全厚式沥青混凝土路面结构设计方法

全厚式沥青混凝土路面结构设计方法

阿拉西公路是非洲马格里布公路的重要组成部分。该路段全长约1446公里，竣工后总长约289公里，未建成路段长927公里。东西高速公路采用法国规范和欧洲标准进行建设。路面结构采用法国常用的全厚式沥青混凝土路面,并采用法国“新型道路类型结构目录(1998年版)”规范标准进行设计。全厚式沥青混凝土路面是一种直接修筑在路基上的厚层沥青混凝土路面结构。这类路面的主要优点是它的总厚度比常规半刚性基层的沥青混凝土路面结构更薄,同时可以减少疲劳裂缝产生的可能性,并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的表面层。当路表面的破坏达到某一临界水平时,只需更换或加铺一层表面层即可,不需要大的结构性重修或重建。全厚式沥青混凝土路面的后期维护和使用成本比常规半刚性基层的沥青混凝土路面将大幅度降低。1该项目的内容1.1路基及路面承台按法国习惯做法,路基路面结构体一般由土方下部(厚度根据填挖情况确定)、土方上部(厚度一般为1m)、垫层(厚度根据交通量等级和垫层材料确定,一般为30cm～80cm)和全厚式沥青混凝土路面体等4个部分组成。其中土方下部、土方上部和垫层共同组成高速公路的路基部分。全厚式沥青混凝土路面体一般由磨耗层、连接层、基层和底基层组成。在法国规范的路面设计计算理论中,路基和路面设计是相互关联的,路面承台是由垫层和土方上部(PST层)共同组成。路面承台等级是一个非常重要的变量参数,它直接影响路面结构尺寸的计算结果。路面承台等级分为两个步骤来确定:第一步,根据路基填挖、地下水分布、土方下部和土方上部的路基填料以及排水设施情况,通过法国路基设计规范(GTR)查表确定土方上层PST等级和土方整平AR等级;第二步,根据已经确定的土方上层PST等级和土方整平AR等级、交通量等级要求、垫层材料和厚度,通过法国路基设计规范(GTR)查表确定路面承台等级。1.2路面承台pst根据路面体各结构层的功能划分,磨耗层为路面体的功能层,应具有良好的防渗、抗水损害、抗滑性和耐磨耗性等特点;连接层应具有较高的模量和良好的抗车辙蠕变能力,以便能很好地保护基层;基层和底基层为全厚式沥青混凝土路面的主要持力层,应具有很高的模量和良好的抗疲劳性能。路面承台(垫层+PST层)应该达到足够的强度,以便为路面体提供良好的抗车辙变形的能力。全厚式沥青混凝土路面出现结构性破坏主要表现在两个方面:一是沥青混凝土路面的疲劳裂缝破坏,路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分,使基层甚至路基软化,导致路面承载力下降,产生唧浆、台阶、网裂等病害,从而加速路面整体破坏;一是路面承台发生结构性车辙破坏,车辙达到一定的深度,车辙内就会积水并影响行车舒适和安全。为保证全厚式沥青混凝土路面不会出现上述结构性破坏,路面尺寸需通过计算满足两个标准:(1)沥青层层底的水平拉应变εt,ad必须小于容许极限值;(2)路面承台表面的竖向压应变εz,ad必须小于容许极限值。2尺寸的计算“年版”规范路面结构采用法国“新型道路类型结构目录(1998年版)”规范进行尺寸计算。路面尺寸计算主要包括基础资料计算、容许应变计算、实际应变计算和路面尺寸拟定4个部分,下面以W9B标段路面尺寸计算为例进行介绍。2.1计算基本数据的基础路面尺寸计算的基础资料主要包括交通量、等效温度和路面结构层材料参数等3个方面的资料。2.1.1美国规范对重力车数量的规定根据法国“新型道路类型结构目录(1998年版)”规范,交通量为在载重最多车道上通过的重车数量总和。其中重车是指荷载总重量超过35kN的车辆。根据对不同道路上载重车辆分布情况的调查,载重车辆的车道分布一般为:对于双向4车道,90%的载重车辆在右车道;对于双向6车道,80%的载重车辆在右车道,20%在中间车道。法国规范中根据使用年限(20a和30a)的不同,将交通量分为两个系列各8个交通量等级,具体见表1。W9B标段为双向6车道标准的高速公路,路面设计年限为20a。载重最多的右侧车道重车数量N=8.39×106辆,交通量等级为TC620。根据路面体各结构层的类型和交通量分布情况的不同,将重车数量换算成标准轴载的时候需考虑重型荷载平均影响系数CAM。对于全厚式沥青混凝土,CAM一般取0.5,对于路面承台一般取1.0。2.1.2等效温度定义沥青材料变形和疲劳状态的性能与温度的关系十分密切。在路面使用周期内,路面结构层的疲劳应力和破坏级别会因温度的变化而不同。路面结构尺寸的计算一般是在恒温条件下进行的,即在等效温度θeq下进行路面尺寸计算。等效温度计算考虑每年的温度变化循环周期,它等于规定的温度值下,一年中路面结构受到的总的损失,或等于恒温θeq下同等交通量造成的总损失。W9B标段的等效温度值为20℃。通过相等温度的定义得到以下计算公式:∑ni(θi)Νi(θi)=∑ni(θi)Ν(θeq)∑ni(θi)Ni(θi)=∑ni(θi)N(θeq)或者使用疲劳规律计算公式:1Ν(θeq)=1∑ni(θi)[∑ni(θi)(ε6(θi)ε(θi))1/b×10-6]式中:ε(θi)为在标准尺寸车轴负荷下路面受到张力后的变形;Ni(θi)为对应变形程度ε(θi)产生疲劳断裂的载荷数量;ε6(θi)为在温度为θi条件下的许可变形;ni(θi)为在温度为θi条件下路面上经过的相等载重车轴的数量。2.1.3材料及磨耗层材料路面尺寸计算采用的参数包括复合模量或直接拉伸模量E(10℃,10Hz)、复合模量或直接拉伸模量E(θeq,10Hz)、许可拉应变ε6(10℃,25Hz)、材料疲劳性能参数b和SN、沥青层材料的修正系数Kc以及材料的泊松比μ。W9B标段的磨耗层采用3.5cm厚BBMA(薄层沥青混凝土磨耗层),连接层采用5cm的BBME(高模量沥青混凝土)。基层和底基层均采用EME2(高模量沥青碎石),其厚度由计算确定。根据法国规范,上述3种混合料的参数取值见表2。2.2关于允许常数变换的计算2.2.1.东南角ne-0.32:n最佳比例路面承台的容许压应变为:εz,ad=0.012(Ne)-0.222=348.4×10-6其中:Ne=N×CAM=8.39×106×1=8.39×1062.2.2w9b标段的疲劳定律基层水平向容许拉应变为:εt,ad=ε(Ne,θeq,f)KrKcKs式中:ε(Ne,θeq,f)为在等效温度θeq和应力特征频率f条件下,试验样品在标准轴载Ne作用下出现疲劳断裂的极限拉应变,其概率值为50%;Kr为容许应变修正系数,Kr=10-ubδ,该系数根据计算风险修正参数u、材料的疲劳参数b以及疲劳断裂对数lgN的差异参数δ综合确定,W9B标段的Kr计算结果为0.716;Kc为沥青层材料的修正系数,对于EME2混合料,修正系数为1.0;Ks为路面承台修正系数,根据路面承台等级确定,对于W9B标段的路面承台修正系数为1/1.1。沥青材料的疲劳定律计算公式为:E(Ne,θeq,f)=ε6(θeq,f)(Ne/106)b式中:E(Ne,θeq,f)为在等效温度θeq和应力特征频率f的条件下,在标准轴载Ne作用下的直接拉伸模量;ε6(θeq,f)为在等效温度θeq和应力特征频率f条件下的许可变形。如果项目所处地区气候温和,温度适宜,结合经验性数据,一般情况下温度变化对结构疲劳性能表现的影响通过以下公式计算:ε6(θ)E(θ)0.5=恒量本项目疲劳定律建立的温度条件为10℃,应力特征频率f为25Hz。沥青混凝土基层材料的疲劳定律计算公式如下:因此,沥青层层底水平向容许拉应变为:εt,ad=ε(Ne,θeq,f)KrKcKs=121.3×10-6×0.716×1.0×1/1.1=79.0×10-62.3车辆荷载的单轴双轮组分析路面结构层的实际应变采用层状弹性半无限体理论进行计算,车辆荷载采用单轴双轮组轴载130kN的标准轴载。计算图式见图2。W9B标段基层层底实际拉应变和路面承台顶面的压应变计算如表3所示。2.4路面结构的确定磨耗层和连接层为路面结构的功能层,其结构类型和厚度组合一般根据公路等级和交通量等级确定。W9B标段的磨耗层和连接层分别采用3.5cmBBMA和5cmBBME。路面承台等级一般根据路基及垫层材料的性质和厚度确定。W9B标段采用挖方路段产生的钙板材料和凝灰岩做PST层。沿线地下水位较深,且路基纵向已设置完善的排水设施,不会对路基产生影响。垫层采用水硬性材料处治的凝灰岩,厚度为30cm。经查表确定,W9B标段的路面承台等级为PF2级。沥青混凝土基层、底基层为主要持力层,路面结构尺寸计算主要是计算确定基层、底基层的厚度。根据沥青混凝土层和路面承台的容许应变和实际应变的计算,在满足沥青层层底的水平拉应变εt,ad小于容许极限值和路面承台表面的竖向压应变εz,ad小于容许极限值两个条件的路面尺寸即为计算的路面尺寸。W9B标段的基层、底基层总厚度计算确定为18cm。W9B标段的路面结构为3.5cmBBMA磨耗层+5cmBBME连接层+9cmEME2基层+9cmEME2底基层。因此,全厚式沥青混凝土路面体总厚度为26.5cm。3路面抗拉力系统的经济性分析全厚式沥青混凝土结构性破坏主要表现为沥青层层底疲劳开裂和路面承台顶面发生结构性车辙。根据法国规范,路面结构设计采用沥青层层底拉应变和路面承台顶面的压应变作为控制指标,较国内沥青混凝土路面采用弯沉和基层、底基层的拉应力作为控制指标设计,对路面结构性破坏条件的判定更有针对性,能够有效避免沥青层底开裂和出现结构性