速公路的栓测结果看, 在炎热的气候条件下和大交通量的情况下采用较厚的沥青路面, 其车辙量显然并不大。
1.3.3 这些高速路的主要裂缝表现为表面裂缝, 且裂缝深度仅局限在表面层。
2 我国新型沥青路面结构的研究进展
纵观国际上的高速公路和重交通道路, 大量使用的全厚式路面或者柔性基层沥青路面。相反半刚性基层沥青路普遍使用于交通量不很大的公路, 或者往往在半刚性基层下设置一个碎石过渡层, 同样称为半刚性基层的水泥稳定碎石基层。在强度要求, 具体做法上也有许多不同之处, 这引起了我国研究人员的普遍重视, 开始关注对沥青路面结构问题的研究, 希望改变目前单一使用半刚性基层沥青路面的状况, 使不同的路面结构得到合理的使用。
2.1 从2001年起, 交通部公路科学研究院
针对目前高速公路沥青路面早期损坏现象, 充分考察了国际上高速公路普遍采用的结构, 吸取了本国不同沥青路面结构应用的经验, 结合西部研究课题《高速公路早期病害预防措施的研究》以及交通部公司司《沥青稳定碎石与级配碎石结构设计指标》项目的研究, 结合新材料、新结构、新工艺、新技术对柔性基层, 组合式基层沥青路面进行了深入细致研究。在多个省市的高速公路上铺筑了不同结构沥青路面试验路, 并进行了大量研究, 在这些试验路段中, 结构型式主要有柔性路面, 分别采用级配碎石过渡层和较厚沥青层的组合式路面, 同时也试验了一些低强度的半刚性基层沥青路面, 将这些结构和我国高速公路常用的沥青层较薄的半刚性基层沥青路面进行比较。
2.2 江苏省沿江高速公路试验路。沿江高
速公路试验路于2004年7月建成。结构A是正常路段的半刚性基层结构形式, 结构B是采用沥青稳定碎石基层的组合式基层, 结构C是采用了沥青稳定碎石和级配碎石过渡层的组合式基层, 结构D是按照永久性路面结构设计的路面结构, 结构D的沥青厚度达45cm。
在2005年进行了试验中物观测, 使用情况良好, 试验路全线没有发现坑槽, 泛油, 车辙, 开裂等路面病害现象, 在沥青层厚度较大的B、C、D结构段并没有产生较大车辙变形, 沥青层最厚的结构D和采用级配碎石过渡层的结构C的车辙平均值均小于有较厚水稳碎石基层的B和正常路段。
2.3 青海省平西试验路。平西试验路于2002年通车,
结构A采有低强度水稳基层结构, 水泥稳定碎大专生的设计强度为2.5MPA。结构B是采用级配碎石过渡层的组合式基层结构, 结构C是全柔性沥青路面结构, 结构C的沥青层后为21cm。
2.4 2002年通车的试验路及对应生产路段, 2004年观测时,
试验路C结构柔性基层路段均没有发现任何横向裂缝, 在A结构, 即低强度的水稳碎石基层路段共发现了4条横贯3个车道的横向裂缝, 而在试验路的对向车道上, 使用了3.5mpa的水稳碎石基层的路段, 约1400m路段上出现了22条横向裂缝, 在2001年7月开放交通的其它常规路段, 经过三个冬季低温考验以后, 路面的横向开裂成为主要的损坏形式之一, 平均开裂间距为50~58m。
3 我国新型沥青路面结构的应用
随着对于柔性基层以及组合式基层研究的深入, 我国越来越多的高速公路从业者开始接受这些新的技术, 特别是随着管理部门对于高速公路早期病害问题的高度重视, 管理者越来越注重沥青路面的耐久性和工程全寿命周期成本的理念。我国的高速公路结构已经不再局限于原来单一的结构型式, 已经开始在高速公路上尝试采用多种新型的沥青路面结构在福建省的两条高速公路上, 建设部门已经采用新型的路面结构作为主要的高速公路结构形式, 福建省多雨潮湿地区, 以往该地区高速公路的结构都采用了15~16cm厚的沥青路面, 基层为半刚性基层, 设计使用年限为15年, 但是通车后不到设计使用年限一半的时间路面病害就不断加剧。通过研究论证, 新建的两条高速公路将采用组合式基层沥青路面, 希望能够避免和延缓反射裂缝出现, 同时改善多雨潮湿地区基层的排水功能, 在级配碎石上使用了较厚的沥青层, 厚度为22~23cm, 一方面是提高沥青路面的耐久性, 另一方面是保证高速公路具有足够的强度。
新型路面结构的造价相比原来的配筋半刚性基层沥青路面结构的造价都要有报增加, 但增加的比例并不大, 不超过总造价的1%, 但是从沥青路面全寿命周期的费用角度分析, 初期投资高一些能够使得后期的维修、养护费用降低, 路面的使用寿命得到延长, 采取这样的方案是非常合理的。
结束语
对于以往常用的平刚性基层的使用要进行改造, 完善它的设计与应用, 明确它的适用范围, 最大限度地减少半刚性基层沥青路面的早期损坏, 延长沥青路面的使用寿命。更为重要的是大力推广采用组合式基层, 柔性基层等其它路面结构, 鉴于我国的实际情况, 由于对半刚性基层有丰富的应用经验, 当前应该首先发展组合式基层沥青路面, 即以沥青混凝土作面层, 沥青稳定碎石作基层, 半刚性材料作底层这种结构形式, 也可以在半刚性底基层上加铺级配碎石过渡层以防止反射性裂缝和有利于排水。
摘要：介绍了半刚性沥青与新型沥青路面结构的应用。
关键词：半刚性沥青路面,新型沥青路面,结构
参考文献
[1]高速公路早期病害预防措施的研究[J].交通部公路科学研究院, 2004.
[2]山区重载路段沥青路面车辙变形防止措施[J].交通部公路科学研究院2004.
[3]交通部公路科学研究院[J].福建省高速公路沥青路面专面设计, 2005.
沥青路面结构 篇2
沥青路面早期损坏与结构设计的关系
通过对沥青路面早期破坏现象与路面结构设计中存在的`问题分析,可以看出造成沥青路面结构发生早期损坏的原因是复杂的,下面从几个方面谈对沥青路面早期损坏与结构设计关系的几点认识.
作 者：毛昌伟 作者单位：黑龙江省公路工程监理咨询公司 刊 名：黑龙江交通科技 英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG 年，卷(期)： 32(2) 分类号：U416.217 关键词：沥青混凝土路面 早期损坏 结构设计公路沥青路面结构施工工艺分析 篇3
摘要：沥青路面由于较高的强度和稳定性，以及平整坚实的路面等优点在我国公路工程中应用广泛，然而由于受到温度、气候条件等因素的影响明显，很容易发生水损害、拥包、反射裂缝等破坏形式，因此为了保证公路沥青路面的整体质量，必须加强其施工工艺研究。通过分析公路沥青路面重要的破坏形式及产生原因，提出了更为科学有效的公路沥青路面结构施工工艺，对于提高公路工程的整体质量，保证交通运输的正常运行具有重要的现实意义。
关键词：公路沥青路面；现实意义；工艺研究
一、沥青路面简介
沥青路面就是在柔性基层或半刚性基层上铺筑一定厚度的沥青混合料，然后经过机械碾压施工制作而成的公路路面，和砂石路面相比，沥青路面的强度和稳定性有了明显提高，与水泥混凝土路面相比，沥青路面表面平整无接缝，行车振动小，养护简便等优点；因此沥青路面已成为我国主要的路面结构形式，据统计目前我国85%的高速公路都采用了沥青路面结构。近年来随着我国经济总量的发展和国际国内贸易量的增大，交通运输量不断增加，而公路工程作为交通运输的枢纽，其关键性地位也显得越来越突出，然而近年来由于自然灾害（比如地震、风霜雨雪）、行车重复荷载（比如运输车辆超载）、公路工程施工质量低劣等原因，造成我国很多公路工程的路面、路基、路肩、边沟以及边坡防护工程出现裂缝、路基沉陷等损害形式。公路质量的破坏会直接导致重大交通事故的发生，因此为了彻底提升公路工程的整体质量，现阶段必须加强公路的施工质量控制，优化沥青路面结构的施工工艺。本文通过分析公路沥青路面结构常见的问题，深入研究了更为科学合理的沥青路面结构施工工艺，对于提高公路工程的整体质量，保证交通运输的正常运行有重大意义。
二、路基及基层的影响
填前处理及碾压特别是填挖结合段，半填半挖段，坡面地基的处理，要严格按路基工程施工规范进行处理，对特殊的质条件要采取针对性措施，确保压实质量及平整度。软基处理应先行施工，争取足够长的沉降期。
路堤填料路堤填料一般应采用砂砾及塑性指数和含水量符合规范的土，不使用淤泥、沼泽土、冻土、有机土、含草皮土、生活垃圾及腐殖质的土。
基层不平整对路面平整度的影响在施工中，地基基层做的不平，无论怎样使面层摊铺平整，但压实后，铺厚度可能不同，路面产生不平整。因此，路面施工应从垫层、基层就开始层层找平，确保标高、横坡、强度、平整度达到设计要求。
三、沥青路面结构的主要破坏形式及原因分析
由于受温度、降水等气候条件的影响作用明显，公路沥青路面经常会发生各种形式的破坏，特别是在公路路面施工初期，比如雨季后出现的水损坏，夏季高温季节出现的路面发软泛油或推移剪裂破坏，冬季低温引起的沥青材料变脆开裂以及半刚性基层失稳塌陷引起的反射裂缝等。
1、沥青路面水损害严重
在公路路面施工初期，当遇到雨季强降雨天气后，公路沥青路面经常会出现面层松散、剥落、坑洞等现象，继而影响降低公路沥青路面的早期强度。
2、沥青路面高温和低温稳定性不够
在夏季高温的影响下，以及车辆重复载荷的作用下，沥青路面很容易产生车辙；在冬季低温条件下，沥青路面的冷脆性明显，发生路面开裂，继而影响整个路面的平整度与车辆行驶性能。
3、瀝青路面表面泛油现象严重
当沥青混合料组成设计不当，在高温和车辆重复荷载的作用下，沥青路很容易产生表面泛油，继而降低表面的构造深度与抗滑性能，影响车辆的行驶安全。
四、优化公路沥青路面结构的施工工艺
针对公路沥青路面结构常见的破坏形式，文章从预防公路基层开裂、混合料级配与沥青用量两个角度出发，研究了优化公路沥青路面结构的施工工艺。
1、预防公路基层开裂的有效施工工艺
在我国公路路基多采用半刚性基层，这种路基结构早期收缩开裂现象严重，很容易导致公路沥青路面出现反射裂缝。目前我国在很多公路的修建过程中，为了预防公路基层的收缩开裂，通常是采用洒水、围膜或是切缝等工艺进行基层的表面围护与养护，但是这些工艺预防原理落后，很难彻底实现公路基层收缩开裂的有效预防。本文从原材料选择和级配控制方面讨论预防公路基层收缩开裂的有效施工工艺，具体要做到以下两点：
（1）浇洒透层沥青
在水泥碎石稳定基层施工完毕以后，应尽快在起面部浇洒煤油稀释的透层沥青，对基层沥青也要采用道路稀释沥青，煤油与沥青的搀和质量比应控制在2：3之间。在透层沥青浇洒之前要注意把路面基层打扫干净，使用空压机或鼓风机等机械将道路浮尘等杂物清除，使路基基层表面骨料暴露出来，以利于透层沥青的渗透，使其与表面骨料充分结合。在透层沥青的浇洒过程中，要注意保持稳定的浇洒速度和浇洒量，使得透层沥青浇洒均匀，避免出现拥包，渗入基层深度也要保证不能小于5mm。
（2）保证路基基层的施工质量
为了防止沥青路面开裂，除了要控制好施工温度之外，最有效的方法就是要保证路基基层的施工质量，消除公路基层或土基中的缺陷。对于不严重的龟裂或局部龟裂，可以先挖掉破损的面层，晾晒数日至基层干燥后，再用修补坑槽的办法处理。对于沥青路面的养护，则要以提高路面的平整度为重点，采用砂砾石作骨料，配人适量的黏土，进行砾料级配封层，以提高路面的抗磨耗能力。
2、混合料的选择与级配控制
混合料的选择与级配设计直接影响到沥青路面的整体性能和施工质量，因此在公路沥青路面施工过程中还要注意混合料的选择与级配控制。
（1）混合料的选择
在进行混合料的选择之前一定要进行混合料的体积参数试验，准确控制其粒径和级配偏差，确保不能超过规范要求的限值。同时在公路各结构层正式铺筑之前，还必须进行300m左右试验路段的铺筑，通过对试验路段的性能测试和试验分析，掌握沥青混合料配合比的合理性、可靠性，从而为后期大面积沥青路面施工提高必要的施工参数。
（2）沥青混合料的拌合、摊铺与压实
沥青混合料在选择和调配之后，就要进行充分的拌合，然后才能进行摊铺的和压实，在拌合、摊铺与压实过程中要规范操作，具体应主要注意以下几点。
第一、沥青混合料的拌合
沥青混合料拌合之前应将集料进行充分的烘烤至干，一般来说其拌合温度不能超过195℃，拌合时也要按照沥青混合料拌合均匀，能够与沥青充分粘合的原则，设计拌缸的充盈率与搅拌速度。
第二、沥青混合料的摊铺
沥青混合料的摊铺要注意严格控制摊铺层的设计高程、厚度、平整度、横坡度以及压实度。施工过程中要注意混合料施工温度的控制，当外部环境温度在10℃以下或是雨季强降雨天气，不能进行改性沥青混合料路面施工。摊铺机械的运行速度要比较低，尽量使沥青混合料均匀、连续的摊铺，此外在摊铺过程中还要随时观察摊铺机的工作状态和摊铺层的外观质量，如果出现拥包等质量缺陷，应“趁热”修补，如果实在修补不好就必须刨除重铺。
第三、沥青混合料的压实
在沥青混合料摊铺之后如果没有明显的质量缺陷，就立即在温度下降之前使用压路机等压实設备进行沥青混合料的碾压压实，提高其压实密度。
四、结束语
沥青路面受温度、降水等气候条件的影响作用明显，路面经常会发生发软泛油或推移剪裂破坏等各种形式的破坏，因此为了提高沥青路面的整体质量，所有养护人员及其他相关责任人，必须贯彻“预防为主、防治结合”的方针，利用各种理论知识，结合公路病害的实际破坏情况，认真分析沥青路面病害产生的原因和发展机理，并制定出更为科学合理的解决对策和养护措施，减少各种损毁公路的因素，确保沥青路面公路整体施工质量的提高，为我国交通运输行业提供一个安全、快捷的运行环境。
参考文献：
[1]郭敬姐.半刚性基层沥青路面橡胶应力吸收层的合理性厚度及弹性模量研究[J].交通标准化，2013年7期
[2]朱继峰.影响公路沥青路面施工的技术及非技术因素分析[J].市政技术，2013年2期
[3]陈伟.沥青路面预防性养护时机的确定[J].中国科技信息，2013年8期
沥青路面结构抗车辙的研究 篇4
1 半刚性基层沥青路面车辙损坏发展规律和特点
沈山高速公路是国家公路主骨架,具有交通量大,重载超载车辆多的特点,路面结构为典型半刚性基层沥青路面(沥青面层厚4+5+7cm,基层水稳或二灰碎石厚20+20cm,垫层天然砂砾厚17cm)。2007年单车道日标准轴载达11556次/d,大客车及中型以上各种货车日交通量3876辆/(天·车道),属于特重交通。
沈山高速公路1999～2000年建成,通车不到两年一些路段就出现了较大车辙病害,公路部门先是对病害较重的路段进行局部维修处理,通车不到5年,2004～2005年对全线进行路面维修,此时车辙最大深度达6cm。采用铣刨一层或两层沥青混凝土后加铺SMA16和SBS改性沥青混凝土的维修方案,在维修3～4年后,路面车辙问题又出现了,2009～2010年又进行了第二次全线路面维修,维修方案是中面层采用高模量沥青混凝土,路用效果有待进一步验证。
1.1 车辙发展规律
将沈山高速公路2001～2008年所有车辙检测数据,根据2004年维修前达到的车辙深度、2008年达到的车辙深度划分为<10mm、10～15mm、15～20mm、20～30mm、>30mm五档,绘制边行车道年限和车辙深度关系曲线,见图1。
2001年至2003年车辙发展迅速,原因主要是该路面没有使用改性沥青,设计施工中又过度强调路面密度;在之后的维修工程中在上、中面层采用了SBS改性沥青,混合料级配也进行了优化,2006～2008年车辙深度<15mm的路段增长较缓,但路面仍不可避免的发生剪切破坏,出现了流动型车辙,尤其是车辙>20mm的路段,增长幅度较大,说明采用SBS改性沥青只能缓解路面出现车辙的速度。
1.2 路面钻芯、切割试验
在2001年、2004年、2008年分别对沈山高速公路一些车辙典型代表路段进行了钻芯取样和现场切割试验。照片见图2。2001年试验结果表明各层对车辙的贡献率平均值为:上面层31.7%,中面层33.9%,下面层45.4%;2008年钻芯取样试验表明,路面车辙主要以中、下面层为主,表面层的贡献已经从31.7%降到4.4%。2004年路面切割试验(此路段为上面层已进行过维修路段)也表明路面上面层厚度变化不大,说明加强上面层后路面车辙出现位置向下移动,发生较大车辙路段车辙主要出现在中、下面层,路面各面层的模量协调很重要。
2 影响路面车辙结构因素分析
2.1 沥青中面层模量对路面车辙的影响分析
沥青路面车辙多出现在重载、高温情况下,采用有限元模型模拟路面结构受力状态,路面内剪应变和压应变是控制路面在重载、高温状态下产生剪切破坏即较大车辙的主要力学指标,计算路面内最大应力应变值和相应位置,结果汇总如表1。
*表中模量组合为中、高温状态下上、中、下面层模量值。
增加路面中面层模量后,荷载产生的最大剪应力和压应力变化不大,而模量提高一倍,剪应变减少50%,压应变减少近60%,因此提高中面层高温动态模量将有效抑制路面车辙的产生。
2.2 沥青面层与基层层间接触条件对路面车辙影响
目前我国现行的沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础,假定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续。然而,在路面施工中半刚性基层与沥青面层往往是隔年施工,虽然在施工时浇洒透层油和粘层油,但往往由于洒布得不均匀,致使表面有许多尘土,在下一结构层施工前未能及时清扫,从而影响了路面结构层之间的粘结性能。因此,层间界面粘接较薄弱,不能完全传递应力,而是通过接触传递应力。在路面钻芯取样时往往发现,沥青混凝土层与半刚性基层之间的粘结作用较弱,比较容易分开,实际工作状态接近半滑动接触状态。
利用BISAR程序分析层间接触条件对路用性能的影响[2],取沈山路面结构和参数进行计算(基层模量取1500MPa),静态竖向荷载作用下,不同接触条件下沥青面层内不同距离处剪应力结果如图3。
图3表明,半刚性基层与沥青面层接触条件的改变,将使沥青层底最大剪应力增大约2倍。接触条件对沥青层内剪应力的影响随着路面深度的增大逐渐增大,表面层增大约30%,中面层增大约40%,底面层增大约70%～162%。以上分析表明,半刚性基层与沥青面层的接触条件对路面内受力的影响较大,由连续转为半滑动接触再转为滑动将使路面内最大剪应力,特别是中下面层内的剪应力成倍增加,从而引起路面产生较大的流动型车辙。因此在半刚性基层与沥青面层之间设置有效联接层,适当降低半刚性基层位置将有效降低沥青面层内最大剪应力,控制流动型车辙的产生。
2.3 结构组合对路面车辙的影响
沥青路面典型结构主要分为三类,第一类为我国高速公路普遍采用的半刚性基层沥青路面结构;第二类为国外高速公路普遍采用的纯柔性基层路面结构;第三类为在半刚性或刚性基层、底基层上铺筑柔性基层的沥青路面称为组合式沥青路面结构。
对典型路面结构进行受力分析[3],得出以下初步结论:
(1)路面整体强度方面,半刚性基层沥青路面结构、组合式沥青路面结构较好,路面弯沉值较小。同时计算表明,通过提高土基强度可有效提高路面整体强度,如土基模量从30MPa增加到45MPa,路面弯沉值可以降低20%～25%。
(2)抵抗流动型车辙方面,沥青面层内的最大剪应变和最大剪应力柔性基层结构比半刚性基层结构大10%左右;但半刚性基层典型结构在层间接触处剪应力较大,比柔性基层结构大120%左右,比组合式结构大约70%左右,如果层间接触面处理不好,在较大的剪应力作用下,接触面容易从连续转变为滑动接触,导致在路面内产生较大车辙。
3 沥青路面结构抗车辙设计原则及措施
基于以上分析,提出了路面结构设计组合原则:
第一,协调优化各面层及基层的模量组合,提高路面中、下面层混合料的高温动态模量;
第二,在沥青层与半刚性基层之间增设一层联结层或应力吸收层,通过结构措施改善半刚性基层工作条件,使整个路面在荷载作用下协调变形,减少路面车辙与裂缝,体现长寿命沥青路面设计理念。
基于以上设计思想,采用的路面结构抗车辙措施主要有:
(1)在中、下面层采用高模量沥青混凝土,已在辽宁沈山高速公路等多条高速及普通公路中应用,抗车辙效果良好。
(2)沥青层与半刚性基层之间设置联结层或应力吸收层,联接层可采用沥青稳定碎石或级配碎石混合料,已在沈阳绕城高速、丹庄高速公路中铺筑了试验路,在通车5年后仍表现出较好的抗车辙性能,车辙小于或等于半刚性基层沥青路面,没有出现裂缝等病害,明显优于半刚性基层沥青路面。应力吸收层可采用橡胶沥青碎石封层,已在本桓、沈阳绕城、草南高速公路中应用,路用效果良好。
4 结 语
基于路面结构抗车辙而在路面结构中增设联接层、应力吸收层,同时协调优化各层模量比,在现阶段工程实践中仍处于探索阶段,需进一步完善理论计算和做长期的路用性能观测。
摘要：结合对某高速公路路面车辙近十年的跟踪检测和试验,从新的角度认识路面结构因素对路面车辙的影响,提出了路面结构组合设计原则和联结层设计理念及结构抗车辙措施。
关键词：沥青路面,车辙,组合式沥青路面结构,联接层,高模量沥青混凝土
参考文献
[1]沈金安,李福普,陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京:人民交通出版,2004.
[2]刘涛,郝培文[译].层间接触条件对柔性路面路用性能的影响[J].中外公路,2007,1(27):60-64.
沥青路面结构 篇5
杨永红1王选仓1韩国杰2常学亮
31.长安大学公路学院，陕西 西安 71006
42.甘肃省交通厅，甘肃 兰州 730030
3.甘肃省交通科学研究所，甘肃 兰州 730050
摘要：基于甘肃黄土分布，通过详细调查和分析计算，进行了交通量等级和土基强度等级划分，实测影响路面设计的主要材料参数，提出了甘肃黄土地区高等级公路沥青路面典型结构，供设计单位选用，科学简便地解决了该地区的沥青路面设计问题。
关键词：交通量等级；设计参数；典型结构
0 引言
甘肃省地处我国中部，东西长达1000多km，与其它各省相比较，地理、气候、地貌等特征较为复杂。黄土主要分布于省内中、东部地区，面积约12万km2。黄土地区典型的地貌是山大沟深、残塬、梁峁较多，给公路建设带来了一定困难。如按现行《公路沥青路面设计规范》进行沥青路面设计，特别是在高等级公路路面设计时，对于一个缺少经验的路面设计者，难以确切掌握，这将直接影响路面使用性能和工程造价。甘肃黄土地区高等级公路路面结构调查汇总
路面结构调查要求选择的路线及路段具有典型性，公路等级要求是二级或二级以上的新建或已建的路面结构，其施工质量达到一定的水平。
本文收集了近10年甘肃黄土地区的在建或已建高等级公路资料，共15条，其中高速公路有5条，一幅高速公路2条，一级公路1条，二级公路7条，如表1所示。
表1 甘肃柔性路面结构调查汇总表
注：调研时间是在2000～2001年。
调查路段结论：
（1）本次调查涉及高速、一级、二级公路结构，对提出典型结构具有指导意义。
（2）高速公路路面结构，面层厚度15cm，基层底基层厚度总厚度40～60cm。调查还有2条一幅高速公路，面层厚度为7～10cm，基层厚度为37～44cm。
（3）一级公路路面结构，面层厚度12cm，基层底基层总厚度48cm（调查只有1条一级公路）。
（4）二级公路路面结构，面层厚度3～10cm，基层底基层总厚度34～51cm。
（5）调查的15个路段气候资料统计：极端最高气温在34～37.9℃，极端最低气温-27.1～-8.7℃，年降水量约为261.1～565.1mm，蒸发量为963.3～1879.9mm，年平均气温6.4～10.7℃。
（6）各路段沿线大部分为风积黄土和冲洪积黄土所覆盖，即主要为Ｑ3和Ｑ4第三系和第四系新黄土。道路使用情况分析
甘肃黄土地区的高等级公路路面结构和全国其它地区相差不大，尤其是高速公路，近几年才开始修建，路面结构型式单一，主要还在尝试阶段。二级公路有些路面采用次高级路面，随着以后的修建，沥青混凝土路面将成为主要的面层结构型式。基层和底基层主要采用半刚性材料，其强度高，适应甘肃的行车使用条件。现阶段半刚性基层沥青路面仍是甘肃黄土地区高等级公路路面的主要结构类型。
从本地区沥青路面使用状况调查资料可以看出，现已通车的公路，有的半刚性基层沥青路面在行车荷载和自然因素的作用下，出现了一些损坏。由于环境、材料组成、结构层组合、荷载、施工和养护等条件的变异，损坏的形态是多种多样的。从表面上看，有许多裂缝出现，也有各种类型的变形，如凹陷、隆起和车辙等。这些损坏现象，单独出现或几种形态同时出现。由于在黄土地区修路，路基土质一般为第三、第四系黄土，虽然在干时有一定的结构强度，但浸水后在外荷载与土自重的作用下发生下沉，即湿陷。有些路段排水设施及坡面防护的结构不合理，遇水很容易对路基造成损坏，土基强度降低，发生沉陷而导致路面凹凸不平。交通分级
本文根据甘肃黄土地区交通量观测站调查资料、工程可行性研究报告和路面计算说明书等，共14条高等级公路，经大量计算确定了路面设计交通量取值范围，如表2所示。在此基础上综合考虑该省的交通发展状况，进行了交通分级。若一个车道的设计交通量为500辆/ｄ（BZZ-100），年平均当量轴次增长率ｒ=7%，设计使用年限ｎ=12年，则有累计当量轴次高速公路二为：Ne=3.26×106（轴次），结合表2所示设计交通量资料，在交通量等级划分中，分界线最小值取3.5×106（轴次）。
交通划分时以不同交通等级对基层或底基层厚度产生大致相同的效应和相邻分级对其厚度不产生较大的变化（5cm左右）为依据，由表2和其它高等级公路交通量数据资料，同时考虑到甘肃省经济状况和交通迅速增长的需要，确定各分级界限，将交通量等级划分为4级，如表3所示。土基强度分级
4.1 土基回弹摸量测试
本文选取甘肃省有代表性的几条路，采用承载板、贝克曼弯沉梁、FWD测试车3种方法实测土基回弹模量。汇总利用承载板测试5条路资料，如表4所示。
因承载板测定费时、较笨重，在甘肃省有些单位利用弯沉仪测定。弯沉仪测定是用标准车在土基表面，测定轮隙中心下的回弹弯沉值，通过计算求得土基的回弹模量值。
落锤式弯沉仪（简称FWD）产生于上世纪70年代初，与传统的贝克曼梁测试弯沉相比，具有使用方便、快速、安全、节省人力的特点，其模拟实际情况施加动态荷载，适于长距离、连续测定。由于篇幅所限，本文未列出贝克曼梁和FWD测试试验数据。
表2 甘肃柔性路面设计交通量汇总表
表3交通量等级划分表
注：设计年限为15年，交通量年平均增长率采用5%，车道系数取0.4。
表4 承载板测试路基回弹模量Ｅ0汇总表
注：土基回弹模量三列括号中数据84.1%、90%和97.7%代表保证率。
以承载板测试得出甘肃黄土地区土基回弹模量设计参数范围，考虑97.7%保证率，在30～82MPa之间，比规范的取值偏大，比较能反映路基实际的强度，在此基础上提出了土基强度分级。
4.2 土基分级
从本文调研及实测的结果来看，土基回弹模量低限取30MPa是合理的。如果达不到要求，则要求进行处治。土基等级划分以土基模量Ｅ0为划分指标，以不同土基等级对路面基层或底
基层厚度产生大致相同的效应和相邻分级对其厚度不产生较大的变化（5cm左右）为分级原则，将土基强度等级划分3个等级为S1、S2、S3，见表5所示。
表5 土基强度等级划分路面材料设计参数
在路面结构设计时，路面材料设计参数是比较重要的参数，其取值的大小直接影响路面厚度的选择。但目前国内在路面设计时大多数仍然依靠查规范推荐表，一些路在设计中实测样本量也常常较少，加之不同测试方法之间有较大的差异性，因此，很有必要对甘肃黄土地区常用路面材料设计参数进行深入研究。
本文对常用的半刚性基层材料设计和施工主要指标进行了较全面地试验研究，对主要材料进行室内试验、野外承载板实测以及工程实际劈裂强度对比试验（在一些高等级公路上进行钻芯取样），同国内外已研究资料进行综合对比分析，提出了适合甘肃黄土地区高等级公路路面典型结构的材料设计参数值，如水泥石灰稳定砂砾土，抗压模量Ｅ在900～1300MPa，劈裂强度σ在0.3～0.5MPa等。甘肃黄土地区沥青路面典型结构推荐
合理的沥青路面结构设计应全面考虑使用性能、安全性和必要的经济性。本文在建立沥青路面结构优化设计数学模型基础上，利用非数值优化算法—改进的遗传算法（AGA）求解，编制了计算机程序AGA-LQ，算法简单，收敛速度快，取得了良好的效果，进而节省造价。
根据甘肃黄土地区工程实践，参考国内外路面结构设计原则，经过造价优化计算，推荐出甘肃省黄土地区高等级公路沥青路面典型结构，共23种，供有关单位设计时选用，具体结构见鉴定报告。
推荐路面典型结构适用范围：
（1）适用于甘肃省黄土地区高等级公路沥青路面，即适用于二级及二级以上公路设计年限内一个车道上的累计当量轴次为20×105～180×105的沥青路面设计。当设计年限内一个车道上的累计当量轴次Ne>180×105时，路面结构厚度应另行计算确定。
（2）土基回弹模量Ｅ0<30MPa时，应采取工程措施，使Ｅ0≥30MPa后，再运用路面典型结构进行设计。结束语
目前，我国西部地区高等级公路建设发展迅速，需要有较切合实际的典型结构或标准结构供设计人员选用，以避免随意性和盲目性。本文对在建和已建的高等级公路进行资料调查的基础上，进行交通和土基强度等级划分，实测了影响路面设计的材料参数。此外，利用改进的遗传算法进行路面结构造价优化，以期得出费用低又满足各项使用性能的路面结构，推荐了适合甘肃黄土地区筑路特点的路面典型结构。研究成果对于充分利用地方筑路资源、提高路面结构设计质量和路面的使用品质、延长路面的使用寿命具有现实意义和使用价值。
参考文献：
[1] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.[2] 武和平.高等级公路路面结构设计方法[M].北京：人民交通出版社，2000.[3] 叶成.甘肃黄土分类分区与公路区划研究[D].长安大学硕士学位论文，2000.[4] 陈忠达，等.干线公路沥青路面典型结构的研究[J].公路交通科技，2001（2）：9-12.[5] 杨永红.甘肃黄土地区高等级公路沥青路面典型结构研究[D].长安大学硕士学位论文，2002
沥青路面结构 篇6
中图分类号：U416.217
文献标识码：A
文章编号：1000-8136(2009)20-0027-02
随着国民经济快、协调发展，我国道路交通量日益增大，车辆迅速大型化且严重超载，高速公路路面在车辆荷载的作用下和气候、水文等自然因素的影响下，常常在通车2-3年便出现了较为严重的早期破损现象，降低了公路服务能力，并对交通安全和环境保护等造成有害影响，因此，必须采取预防性、经常性的保养和维修措施，使路面经常保持良好的技术状况，确保高速公路路面的服务水平。研究沥青路面的早期破损原因及防治具有特别重要的现实意义，文章针对新建高速公路沥青砼路面早期出现的损坏，结合所属单位高速公路沥青砼养护路段特点，对沥青路面早期破坏的形成原因、早期病。从路面设计方面引起的原因进行论述。
沥青混凝土路面具有良好的力学性能和较好的耐久性以及行车舒适性，适合于各种车辆的通行，并具有坚实、耐久、平整、良好的抗滑、防渗、耐疲劳的性能和抗高温开裂的温度稳定性，在高速公路建设中被广泛采用，但由于种种原因，仍存在设计年限内发生的早期破损现象，造成沥青路面早期破坏，影响了公路的使用性能。所以分析病害成因并有效地进行防治是十分必要的。造成沥青混凝土路面早期病害的因素很多，但综合起来主要有路面结构设计不合理、现场施工质量控制不严、投入运营后超载车辆治理不严、气候条件影响、养护松懈等几个方面。下面就沥青路面设计这一关是沥青混凝土路面早期病害的关键之一进行以下分析：
1把好路面设计关
设计质量是工程质量的基础和前提，路面设计中一定要从实际出发，对当地的地质、水文、气侯、材料交通量、载重进行认真调查，应综合各种因素，选择各种路面结构、各种材料、多种配合比、不同结构层厚进行试验、研究、比选、必要时应铺试验路段。影响设计方面的因素主要有：
1.1路面结构组合不合理
若结构组合不合理就会使整个路面结构既不能承受行车荷载和自然因素的作用，又不能发挥各结构层的最大效能，从而引起裂缝的产生。在做路面结构层组合设计时，若将沥青混凝土混合料面层设计为两层或三层式结构，其中至少必须有一层是I型密级配沥青混凝土混合料。当各层均采用沥青碎石混合料时，沥青面层的下面必须设下封层。
另外，在进行沥青混凝土面层与基层的组合设计时，要注意沥青面层不能在铺砌片石基础上直接铺筑，而应在其间加设碎石过渡层，否则会因铺砌片石不平稳或片石可能的松动导致沥青面层不平整甚至沉陷开裂。同理，这类片石基层也不能直接铺筑在路基上，而应在其间铺设粒料层。
1.2路面厚度偏薄
路面太薄也是造成路面产生裂缝的直接原因。结构层厚度应与公路等级、气候、水文、交通量及材料组成相适应，还要根据材料供应、施工工艺和造价等因素进行综合考虑而确定。面层厚度宜自上而下由薄到厚进行组合。
1.3路面结构整体强度不足
整体强度不足也是引起沥青混凝土面层产生早期裂缝的直接原因，要保证整体强度，就必须先保证各结构层的强度。
首先，要保证路基强度。因为路基是路面的依托，路基的强度和稳定是保证路面结构强度和稳定的基础条件，路基压实度达不到标准要求，就导致路面结构层强度不足，致使路面出现沉陷或裂缝等病害。又如，沥青混凝土路面沿纵向裂缝的—个重要原因就是因路基填土未压实，使得路基产生不均匀沉降而造成的。
其次，路面基层强度不足也是路面产生裂缝等病害的原因。路面基层是路面的承重层，基层强度不足出现松散、裂缝、沉陷，致使路面也出现裂缝、沉陷等病害。
再次，路面强度不足也是引起路面裂缝等早期病害的主要原因。例如，路面压实度不符合设计及施工规范要求时，易导致路面通车后在车辆荷载反复作用下继续压密，空隙率不断减小，这个过程会产生压实变形，平整度下降，出现车辙、裂缝等病害。再者，如集料质量不好，针片状含量高，含泥量高，造成沥青混合料级配变化大，也直接影响沥青路面的质量；还有，如沥青材料质量的好坏，沥青路面施工时温度的控制，摊铺时的施工工艺，这些都是直接影响路面强度的重要因素。
为了提高路面结构层的整体强度，除确保各层的强度外，还要注意层间结合问题。为加强路面结构层之间的密切结合。提高路面结构的整体性，应采取相应的技术措施，避免产生层间滑移。具体采取的措施一般为：①在沥青面层与半刚性基层或粒料基层之间浇洒透层沥青；②要保证路基的强度和稳定性；③要保证路面基层有足够的强度；④要保证路面面层有足够的强度；⑤当沥青层由双层或3层组成时，若不能连续施工而可能造成沥青层表面被污染时，或在旧沥青面层或水泥混凝土面层上加铺沥青时，均应在旧面层上浇洒黏层沥青。
由于沥青混凝土面层强度不足、压实度过小、面层内部空隙率过大而造成的松散现象，有效预防松散现象的产生，应该做到：①选用合格的原材料，特别严格控制细集料含泥量及矿粉掺量以增强沥青混合料的黏结力；②严格控制施工温度及压实效果。沥青混合料施工温度过高会导致沥青老化，降低与矿料的黏附性；温度过低会导致混合料压实困难，造成混合料内部空隙率过大；③严格控制沥青混合料均匀性，防止混合料离析。沥青混凝土面层要有高密实度才能保证沥青混合料的黏聚力，假如混合料密实度不够，集料就轻易从混合料中脱落而形成局部松散。
2结束语
公路沥青路面结构设计研究 篇7
1 重交通沥青路面结构组合设计原则
1.1 提高面层的厚度
根据以前的室内疲劳方程和力学程序,无论沥青的结构层多厚,结构都必然会产生疲劳开裂,车辙。而最新的理论发现,当沥青层厚度超过一定厚度时,良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后,沥青厚度无需增加。即沥青路面存在一个弯拉应变临界点,当路面结构弯拉应变低于此值时,沥青路面的下部将可以无限期的使用下去。自上而下的温度疲劳,开裂,车辙,表面磨耗,沥青老化都努力限制在磨耗层内,防止出现中层以下的结构性损坏。表面层的损坏只需要通过预防性养护得以补救。
“长寿命”设计理念是所设计的沥青路面能够使用20年以上,面层采用较厚的高性能沥青类混合料,分上面层、中面层、下面层三层来修筑,以降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙,并保证行车的舒适度,降低对周围环境的噪声污染。由于沥青层相对较厚,传统的疲劳开裂可能性大大降低,路面的损坏主要位于面层的顶部(25 mm～100 mm),这样一旦路面的表面损坏达到临界水平,其经济性处理方法就是将损坏的顶层或面层刨掉,罩面或者加铺沥青面层材料再利用,从而使沥青路面在使用年限内不需要大的构造重修或重建。
1.2 采用高刚度、高强度的基层和底基层
基层是沥青类路面的主要承重层,其性能影响整个路面的使用品质和寿命。因此,对于重交通道路来说,必须保证基层的强度及刚度。
基层主要采用沥青稳定类材料如大粒径沥青混合料、乳化沥青稳定碎石、泡沫沥青稳定粒料以及旧沥青路面再生材料。沥青类稳定基层由于抗疲劳性能好,对于车辆作用产生的损伤有一定的自愈能力,国外应用比较普遍,因而较少存在早期损坏现象,因此很多欧美国家沥青路面使用寿命长达20年,甚至40年。
基层和底基层采用强度较大的材料。利用基层的强度及刚度来确保路面承受车辆荷载作用而不产生过大变形。半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。长期实践表明,半刚性基层具有耐久性好、整体强度高、板体性好等许多优点,但存在严重问题。尤其是高速公路沥青路面早期破损问题,已经成为影响我国公路健康发展的突出问题。主要表现在三个方面:1)损坏时间早;2)损坏范围宽;3)损坏程度重。有的路面建成使用后不久,就出现了较严重的损坏现象,个别路段通车当年就出现了损坏,达不到设计寿命。主要是由于半刚性基层早期强度及刚度较小,达不到使用要求,而基层又是路面的主要承重层。这一现象提醒我们必须使用刚度及强度均较高的基层材料。
若基层强度不足,很多病害便由基层引起,维修时必须从基层甚至是底基层处治,翻修较困难;若设计中保证中面层以下直至基层,能长期保持良好状态,如使用沥青稳定类材料,热拌大粒径沥青混合料、乳化沥青稳定碎石、泡沫沥青稳定粒料以及旧沥青路面再生材料。当出现路面病害时仅需表面磨耗层维修更新即可。
1.3 提高路面的水温稳定性
对于降水量较大的地区,沥青路面的早期破坏主要体现为水损坏。我国道路最主要的问题是早期水损害等病害,很多道路都是由于水损害严重而丧失了使用性能。因此就我国现阶段的实际情况,在考虑提高路面使用寿命时,应该考虑如何解决防治水损害和在特重交通下车辙严重的问题。
针对大气降水,应确保做好路面面层不透水;行车道与道路路肩的接合处不产生渗水现象。地下水位较高的路段,应设置隔水层保证地下水不至于上升到路面结构中。
1.4 合理处治路基,提高路基的强度
沥青路面对土基的强度要求较高。现有沥青路面将近90%的病害是由土基强度不足引起的。国内多数道路是高填路基,都是在原地面填筑而成,其强度与材料本身和压实有很大关系,这就给路面使用中产生较大的弯沉埋下了隐患。对比国外的道路发现,国外的高速公路通常填挖均较小,很少出现高路堤,因而其本身强度也比较高。针对我国的多山地形,高填路段又不可避免,那么,路基施工就应结合土质特点,进行合理的处治。
2 重交通沥青路面的设计标准
2.1 设计荷载应为实际最重的车辆荷载
现有公路沥青路面设计是以单轴双轮组轴重100 kN为标准进行设计,将道路上预测到的所有其他非标准轴载均换算为标准轴的等效作用,这种等效换算引起的误差尚应继续考虑。重车对路面的作用及破坏若替代为标准轴的作用,其区别本身就是作用次数的多少,即体现为路面的耐久性。因此,要提高路面的耐久性,必须考虑道路上最大轴重车辆的作用。所以应采取道路上所能预测的最大荷载的实际车辆荷载作为设计荷载,并考虑一定量的超载作用,计算路面结构中产生的应变及应力。
2.2以沥青层底弯拉应变作为设计控制标准
提高路面使用年限及使用品质的一个重要方面就是控制沥青层底弯拉应变,使其低于疲劳极限对应的应变临界点。力学方法主要原理是确定荷载作用下路面结构层的应力应变。
2.3控制路基土的垂直压应变
路基是路面的基础,是影响沥青路面结构承载能力、结构层厚度和使用性能的重要因素。土基的强弱直接影响路表弯沉值的大小和沥青路面使用寿命的长短。路面力学计算结果表明,沥青路面的回弹弯沉值绝大部分是由土基引起的。合理划分土基类型,保证土基施工质量对路面弯沉控制有重要的意义,所以要求土基必须坚实。要提高路面的整体刚度,必须控制路基的垂直应变。
3结语
沥青路面舒适度较高,将成为未来最主要的路面类型,特别是用在高速公路,重载道路中。
沥青路面的基层是承重的主要部位,也是决定路面寿命长短的关键部位。由于我国的载重车辆超载、超速情况较严重,因此,应使用半刚性基层,同时加大基层厚度,保证土基强度,从而保证道路路面的寿命。
摘要：结合沥青路面在工程中的广泛应用,提出了重交通沥青路面结构组合设计的原则及其设计标准,指出由于我国的载重车辆超载、超速情况严重,应使用半刚性基层,同时加大基层厚度,从而保证道路的寿命。
关键词：公路,沥青路面,长寿命,结构设计
参考文献
[1]沈安金.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出版社,2004.
[2]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].上海:同济大学出版社,2003.
[3]郭永雄.沥青路面结构的可靠度分析[J].山西建筑,2008,34(31):273-274.
沥青路面排水层结构优化设计 篇8
公路排水设计规范提出在路面结构内设置排水基层或排水垫层排水系统,但是对排水基层的设置没有统一的规定,没有直接说明沥青稳定碎石排水材料的抗压回弹模量的取值,也没有在结构计算中加以分析说明。在高等级半刚性基层沥青路面结构中,基层材料多采用无机结合料稳定碎砾石,由于沥青稳定碎石排水层材料孔隙率较大(一般为15%),相对于沥青面层和半刚性基层,其回弹模量值较低。这就形成了一种“软”夹层结构,这会给路面结构带来什么不利影响,同时设置沥青稳定碎石排水层可否取代部分结构层的厚度,这些问题需要通过结构分析予以解决。
1 结构分析
1.1 结构分析模型
结构分析采用的三个结构模型见图1～图3。
1.2 排水层模量分析
分析排水层模量的变化对结构各个性能指标的影响时,固定排水层厚度为8 cm,考虑基层模量为700 MPa,1 500 MPa,4 000 MPa和10 000 MPa的情况,并分别考虑了保持原结构总厚度不变和原结构各层厚度不变两种情况。沥青稳定碎石排水层的模量从500 MPa到1 400 MPa变化,分别代入结构中进行计算。
由计算结果可知:1)沥青稳定碎石排水层模量的变化对路表弯沉、排水层底面应力、基层底面拉应力和土基顶面压应变的影响很小。2)沥青稳定碎石排水层模量的变化对面层底面应力的影响较大。随着排水层模量的增加,面层底面应力由拉应力向压应力转变。
1.3 排水层厚度的分析
排水层厚度通常在8 cm～15 cm范围内选用,但最小厚度不得小于6 cm,固定排水层模量(排水上基层模量为1 000 MPa,排水下面层模量为1 100 MPa),沥青稳定碎石排水层的厚度从6 cm到15 cm变化,分别代入结构中进行计算。
由计算结果可知:1)沥青稳定碎石排水层厚度的变化对路表弯沉、排水层底面应力、基层底面应力和土基顶面最大压应变几乎没有影响。2)沥青稳定碎石排水层厚度的变化对面层底面应力的影响较大。随着排水层厚度的增加,面层底应力由压应力向拉应力转变。设置排水上基层的结构中,面层底面应力在排水层厚度为10 cm(总厚度不变的情形为12 cm)时由压应力转变为拉应力;设置排水下面层的结构中,面层底面应力在排水层厚度为10 cm(总厚度不变的情形为11 cm)时由压应力转变为拉应力。3)虽然排水层厚度的增加使得沥青面层底面产生拉应力,但拉应力值很小(远小于面层的容许拉应力,大约为其值的1/1 000),并且随着厚度的增加,拉应力增加不明显。
1.4 沥青稳定碎石排水层模量及厚度的综合分析
鉴于排水层模量及厚度对面层底面应力的较显著影响,对两种方案进行不同排水层厚度和不同模量的综合影响分析,结果见图4和图5。
得到以下结论:
1)从图4可以看出,排水层厚度越小时,排水层模量对面层底应力的影响越小。随着排水模量的增加,面层底面的应力由拉应力向压应力转变。同一排水层厚度下,排水层模量越大越好。
2)从图5可以看出,排水层模量越大时,排水层厚度对面层底应力的影响越小。随着排水层厚度的增加,面层底面的应力由压应力向拉应力转变。同一排水层模量下,排水层的厚度越大,面层底面产生的拉应力越大。
3)在整个排水层厚度的取值范围内,对于设置排水上基层的路面结构,使得面层底面不出现拉应力的排水层模量需大于1 120 MPa;使得面层底面最大拉应力不超过0.1 MPa的排水层的模量需大于680 MPa;使得面层底面最大拉应力不超过0.2 MPa的排水层的模量在取值范围内都能满足。
4)在整个排水层厚度的取值范围内,对于设置排水下面层的路面结构,使得面层底面不出现拉应力的排水层模量需大于1 150 MPa;使得面层底面最大拉应力不超过0.1 MPa的排水层的模量需大于860 MPa;使得面层底面最大拉应力不超过0.2 MPa的排水层的模量需大于660 MPa;使得面层底面最大拉应力不超过0.3 MPa的排水层的模量需大于520 MPa。
5)在整个排水层模量的取值范围内,设置排水上基层的路面结构的面层底面最大弯拉应力都不超过0.17 MPa;设置排水下面层的路面结构的面层底面最大弯拉应力都不超过0.32 MPa。
2 最优结构的技术比较分析
2.1 设置排水上基层路面的最优结构
其他各层设计参数不变,设置排水上基层(厚度8 cm,模量1 000 MPa),分析基层模量从1 500 MPa到3 500 MPa变化、基层厚度从25 cm到40 cm变化共15种路面结构,得到关联度见表1。
从表1可以看出,模量对关联度影响较厚度的影响大。其中以加粗倾斜标记的1-9结构(结构总厚度不变)的关联度最大,即为设置排水上基层路面的最优结构。
2.2 设置排水下面层路面的最优结构
其他各层设计参数不变,设置排水下面层(厚度8 cm、模量1 100 MPa),分析基层模量从1 000 MPa到4 000 MPa变化、基层厚度从30 cm到40 cm变化共16种路面结构,得到关联度见表2。以加粗倾斜标记的2-12结构(结构总厚度不变)的关联度最大,即为设置排水下面层路面的最优结构。
2.3 较优方案的技术比较分析
对典型结构、设置排水上基层路面的最优结构、设置排水下面层路面的最优结构再度运用关联度方法,进行技术比较,得到的关联度分别为0.80和0.82。因此确定设置排水下面层路面的方案为较优方案。
3 结语
1)进入路面结构的自由水,是路面出现早期损坏或加速损坏的主要原因。在半刚性基层沥青路面内部设置沥青稳定碎石排水层可以在功能上削减半刚性基层的反射裂缝,减少渗入路面结构内部的自由水对路面的损坏。2)沥青稳定碎石排水层的模量和厚度对路表弯沉、基层底面应力和土基顶面应变的影响较小,但对面层底面的应力影响较显著。沥青稳定碎石排水层模量对面层底面应力的影响较排水层厚度的影响大。由结构分析得知,沥青稳定碎石排水层模量的取值最好在900 MPa以上,不宜低于600 MPa;在满足排水功能条件下,宜尽量选用较薄的排水层厚度。3)运用灰色系统关联度分析方法,对两种排水层方案的各个性能指标进行综合评价,分析出设置沥青稳定碎石排水下面层的方案优于设置沥青稳定碎石排水上基层的方案。
摘要：以多层弹性层状体系理论为基础建立沥青稳定碎石排水层的结构模型,在此模型中通过对排水层模量、排水层厚度以及模量和厚度的综合分析确定了最优的结构技术,有效的解决了路面的早期破坏。
关键词：沥青路面排水层,结构模型,排水层模量,排水层厚度,最优技术
参考文献
沥青路面结构 篇9
1. 车辙指标的确定
根据我国现行沥青路面设计规范，沥青路面在使用初期不应出现明显车辙，但在高速重载路段及交叉路口附近，车辙却非常明显。车辙不仅影响行车安全、降低行车操控稳定性和舒适性，且由于车辙积水，易于诱发其它病害，从而导致路基早期破坏。然而，由于柔性基层沥青路面采用了较厚的沥青层，与目前我国普遍采用的半刚性基层沥青路面相比是否会出现过大的车辙，这是推广应用此类路面必须面对的问题。因此，本文在研究中将车辙作为路面结构设计指标之一。设计中应考虑的因素及指标限制在后文阐述。随着交通量不断增大以及车辆交通的渠化，沥青路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的累积而导致路面出现车辙，车辙使路表产生过量的变形，影响了路面的平整度;轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于引发其它病害;雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而致车辆飘滑，影响了高速行车的安全;车辆在超车或更换车道时方向失控，影响了车辆操纵的稳定性。综上所述，车辙的产生严重影响了路面的使用寿命和服务质量。
2. TOP-Down裂纹
根据目前国外的研究成果，对厚沥青层沥青路面除了由下而上的裂缝外，还存在自上而下TOP-Down的裂缝扩展方式。并且大量试验路的调查结果表明，这种自上而下的裂缝形式是厚沥青层沥青路面的主要损坏类型。作为一种新型路面破坏形式，其对路面损害比较大，由于裂纹起始于路表，再加上温度应力及车辆荷载的作用，导致裂纹慢慢扩展，路表水就会向下渗流，很快会污染到基层，导致基层结构的破坏。对于柔性基层沥青路面来说，水的浸入必然会导致沥青稳定碎石基层中沥青从石料表面脱落，加快基层的损坏进程，继而进一步导致整个路面结构的损坏，这样势必会导致初期投资很高的柔性基层沥青在没有达到设计年限时产生早期损坏。
二、市政道路柔性基层沥青路面结构实例研究
以天津市滨海新区市政公路建设为例，介绍市政道路柔性基层沥青路面结构。20世纪80年代，随着交通量的增大，重型车辆的增加，天津市区已基本形成了2 cm细粒式沥青混凝土+4 cm粗粒式沥青混凝土+7 cm黑色碎石+15 cm粉煤灰石灰碎石(粉煤灰石灰钢渣、粉煤灰石灰碎石)+l5 cm石灰土(二灰土)+l5 cm石灰土(二灰土)的典型结构。近年来，随着市政公路的进一步修建，对路面强度的要求进一步提高，于是上面层+中面层十下面层+水稳碎石基层+二灰碎石(二灰土)底基层+石灰土垫层路面成为路面的基本形式。
1. 滨海新区沥青路面面层材料选择
对沥青路面各种面层进行研究，以对比各种面层的使用效果，各类面层使用效果如下。
(1)上面层
沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、抗震性好、噪音小以及维修方便等优点得到了广泛的应用，但是由于高速公路大多采用密级配的沥青混凝土路面，随着交通量的不断增长和轴载的明显增大以及高等级公路交通车辆的渠化作用，沥青混凝土路面面临着新的严峻的考验，传统的悬浮密实型连续级配不再能承担日益增长的交通要求。其中，车辙已经成为高等级公路沥青路面早期破坏的主要形式之一，严重地影响了路面的使用功能和寿命。综上所述，重载沥青路面可采用以下上面层。
1)通过合适的方法提高沥青混合料的高温稳定性，改善沥青混合料抗车辙性能，以降低沥青路面对车辆荷载变化的敏感性。为了有效地防止路面车辙的产生，目前常用的技术有使用改性沥青、调整沥青混合料的矿料级配、掺加外掺剂等。
2)可以采用细粒式密级配沥青混凝土(AC)，沥青马蹄脂碎石(SMA)及多碎石沥青混凝土(SAC)。
3)可以使用SBS改性沥青、LDPE改性沥青、环氧树脂改性沥青、粒化聚合物作为混合料外加剂等，均可重点解决沥青路面的高温抗车辙能力。
4)可以使用纤维、土工格栅、橡胶类等添加剂提高沥青高温稳定性、低温抗裂等强度。
(2)中面层
中面层沥青混合料主要考虑其抗永久变形能力，即提高沥青的高温稳定性。从天津市沥青路面的使用情况来看，由于矿料级配中碎石含量较少，沥青稠度较小，致使中面层空隙率较大，雨水常常通过孔隙渗入基层，引起路面的过早损坏，加之这些中面层的高温稳定性也较差，路面病害严重。为避免中面层设计不当而引起路面的损坏，对天津市滨海新区沥青混凝土中面层提出如下要求。
1)采用改性沥青作为结合料，可以改善道路高温稳定性能、低温抗裂性能、疲劳性能、水稳定性以及耐老化性能等。
2)中面层采用沥青混凝土，推荐采用中粒式沥青混凝土(AC)。
3)为了提高沥青混合料高温稳定性、抗车辙等性能常用的技术有使用改性沥青、采用聚合物改性沥青作为结合料、掺加外掺剂(如纤维、土工格栅、橡胶类等)。
(3)下面层
由于沥青混凝土路面普遍存在路面反射裂缝，从而导致路面抗车辙能力不足和耐久性差，影响了沥青混凝土路面的使用寿命。为了减少此种病害的发生，延缓基层裂缝向中、上面层反射及提高路面抗车辙能力的作用，使路面铺筑之后具有良好的骨架结构，且具有防水、高温稳定、低温抗裂等特性，对天津市滨海新区沥青混凝土下面层提出以下要求。
1)采用粗粒式沥青混凝土(AC)。
2)使用改性沥青作为结合料，可以提高路面高温稳定性、低温抗裂等性能。
2. 滨海新区沥青路面基层材料的选择
对沥青路面各种基层和底基层进行研究，以对比各种基层的使用效果，各类基层或底基层使用效果如下。
(1)密级配沥青碎石ATB
沥青稳定碎石具有较强的抗剪、抗弯、耐疲劳性，很少产生干缩裂缝，其刚度较小。与传统的用于面层的沥青混凝土相比，它是针对于基层用的，粒径偏大，级配偏粗，沥青用量偏少，对原材料的要求相对于面层要低;与沥青碎石相比，有较多的细集料和填料，级配和原材料要求相对较高。
(2)二灰(石灰粉煤灰)稳定碎石类口
用这类材料作基层的沥青路面状况良好，近几年修建的高等级公路，许多路段采用此种材料。用二灰稳定碎石，具有强度高、板体性强、水稳定性和冻稳定性好等优点，可显著减少面层的弯沉，改善面层的受力状态，同时二灰稳定碎石的隔温性能及抗开裂性也比较好，可作为沥青路面的一种基层。但二灰碎石也有初期强度不高，强度形成需一定的完成期，同时在动水压力作用下，抗冲刷能力不及水泥稳定碎石材料的不足。
(3)水泥稳定类
水泥稳定类基层具有强度高、板体性好、水稳定性好及抗冻性强等多种优点，且可根据当地材料供应情况，采用水泥稳定碎石粉煤灰石屑基层、水泥稳定碎石开山料基层、水泥稳定砂砾石屑基层、水泥稳定钢渣基层等多种形式，既满足了要求，也节省了工程造价，正是由于水泥稳定结构有着良好的力学性能和板体性，能适用不同的气候水文条件、交通条件，因此具有广泛的运用。
三、结语
柔性路面具有可以连续施工无接缝、平整度高、施工期短、养护维修简便等优点，但是受沥青本身材料特性局限，较刚性路面强度和刚度都比较小，尤其在通车后期，容易出现裂缝、车辙、坑槽等病害，直接影响行车速度和行车安全，虽然初始投入小，但是后期维修成本高。因此，推广受到一定阻碍。
摘要：本文首先介绍了柔性基层沥青路面的设计指标,然后以天津某市政道路为例,探讨了市政道路柔性基层沥青路面结构的设计工作。
关键词：市政道路,柔性基层,沥青路面,结构
参考文献
[1]赵亮.级配碎石在吉林省高速公路中的应用研究[D].长春:吉林大学,2007.
沥青路面结构的模糊可靠度分析 篇10
1 结构的模糊可靠度
1.1 界定模糊破坏区域
在传统的可靠度理论分析方法中,将沥青路面结构的极限状态(结构从安全到破坏的状态)用结构抗力R和荷载效应S之间的关系加以描述。结构所处状态可概括为:
Z=R-S。
其中,Z为结构的状态函数,当Z>0时,结构处于安全状态,当Z=0时,结构处于极限状态,当Z<0时,结构处于破坏状态。Z=R-S=0称为极限状态方程,表征结构从安全到破坏的判断界限,如图1所示。
实际上,结构从安全到破坏难以用明确的界限来划分,是具有模糊性的,结构破坏是一个模糊事件。按模糊理论,将如图1所示的结构破坏状态转化成为具有随机取值性质的实数论域上的一个模糊破坏区,即建立结构破坏集合,集合中的每一个元素都对应一种结构破坏状态,但各个元素隶属于结构破坏的程度各不相同。
构造模糊破坏区时,考虑到沥青路面设计规范的规定对弯沉、弯拉应力等抗力R和荷载效应S的取值统计方法,以及对路面结构安全的影响程度,构造-α1≤Z=R-S≤α2为模糊区(α1,α2均为确定模糊区上下界的待定常数),如图2所示。
根据公路工程结构可靠度的研究发现,沥青混凝土路面的设计指标如设计弯沉(容许弯沉)、实际弯沉(实测弯沉)、容许弯拉应力、实际弯拉应力(验算弯拉应力)等皆大致服从正态分布,所以极限状态功能函数Z=R-S的值也服从正态分布,此时α1,α2的值可取Z的均方差σ(Z)的倍数,一般取α1=α2=σ(Z)。
结构极限状态功能函数Z=R-S所对应的模糊集合M(Z)为:
M(Z)={Z|Z∈Rn|:-α1≤Z≤α2}。
1.2 结构破坏隶属函数的确定
概率论把数学的应用范围从必然现象扩大到偶然现象,从随机性中去把握广义的因果率——概率规律;模糊数学把数学的应用范围从清晰现象扩大到模糊现象,从模糊性中去确定广义的排中率——隶属规律。在模糊理论中,确定和选择隶属函数的研究是模糊现象的基础。隶属函数μ(Z)的形式很多,如半正态分布形式、半柯西分布形式、半梯形分布形式、半岭形分布形式等。由于半梯形分布形式能够较好地反映结构状态函数从安全区、模糊区到破坏区的过渡,又较简单,故选用了半梯形分布隶属函数,其数学表达式为:
隶属函数μ(Z)的大小反映了结构状态函数Z隶属于结构破坏这一模糊事件的隶属程度,是对其模糊概念客观性的一种度量。当μ(Z)>0时,结构开始破坏;当μ(Z)=1时,结构完全破坏。一般地说,若R,S取值未考虑安全因素,在临界状态(Z=R-S=0)时,模糊不确定性最大。隶属函数μ(Z)的值与α1和α2有密切的关系。
1.3 结构模糊可靠度
根据模糊理论,已知基本事件的概率和隶属函数,得到结构破坏的概率Pf为:Pf=∫
2 沥青路面结构的模糊可靠度算例
2.1 传统可靠度
已知陕西省某高速公路沥青路面有4层结构,其基本数据为:沥青混凝土面层厚度15 cm,抗压回弹模量1 700 MPa,抗弯拉强度的平均值为2.5 MPa,变异系数为0.15;基层为水泥稳定碎石,厚度25 cm,抗压回弹模量1 100 MPa,抗弯拉强度的平均值为0.7 MPa,变异系数为0.25;底基层为石灰土,厚度40 cm,抗压回弹模量550 MPa,抗弯拉强度的平均值为0.3 MPa,变异系数为0.35;土基抗压回弹模量60 MPa;标准轴载累计作用次数为1×107,变异系数为0.45。已知各指标皆服从正态分布,按传统的沥青路面结构可靠度理论计算的结果如表1～表3所示。
2.2 沥青路面结构模糊可靠度
已知R,S互相独立,且均服从正态分布,则Z也服从正态分布。
E(Z)=E(R)-E(S)。
其中,E(Z),E(R),E(S)分别为Z,R,S的平均值;σ(Z),σ(R),σ(S)分别为Z,R,S的标准差。
Z的概率密度函数为:
当取α1=α2=σ(Z)时,隶属函数为:
将P(Z)及μ(Z)代入前述模糊可靠度计算公式可得某路沥青路面结构的模糊可靠度,见表4。
3 模糊可靠度分析
比较表1和表4可以看出,模糊可靠度低于传统的可靠度,该高速公路传统的可靠度和可靠度指标满足目标可靠度95%～99%及可靠度指标1.645～2.327的要求,而模糊可靠度的弯沉及底基层弯拉应力指标并不满足要求。有工程实践证明,在基本满足传统可靠度要求的沥青路面结构中,有的设计指标仍存在导致路面损坏的缺陷,而取值较低的模糊可靠度更客观地表现了结构的实际可靠度,能够更多地暴露结构的安全隐患。
界定模糊区界限的参数α1,α2的取值模糊可靠度的影响见表5(以弯沉指标为例)。从表5可以看出:1)当α1=α2=0时,模糊可靠度为不考虑模糊因素的传统可靠度;2)当α1不变时,随着α2的增加,模糊区向安全区扩大,模糊可靠度减小;3)当α2不变时,随着α1的增加,模糊区向破坏区扩大,模糊可靠度增大。当模糊区界限确定后,功能函数Z的均方差的变化对模糊可靠度的影响见表6(以弯沉指标为例)。从表6可以看出,功能函数均方差的变化对模糊可靠度产生了显著的影响,均方差变小,可以显著提高模糊可靠度。因此对沥青路面结构来说,从严控制原材料质量,切实提高施工质量,可增加结构的可靠度。
4 结语
1)结构的模糊可靠度,不仅考虑了各变量的随机不确定性,而且考虑了判别模式的模糊性,使得对结构的分析计算更趋于全面和合理;2)当模糊区偏向安全区时,模糊可靠度减小;当模糊区偏向破坏区时,模糊可靠度增加;3)模糊区的界定及隶属函数的确定是分析计算模糊可靠度的关键,尚有待深入研究;4)传统的可靠度只是模糊可靠度的一种特殊形式。
摘要：指出结构的可靠度不仅与确定影响因素和不确定影响因素有关,而且与破坏准则的模糊不确定性有关,考虑到这些不确定因素的影响,利用结构可靠度理论和模糊数学,讨论和分析了结构破坏的隶属函数的内涵,并提出了一种计算结构模糊可靠度的公式,并以沥青路面为例进行了分析。
关键词：结构,模糊可靠度,隶属函数,沥青路面
参考文献
[1]李扬海.结构可靠度[M].北京:人民交通出版社,1998.
[2]涂文戈,林丽川.结构的模糊可靠性[J].中南工业大学学报,2000,31(4):14-15.
[3]胡继才.应用模糊数学[M].武汉:武汉测绘科技大学出版社,1998.
[4]郭忠印.半刚性基层沥青路面的损坏原因分析与对策研究[A].2000年道路工程学会学术交流会论文集[C].北京:人民交通出版社,2000.
沥青路面修补技术探析 篇11
关键词：沥青路面;裂缝;坑槽;产生原因分析;修补技术
0 引言
道路工程结束后，经过地基沉降、材料收缩、载荷负重等现象的作用，沥青路面会出现裂缝、坑槽等破损问题。这些问题的出现，使得沥青路面的使用寿命严重减少，要想提高沥青路面的使用寿命，提高建设材料的使用效率，就要将这些出现的裂缝及时处理，保证沥青路面的使用质量。本文从沥青路面使用过程中会出现的问题出发，分析了问题的种类及产生的原因，并提出了相应的修补技术和修补的施工工艺，能够及时解决沥青路面使用过程中常出现的问题，提高沥青路面的使用质量，希望对沥青路面的维护工程起到一定的帮助作用。
1 沥青路面出现的破损现象
1.1 裂缝产生原因分析。沥青路面产生的裂缝类型主要有荷载型裂缝、温度裂缝、反射裂缝和其它横向裂缝[1]。沥青路面裂缝产生的原因有很多种，如由于路面荷载过大引起的裂缝，就是路面上的荷载超过路面所能承受的最大荷载，导致沥青路面出现裂缝;如温度变化引起的裂缝，由于地表温度过高或者过低，致沥青路面与其基层等不同性质材料不同程度的膨胀或收缩引起的裂缝。又如刚性基础的胀缩缝、施工缝或道路半刚性基础由于干缩和温缩引起的基础裂缝延展导致沥青路面出现的裂缝。除此之外，还有如桥头地基沉降、路面施工工作裂缝开裂等问题引起的横向裂缝。
1.2 坑槽产生原因分析。坑槽是沥青混凝土路面问题中常见的一种，其严重影响行车的速度和舒适度。坑槽产生的原因主要是因为轻微的龟裂、网裂等问题没有及时处理，行车碾压过多逐渐发展成了坑槽[2]。沥青路面产生的坑槽类型主要有沥青面层坑槽、基层坑槽和前修后补生的坑槽。沥青面层坑槽主要是由于沥青面层材料密度不均，空隙过大，车辆碾压过度碾压出现的沥青面层下陷出现坑槽。基层坑槽是由于路面基础不平整，在竣工使用后出现基础沉降和下陷的问题，在路面载荷后导致沥青路面也跟着下降，出现坑槽的现象。前修后补产生的坑槽，是由于坑槽修补的时间不能过夜。如果刚修补的坑槽在夜晚淋雨，则及容易出现前修后补的坑槽。
2 沥青路面修补技术探讨
2.1 裂缝问题的修补技术。裂缝的出现严重影响着沥青路面的质量和使用寿命，为了提高我国建筑材料的使用效率，节约国家基础设施建设成本，需要对沥青路面产生的裂缝进行一定的修补。裂缝产生的原因有很多，针对不同的裂缝应该采取不同的裂缝修补措施，相应的，裂缝的修补技术也很多。裂缝的修补技术主要有填缝、灌缝、大深度裂缝修补和不规则裂缝的修补技术。填缝是一种比较常用的沥青路面裂缝修补技术，一般用于裂缝宽度小于20mm的情况，填缝修补工艺也有三种方法，分别为直接填缝、锯缝填缝和刻槽填缝，直接填缝是指用风吹走裂缝中的杂物后直接填补，锯缝填缝和刻槽填缝是指有锯缝机或刻槽机将裂缝先刻槽再填入密封材料，这种修补工艺能够很好的组织水进入到路面中层，破坏其他路面结构。灌缝一般运用于随机裂缝，裂缝宽度大于20mm的裂缝修补也适用于灌缝技术，其与填缝的主要区别在于修补之前采用的材料不同。大深度裂缝修补技术主要根据裂缝的宽度跟间距不同而选取不同的修补方法，详细可见填缝跟灌缝的修补技术[3]。不规则裂缝是指龟裂、块裂和网裂，这种裂缝采用填缝的方法花费较大，一般采用加热修补技术、重铺照面的方法来修补裂缝。
2.2 坑槽问题的修补技术。坑槽问题对路面的平整和车辆的行驶会产生极大的负面影响，为使车辆行驶的更具有舒适感，路面更加的平整美观，需要对坑槽进行修补。进行坑槽修补技术一般采用冷补料法，扫清坑槽内部及周边的破碎沥青块，洒沥青底油，沥青油发酵后填铺冷补沥青料，然后夯实，铺设平整路面。在此过程中一定要注意的是重新铺设的沥青与原有的沥青要胶结好，不能出现断层现象;其次是坑槽的处理一般在天气晴朗和一天的早上进行，防止下雨造成沥青粘结效果下降和给予沥青足够的时间来给沥青材料降温和胶结，保证后铺设的路面质量。
3 结语
综上所述，本文通過对沥青路面使用过程中会出现的裂缝、坑槽等问题，指出了问题出现的原因和裂缝的种类，并针对各个裂缝不同介绍了不同的裂缝修补技术。这些技术能够在一定程度上阻止裂缝发展，修补裂缝，提高沥青路面的使用寿命，提高道路工程的质量，对我国道路的发展具有一定的促进作用，我国相应的局面保养部门可以择优采纳，为我国道路的发展共同贡献我们该有的力量。
参考文献：
[1]吴文东.沥青路面裂缝修补技术探讨[J].中国科技与咨询，2012（04）：23-25.
[2]吴云，曾博林.沥青路面裂缝修补技术探讨[J].城市管理与规划，2014（06）：126-128.
[3]张靓野，管鑫博.沥青路面坑基修补技术的探讨[J].商业现代化，2013（12）：35，38.
粒料基层沥青路面结构非线性分析 篇12
在我国高等级公路路面中,大部分采用半刚性材料作路面基层。半刚性基层沥青路面有其独特的优越性,如刚度大、强度高、整体性好、水稳定性好、抗冻性好等等。同时,这种路面结构也有其明显的不足,如易开裂、刚度大、难修复、透水差等,特别是日益暴露出来的沥青面层反射裂缝问题,已成为沥青路面最常见的一种病害。因此,对路面结构的改良就成为刻不容缓解决的问题。近些年来,用粒料材料(如级配碎砾石等)作为路面基层或底基层材料在国外得到了广泛的应用。在我国的一些地区,粒料作为基层和底基层也慢慢地被应用在一些高级道路路面上。对粒料基层来说,人们担心的是粒料基层的模量太低,不足以承受重交通对路面的作用[1]。由于粒料颗粒松散的特性,因此其模量往往呈现出很明显的非线性特性,从而使整个路面结构也呈现出明显的非线性。因此,对粒料基层沥青路面结构的非线性特性进行研究,已成为亟待解决的问题。
1 粒料基层材料非线性本构关系
一般来说,非线性问题可以分为材料非线性、几何非线性和综合非线性三种。而对于道路路面结构来说,由于荷载的瞬时性和材料自身所具备的弹塑性,所以当车辆走过时,虽然可能会产生部分塑性变形,但这个变形量相对来说是极小的。因此对于路面结构,主要是考察它的材料非线性[1]。对于粒料基层来说,则主要是考察粒料基层的回弹模量与主应力之间的关系,即寻求一个与路面复杂受力情况更相符的本构关系。
目前,国内外大量学者通过大量三轴试验来测试不同粒料基层的非线性参数。研究表明,粒料材料的回弹模量的变化与应力的变化有关,亦即回弹模量的大小很大程度上取决于竖向应力和侧向应力的大小。因此,国内外众多学者均认为粒料类材料的非线性本构关系可以表示成:
式中:Er———粒料基层弹性模量;
θ———第一应力不变量,θ=σ1+σ2+σ3,σ2+σ3;
K1、K2———材料和试验有关的回归系数。
美国AASHTO沥青路面设计方法中,对基层材料通常取K1=3000~8000,K2=0.5~0.7,若无相关资料则根据其推荐的经验取值。
美国沥青协会(AI)沥青路面设计方法中,对于未处治的粒料,假设泊松比为0.35后,通常取K1=5.2~82.8MPa,K2=0.5。
何兆益[3]采用重复动三轴试验,对级配碎石弹性模量进行了系统研究,对不同级配、含水量和密实度的级配碎石进行室内动三轴试验研究认为K1=24432kPa(均值),K2=0.47(均值)。
Uzan通过试验对上述K-θ模型进行改进,用增加偏应力的方法来表征其剪切性能,其本构关系为,其中3个k均为回归参数。另外还有诸如Rada和Witezak模型、Gonzalo Radaet模型、LADE和NELSON模型、Brown和Pappin模型等等。
国内还有一些学者通过试验研究,也提出了相关本构模型。如凌天清根据野外足尺试验测试研究结果,认为粒料基层回弹模量可表示为Er=(ah2)bE0,式中h2为天然级配粒料结构层的厚度,E0为对应测点土基回弹模量,a、b为材料参数。张起森等采用有限单元法,对粒料基层路面结构的非线性进行深入研究,提出粒料层模量和泊松比关系分别为,式中K1、n1、a2、β2为试验参数,σt为粒料的抗拉强度。
结合路面结构中粒料基层材料的回弹模量会随着主应力的大小变化而变化的非线性特性,提出粒料基层材料非线性本构关系模型如下:
式中:σ1———大主应力(MPa);
σ3———小主应力(MPa);
a———试验参数,无量纲;
b———试验参数,单位为MPa-1;
c———试验参数,单位为MPa。
参数a、b、c的确定:通过回弹模量试验测得实际的回弹模量,同时通过ANSYS软件测得由此模型确定的模量,计算两者每一级荷载下对应的均方差,使均方差最小,可以表示为 最小。两边分别对a、b、c求导可得:
则上式可表示为:
这些参数的计算通过ANSYS软件计算而得。计算方法:首先取圆柱形试件,将试件划分单元格,圆截面划分成以圆心为中心的多个同心圆(同心圆越密则计算越复杂数据越精确,划分以合适为准,不必刻意追求高精度,否则软件可以出现计算不出来的后果),高度方向也划分为多层,划分原则同截面。然后分别选取不同代表位置的σ1、σ3计算A、B、C、D、E、F、G、K的值,再通过对各级荷载作用下计算出来的A、B、C、D、E、F、G、K值求和,将求和的结果代入式(2),就可以计算出参数,从而得到具体的本构关系模型。
模型(1)以路面实际受力情况出发,首先其试验方法就是严格的模拟实际情况,运用ANSYS软件模拟路面的受力状况,设定各种约束条件,使应力应变状态与实际情况相符合。然后采用理论计算与实际测试相结合的方法,用数学方法将ANSYS软件计算出来的理论回弹模量与室内试验路实际测得的回弹模量进行处理,从而得到相关的模型参数,故而更切合实际。
2 粒料基层路面结构非线性分析
以室内铺筑的砂砾基层沥青路面试槽试验路为模型,砂砾基层沥青路面结构如图1所示,基层采用非线型模型的路面结构计算有限元模型,面层4cm划分为2层,基层20cm划分为10层,底基层50cm划分为5层,土基划分为2层,共计19层,水平向划分16圈,径向15等份。在结构计算时,基层模量不取定值,各单元的模量进行反复迭代,在进行了荷载等量换算后,为便于迭代,计算荷载取单圆均布荷载,荷载大小仍为0.7MPa,模型取半径为15cm的1/4圆柱体。面层类型考虑碎砾石沥青混合料,其模量参考试验路测试的数据,取为1600MPa。基层模量按两种方式取值:一种取定值250MPa,另一种按式(1)迭代取值,即根据提取的基层各单元大小主应力算出基层单元的模量值。
在对基层模量进行迭代计算时,为便于对基层各单元模量进行迭代,需给划分的各单元编号。在进行计算时,面层、底基层和土基的模量视为恒定不变,基层的模量按公式(1)取值。在对模量进行迭代计算时,先给基层模量赋一个初始值E0=258MPa,在荷载作用下,计算机可以读取基层模量初始值为258MPa时各单元的σ1、σ3,计算机按公式(1)自动计算新的基层模量E1,然后读取在基层模量为E1时荷载作用下基层各单元的σ1、σ3,从而计算出E2,依次循环求解,计算迭代的精度为△E=1MPa时,计算机则停止迭代运算。
碎砾石基层沥青路面面层结构的基层模量按公式(1)进行迭代回归的结果如表1所示:
如表1和图2所示,在荷载作用中心线位置,基层模量至上而下是递减的,模量最大的单元出现在第一层,达到311MPa,而最下面的一个单元模量为254MPa,相差57MPa;在荷载边缘即距荷载中心线15cm位置处,基层各单元模量在240MPa左右;距离荷载中心线35cm处的基层模量趋势是上部小于下部,这是由于基层上部受到的应力比下部小;由图3可以看出,在距离荷载中心线55cm处及其更远的位置,基层模量则几乎保持不变,愿意是在这些地方基层所受到的应力已相当小,对模量的影响不大。从表中数据及以上分析可以看出,砂砾基层的模量随所受应力大小而变化,在荷载中心处的基层模量上面大、下面小,距离荷载中心线越远,则基层模量越小,超过一定距离后,基层模量几乎不再变化。
在单次荷载作用下路面的竖向变形如表2所示:
mm
对应的路面代表点应力与实测的应力如表3所示:
MPa
由表1、2可知,在考虑了砂砾基层的非线性之后,路面的竖向变形更接近实际,亦即路面的理论弯沉值和实际弯沉更接近,而基层越靠近面层的一侧,其应力大小越接近实测值,路基顶面的应力与实测值已无太大误差,因此模型计算的应力与实测压应力也是较为接近的。故而因此可得,运用非线性本构模型(1),无论是在应力或者是应变(弯沉)方面,计算出来的结果与实际测得的结果都是比较接近的,这就说明在进行粒料基层沥青路面结构分析时非线性本构模型(1)是切合实际的,即基层模量采用E=(a+bσ3)σ1+c模型能更好地符合实际。
3 结语及展望
(1)粒料材料作为典型的具有非线性特性的材料,其回弹模量通常随荷载的增加而增大。
(2)与目前最常用的K-θ模型相比,E=(a+bσ3)σ1+c模型能较好地与实际相切合,计算结果与实际更接近;与其他模型相比,该模型不失其精确性,且计算方式更简便。
(3)模型还需进一步完善,本文在进行分析时,作了部分简化,这些简化与实际的情况可能有差异,还需进一步的完善。同时模型中参数a、b、c应依赖于含水量、压实度等因素,故可通过研究进一步确定其关系。
(4)模型对非线性软件的依赖性较强,因此如果有更好的软件或者更好的算法,可对模型做进一步改进。
参考文献
[1]张登良.沥青路面工程手册[M].北京:人民交通出版社,2003
[2]凌天清.粒料基(垫)层材料回弹模量的足尺试验研究[J].重庆交通学院学报.1996,15(增):65-72
[3]何兆益,唐伯明.柔性基层沥青路面非线性特性及模量研究[J].公路交通科技.2001,18(1):13-16
[4]梅迎军,梁乃兴.砂砾石基层混合料的非线性分析[J].重庆交通学院学报.2004,23(3):57-60
[5]Tseng,K-H,and Lytton,R.L(1989).“Prediction of Perma-nent Deformation in Flexible Pavement Materials.[J]”Impli-cation of Aggregates in the Design,Construction,and Per-formance of Flexible Pavements,ASTM STP1016,ASTM,Philadephia,PA,154-172
[6]邓学均,张登良.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2000
[7]曾德荣,凌天清.非线性有限元法计算路面结构弯沉和应力[J].重庆交通学院学报.1997,6(2):27-36
[8]丁皓江,何福保,等.弹性和塑性力学中的有限单元法[M].北京:机械工业出版社,1989