（道路与铁道工程专业论文）重载交通长寿命沥青路面结构及材料设计研究.pdf

摘要 半刚性材料基层沥青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式之一。随着 我国交通运输的快速发展，沥青路面早期破坏现象愈来愈严重，重载已成为影响 路面使用性能和缩短路面使用寿命的重要因素之一。为了减少路面的维修，改革 我国沥青路面的设计理念，提高路面的使用寿命是必然的趋势。在重载交通作用 下沥青路面如何实现长寿命是路面结构和材料研究的一种发展方向。 结构分析方面，本文在总结分析国内外研究成果的基础上，提出了我国重载 交通长寿命半刚性基层沥青路面的设计理念；通过对重载交通特性和荷载图式的 分析，提出适用于重载交通长寿命半刚性基层沥青路面的设计原则、路面材料技 术要求和基本结构组合型式；运用b i s a r 程序分析重载对沥青路面结构的影响， 并验算路面结构层厚度的合理性。 材料研究方面，本文采用沙庆林院士提出的s a c 矿料级配设计方法和两阶段 级配检验方法对沥青面层级配进行优化设计，并创新性的将其应用于半刚性基层， 提出了基层优化级配s c c 2 5 和s c c - 2 0 ：对硬质沥青a 3 0 、石油沥青a 一7 0 和s b s 改性沥青混合料的路用性能进行全方位的比较，为硬质沥青和骨架密实型级配的 推广应用提供试验依据。 研究发现，基于我国现阶段国情，半刚性材料基层沥青路面仍是研究重点。 试验路的施工和检测综合评价表明，基层优化级配是可行的，采用骨架密实型粗 集料断级配和硬质沥青a 3 0 ，是解决目前沥青面层早期破坏的两种有效途径。 关键词：重载交通；长寿命沥青路面；b i s a r ；级配设计及检验；硬质沥青；高 温稳定性；低温抗裂性 a bs t r a c t s e m i - r i 9 1 dm a t e r i a l sa s p h a l tp a v e m e n ti so n eo ft h em a i ns t r u c t u r ef o 册o f o u r c o u n t r y a st h er a p i dd e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，t h ee a d yd a m a g ei na s p h a l t p a v e m e n tb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，t h eh e a v yl o a dh a sb e c o m e o n eo ft h e l m p o r t a n tf a c t o r si na f f e c t i n gr o a dp e r f o r m a n c ea n ds h o r t e n t h eu s e f u ll i f eo ft h e p a v e m e n t i l lo r d e rt 0r e d u c er o a dm a i n t e n a n c e ，t or e f o r m o u rc o u n t r y - sa s p h a l t p a v e m e n td e s i g nc o n c e p t s ，a n dt oi n c r e a s e t h el i f e e x p e c t a n c yo ft h er o a di sa n l n e v l t a b l et r e n d h o w t oa c h i e v e p e r p e t u a lp a v e m e n t su n d e rt h eh e a v yl o a d t r a n s p o r t a t i o ni st h ed i r e c t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r e sa n d m a t e r i a l ss t u d v 1 ns t n l c t i l r a la n a 】y s i s ，t h i sp a p e r o nt h eb a s i so fa n a l y z e dr e s e a r c hr e s u l t sa th o m e a n da b r o a d ，p r o p o s e dt h ed e s i g nc o n c e p to ft h e h e a v yl o a dt r a n s p o n a t i o np e r p e t u a l s e m i - r i 9 1 da s p h a l tp a v e m e n t ；t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a v v 1 0 a d t r a n s p o r t a t l o na n dt h el o a d s c h e m a ，p r o p o s i n gt h ed e s i g np r i n c i p l e s ，t h em a t e r i a l t e c n n l c a lr e q u i r e m e n t sa n dp a v e m e n ts t r u c t u r ec o m b i n a t i o n a p p l i e st 0t h eh e a v vl o a d t r a n s p o r t a t l o np e r p e t u a l s e m i - r i g i da s p h a l tp a v e m e n t ； a n a l y z i n gt h ea f f e c t i o nt o a s p h a l tp a v e m e n to ft h eh e a v yl o a db yu s i n gb i s a r p r o c e d u r e s ，a n dc h e c k i n gm e r e a s o n a b l eo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r et h i c k n e s s j nm a t e n a lr e s e a r c h w e p r o p o s et oc a r r yo nt h e o p t i m i z e dd e s i g nt oa s p h a l t p a v 锄e n tb yu s i n gt h es acm a t e r i a l d e s i g nm e t h o da n dt w o - s t a g e t e s t ,w h i c h p r o p o s e d b ya c a d e m i c i a ns h aq i n g l i n ，a n di n n o v a t i o n a p p l i e dt os e i l l i 蜉d b a s e 。 m u s p r o p o s e d o p t i m i z a t i o nm i xr a t i os c c - 2 5a n d s c c - 2 0 ； c a r r i n g0 nt h e c 0 1 1 l p r e h e n s l v er o a dp e r f b n n a n c ec o n t r a s tt e s tt ot h r e ek i n d so f a s p h a i tm i x t u r e 似7 0 、 a 一3 0 、船o d i f i e da s p h a l t ) ，t op r o v i d ee x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h e 印p l i c a t i o no f t h e h i g hv i s c o s i t yb a s ea s p h a l ta n ds k e l e t o n i sd e n s e g a p g r a d e d s t u d yf o u n dt h a t - b a s e do nt h es i t u a t i o no fo u r c o u n t r y ，s 谢- d g i dm a t c r i a la s p h a l t p a v e m e n ti ss t i l lt h er e s e a r c hf o c u s r o a dc o n s t r u c t i o na n d t e s t i n ge v a l u a t i o ns h o w s t n a tt h e 叩t l m i z a t i o nm i xr a t i oo fs e m i - r i g i db a s e i sf e a s i b l e ；a d o p t i n gm e s k e l e t o n i s d e n s eg a p g r a d e qa n dt h eh i g hv i s c o s i t y b a s ea s p h a l t a 3 0 ，a r et w oe f f e c t i v em e a n st o r e s o l v et h ec u r r e n te a r l yd a m a g e i na s p h a i tp a v e m e n t k e y w o r d s ：h e a v yl o a dt r a n s p 。r t a t i 。n ；p e r p e t u a lp a v e m e n t s ；b i s a r p r o c e d u r e s ；t h e d e s i g na n dt e s t 。fm i xr a t i 。；t h e h i g hv i s c o s i t yb a s ea s p h a i t ；t h eh i g h t e m p e r a t u r es t a b i l i t y ；t h ec r a c kr e s i s t a n c ea tl o w t e m p e r a t u r c 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 辄印胴 吼舯n 学位论文版权使用授权书 4 p 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 崎恫 别谧辄加刀尹 醐：舯厂月夕日 日期p 孵n 7 日 1 1 论文提出的背景 第一章绪论弟一早珀t 匕 随着我国公路交通事业的蓬勃发展，公路建设日新月异，特别是改革开放以 来，市场经济的不断深化、国民经济的飞速发展，国家对基础设施投入的力度增 大，使得我国交通事业又迈上了一个新台阶。随之而来的是交通量增大，车辆荷 载的重型化，车载重量的加大及汽车速度的提高，使交通运输呈现出“大流量、 重载和渠化交通”的特点。从而带来的负面效应是：载货汽车的超载日益严重， 引起实际累计标准轴载的巨增，直接导致路面出现严重的损坏。在我国道路里程 不断增加的同时，路面的早期破坏现象也越来越突出，许多地区出现了“当年修， 当年坏”的现象，其中一个主要原因就是重载车辆和超载车辆作用的结果1 1 l 。 我国现行设计方法是以标准荷载( b z z 1 0 0 ) 作为设计依据，加之路面材料 的非线性性质，将其应用于重载路面设计，从工程结构安全上而言是不能容许的。 而我国公路沥青路面设计规范( j 粥d 5 0 2 0 0 6 ) 明确规定，轴载换算公式仅 适用于轴重1 3 吨以下。在重载作用下，轴重一般远远大于1 3 吨，使工程设计存 在盲目性，这成为导致许多路面早期破坏的主要原因。虽然近几年改性沥青、改 性沥青s m a 、改性沥青s u p e r p a v e 用量大幅度增加，但沥青面层的严重水破坏和 严重辙槽仍然很普遍，并没有明显减少【2 j 。 尽管我国高等级沥青路面的研究与修筑已经近二十年，但从本质上来看，现 行的理论、方法、参数都是建立在传统的路面设计基础上的，对当前重载交通高 等级沥青路面的设计与施工指导具有较大的局限性1 3 j 。为了减少路面的维修，发 挥道路的社会经济效益，改革我国沥青路面的设计理念，提高路面的使用寿命是 必然的趋势，研究在重载交通作用下沥青路面如何实现长寿命是路面结构和材料 研究的一种发展方向。 1 2 论文研究的目的及意义 我国高速公路半刚性基层沥青路面的早期破坏有多种形式，它们是由多种原 因引起的。例如：软土地基沉降、桥头跳车、结构性破坏、严重水破坏、严重车 辙、t o p d o w n 表面开裂等。其中对沥青路面使用性能和使用寿命影响最大的结构 性破坏、水破坏、车辙和t o p d o w n 表面开裂1 4 j 。 通过近些年我国高速公路大规模建设中出现的问题，相当一部分道路工作者 认为增厚沥青面层是一种比较有效的防治早期破坏的方法，但规范的思路仍未跳 出传统设计思路，而国外的全厚式沥青路面是否能直接用于设计也未有定论。而 且，就目前我国整体的经济、技术和资源条件，大范围推广厚沥青面层结构不符 合我国现阶段的国情。因此，我国当前路面结构设计中，设计与管理人员都陷入 了普遍的迷茫，到底采用何种路面结构才是既经济又行之有效的1 5 j 。 本文结合交通部西部交通科技建设项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术 研究”( 后文均简称“西部重载长寿命项目”) ，针对项目依托工程一湖南省醴陵至 湘潭高速公路试验路( 后文均简称“醴潭试验路”) ，从半刚性材料基层沥青路面 结构和材料两个角度入手，对“西部重载长寿命项目”在理论上和实践中的可行性 进行研究论证，提出能适应重载交通的长寿命优性能半刚性基层沥青混凝土路面 的设计和施工方法，旨在解决我国沥青路面过早的早期破坏现象。本文预期研究 成果将从一定程度上解决目前我国高速公路重载交通半刚性基层沥青路面普遍 存在的早期损坏问题，尤其是早期结构性破坏、严重车辙和水破坏，以延长路面 使用寿命到3 0 5 0 年。对目前重载交通高速公路的半刚性路面工程建设和养护将 具有重大的经济效益和社会意义，同时对低等级公路沥青路面、城市道路沥青路 面和机场跑道沥青路面的建设与养护也具有指导和参考价值，因此，研究成果将 具有广泛的应用领域与推广应用前景。 1 3 国内外研究状况综述及分析 综合近年来国内外研究状况，对长寿命沥青路面的研究主要涵盖以下几个方 面【6 】： ( 1 ) 长寿命沥青路面设计理念； ( 2 ) 长寿命沥青路面结构组合； ( 3 ) 基于力学的长寿命沥青路面结构设计方法； ( 4 ) 长寿命沥青路面结构及材料设计指标； ( 5 ) 长寿命沥青路面施工工艺； 1 3 1 长寿命沥青路面设计理念 国外传统的设计认为在车载重复作用下，不管面层多厚，路面将不可避免的 出现疲劳开裂和结构性车辙【。但英国n u n n 等人在1 9 9 7 年发现，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；当累计标准轴载作用次数( e 跗l ) 超过8 0 0 0 万 次时，沥青面层厚度不再需要增加；在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平， 当层底应变处于这个水平以下时疲劳损坏就不会发生1 8 ，叭。 国外长寿命沥青路面设计理念就是设计面层较厚的路面结构，控制住面层底 部拉应力水平，从而使路面使用年限大为提高，一般定为5 0 年。在设计使用年限 2 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铣刨，并加铺等 厚度的新拌混合料。因此，国外的长寿命沥青路面是以较大的初始投资来换取路 面相当长时期的优良使用性能。 有别于国外的长寿命沥青路面，根据我国现阶段国情，“西部重载长寿命项目” 提出了重载交通长寿命半刚性基层沥青路面，所谓的长寿命是指在开放交通4 0 年期间路面不产生大量结构性破坏、严重的水破坏和车辙，不需要进行开膛破肚 的大修，只需要对沥青面层进行日常养护和中修，以保持沥青面层优良的性能， 如优良的平整度、抗滑性能、抗高温永久形变能力和不透水性1 4 j 。 根据“西部重载长寿命项目”阶段成果，可以采用封闭中央分隔带、设置沥青 隔断层、增厚增强半刚性基层强度、采用骨架密实型级配、中下面层使用硬质沥 青彳3 0 及加强层间粘结等工程技术措施解决我国目前高速公路普遍存在的早期 破坏现象。 因此，我国的长寿命半刚性基层沥青路面设计理念就是源自工程实践经验， 服务于工程实践。 1 3 2 长寿命沥青路面结构组合 n u n n 等人研究认为，薄沥青路面容易产生结构变形和完全贯穿沥青层的表面 裂缝。因此，即便是在轻交通路面上，长寿命路面的沥青层厚度也不宜太小，一 般应大于1 8 0 m m 【9 , 2 6 】。 早在2 0 世纪6 0 年代，北美地区已经开始修建全厚式和加厚式沥青路面结构。 近年来在材料选择、混合料设计、性能测试和路面结构设计等方面所做出的努力， 可以使道路管理部门通过周期性地更换沥青面层来获得沥青路面结构更长的服务 性能( 超过5 0 年) ，这就是所谓永久性路面的概念。这项技术的核心是按功能合 理设置路面结构层：要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力， 中间层具有良好的耐久性，基层要具有抗疲劳和耐久的能力( 如图1 - 1 ) 。 爪1 高1 0 0 受- - 力1 5 区0m 域m 、 高质量沥青 混凝。t 或o g f c 衢鼹 ，l 、 j k 沥青混鬟t 甲州履 1 最犬拽应_ 蹙 亳差婪幽m 队基层 矗_ _ ，p 沥青混疑土 一。 鼹瞳麓础 图1 - 1 永久性路面设计概念 3 美国联邦沥青技术中心( n c a t ) 自2 0 0 2 年起颁布长寿命沥青路面奖，要求 获奖路段都正常使用超过3 5 年而无结构性损坏，并且每次需表面罩面修复的间隔 大于1 2 年1 1 0 1 。 以爱荷华州，8 0 两路段为例，自1 9 6 4 年铺筑以来，未出现结构性破坏和修复， 以此获得2 0 0 2 年长寿命沥青路面奖，该公路路面结构及使用状况见表1 1 【1 。 表1 - 1爱荷华州，一8 0 两路段路面结构及使用状况 路段 123 铺筑时间 1 9 6 21 9 6 41 9 6 2 5 c m 表面层5 c m 表面层 4 c m 表面层 7 5 c m 中间层 7 5 c m 中间层 结构层 7 5 c m 中间层 3 5 5 c m a t b 基层 3 5 5 c m a t b 基层 4 0 5 c m a t b 基层 1 5 c m 级配碎石1 5 c m 级配碎石 一般好很好 2 0 0 0 年路况 p c c - - 3 3p c c = 6 4p c c - - 7 2 i r i = 2 1i r i _ - 1 0i r i = 1 0 1 9 7 6 年加铺7 5 e r a 1 9 8 4 年铣刨5 c m1 9 9 1 年铣刨3 5 c m 维修历史1 9 9 0 年铣刨3 5 c m 后加铺7 5 c m后加铺1 0 c m 后加铺1 0 c m 沥青层目前厚度 5 0 5 c m5 4 5 c m6 6 c m 对于美国长寿命沥青路面结构，分析认为，此类沥青路面结构路用性能较好， 主要破坏形式仅限于表面开裂，仅需进行周期性的罩面，以较大的初始投资来换 取路面相当长时期的优良使用性能，具有显著的社会经济效益。 根据我国现阶段国情，“西部重载长寿命项目”提出半刚性基层沥青路面与混 合式基层沥青路面是研究重点，主要指导思想是“强基优面”，要达到长寿命路面 的设计要求主要应提高路面结构的承载能力、抗疲劳性能、抗永久变形性能、耐 久性能以及优良的使用性能。 河南许尉高速公路就提出了“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，其结构组合见表1 2 【1 2 】。 表1 - 2 河南许尉高速公路长寿命沥青路面结构组合 材料厚度( c m ) 改性沥青混凝土面层 4 c m 高性能沥青混凝土应力吸收层 2 c m 水泥混凝土面层 2 8 c m 防水粘结层 1 5 c m 4 材料厚度( c m ) 二灰碎石基层1 8 c m 石灰土或固化剂处理路床 2 0 c m 冲击压实处理路床( 影响深度8 0 c m ) 1 3 3 基于力学的长寿命沥青路面结构设计方法 随着交通量和轴载的增加，沥青路面的诸多设计方法的局限性也愈加明显， 针对与解决此类问题诞生了基于力学的长寿命路面结构设计方法。m o n i s m i t h 和 l o n 9 1 9 9 2 年在t r b 会议上提出了运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的 响应。建议控制沥青层底的弯拉应变= 6 0 r e ，基层顶面压应变= 2 0 0 z e 1 3 - 1 8 j 。 伊利诺斯州的基于力学的路面结构设计方法由伊利诺斯大学制定。这一方法 以儿，p a v e 程序的有限元分析结果为基础，采用了一个控制应变的疲劳方程， 这个方程可以用来控制h m a 层的配合比、拉应力和路用性能。这种设计方法已 经被伊利诺斯州交通运输部( i d o t ) 所采纳【1 9 2 1 1 。 明尼苏达州以层状弹性理论计算机程序w e s l e a 计算路面结构在荷载下的响 应，并从该州实体工程中获得了材料性质参数，建立了一种力学设计方法【2 2 宁 英国提出了以计算结构层中临界位置的响应为理论基础。 美国h a r o l d l v o nq u i t u s 提出了一套长寿命沥青路面的设计方法【2 3 1 。 运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。分析认为，此类设计方 法实质上与我国采用的传统力学经验法并无明显区别。 1 3 4 长寿命沥青路面结构设计指标 ( 1 ) 设计使用年限 路面设计寿命一般超过3 0 年，各国长寿命沥青路面设计年限见表1 3 1 2 4 1 。 表1 3 各国长寿命沥青路面设计年限 单位西费吉尼亚堪萨斯州俄亥俄州华盛顿威斯康星州 年限 4 0 3 0 3 5 4 0 5 0 单位伊利诺斯州夏威夷州俄勒冈州加利福尼亚州澳人利亚 年限4 03 0 - 5 03 0 - 3 53 52 0 4 0 单位德国英国法国南非日本 年限3 0 - 4 04 03 0 - 4 02 0 - 4 0 2 0 - 4 0 ( 2 ) 结构设计指标 根据加州的结构设计指标，单轴载为8 0 k n 时沥青混合料面层的弯拉应变应小 于7 0 s ；路基顶面垂直应变应小于2 0 0 z e1 2 4 】。伊利诺斯州的结构设计要求沥青 混合料基层的弯拉应变应小于6 0 r e1 6 j ；加州研究认为需观测表面层的剪切应变， 5 以确保路面不发生车辙，但未提出指标。 “西部重载长寿命项目”研究认为，应增加抗剪指标以控制表面层局部损坏过 早发生【4 1 。 ( 3 ) 材料设计指标 长寿命沥青路面设计中，表面磨耗层要求采用高性能沥青混合料，沥青p g 等级的高温部分应比所在地常用沥青高一个等级，低温部分应具有9 5 - 9 9 的可 靠度，可采用聚合物改性沥青，同时须进行各项性能试验来评价其性能。 h m a 中间层沥青应与表面层具有相同高温等级，低温等级可以低一级，例如 表面层用的沥青等级为p g 7 0 2 8 ，则中间层可用p g 7 0 2 2 ，按最佳沥青用量拌和 混合料，并须进行车辙、水敏感性评级。 h m a 基层应具有与中间层相同的低温等级，沥青用量可比最佳沥青用量大 0 5 ，如基层在施工期间开放交通则须进行材料的车辙性能评价1 2 7 j 。 “西部重载长寿命项目”研究认为，采用骨架密实型粗集料断级配和硬质沥青 似3 0 ) 可明显提高沥青混合料的高温性能和抗剪切性能，是解决目前沥青面层车 辙损坏的两种有效途径，其综合应用，尤其是硬质沥青的应用，对夏季炎热、重 轴载道路和长大纵坡路段具有较好的社会经济效益和广泛的推广应用前景。 1 3 5 长寿命沥青路面施工工艺 根据伊利诺斯州总结的经验认为【2 卯，结构层厚度一般为集料最大公称粒径的 3 - - - 6 倍，以便混合料的压实；控制拌和厂灰尘；沥青混合料各层之间洒布改性沥 青；铺筑混合料前进行二次拌和；进行现场压实度测试以保证混合料的均匀性， 并要求中间层压实度为9 3 ，并对纵向连接处进行压实度检测等。 马里兰州要求表面层的现场孑l 隙率应控制在6 以下。 根据同济大学对沥青混合料均匀性的最新研究，可以采用图像识别技术对沥 青混合料的均匀性进行科学快捷评价1 3 j 。 “西部重载长寿命项目”研究认为，应从原材料控制及施工质量控制等方面对 施工质量进行严格把关。 为实现路面的长寿命，许尉高速公路对各结构层提出了多种工程技术措施， 主要包括：采用冲压处理路基，采用土壤固化剂稳定路基土，在二灰稳定碎石基 层中掺加硫酸钠早强剂，在水泥混凝土板底部设置1 5 c m 的防水连接层，采用高 抗折水泥混凝土，设置高品质的应力吸收层。 通过对国内外研究状况的综合分析，我们不难发现，全厚式沥青路面建设费 用高，短期内在我国推广不现实。如何研究设计适合我国经济技术条件、自然条 件、资源条件的长寿命沥青路面是当前要解决的首要问题。根据我国现阶段国情， 半刚性基层沥青路面与混合式基层沥青路面是研究重点，要达到长寿命路面的设 6 计要求主要应提高路面结构的抗疲劳性能、抗永久变形性能、耐久性能，提出合 理的工程技术措施、优化施工工艺，并加强施工质量监控。 1 4 本文主要研究内容及技术路线 随着我国公路事业的飞速发展，越来越多的高速公路出现严重的早期破坏现 象，针对这些早期破坏，为实现高速公路沥青路面长寿命，研究如何进行路面结 构设计、采用何种工程技术措施和施工工艺、研发各种道路新材料具有非常重要 意义。 本文在总结分析国内外研究成果的基础上，按现行公路沥青路面设计规范 ( j 弼d 5 0 2 0 0 6 ) ，以“西部重载长寿命项目”依托工程一“醴潭试验路”为主要研究 对象，主要研究内容为： ( 1 ) 提出我国重载交通长寿命半刚性基层沥青路面的设计理念。通过对重载交 通调查分析和荷载图式的分析，在此基础上，提出适用于重载交通长寿命半刚性 基层沥青路面的设计原则、路面材料技术要求和基本结构组合型式。运用b i s a r 程序分析重载和超载对沥青路面结构的影响，并验算路面结构层厚度的合理性。 ( 2 ) 本文采用沙院士提出的s a c 矿料级配设计方法和两阶段级配检验方法对 沥青面层级配进行优化设计：并创新性的将级配设计及检验方法应用于水泥稳定 碎石基层，研究采用蜡封法测定水泥稳定碎石的毛体积密度和最大理论密度，检 验其孔隙率圪是否满足设计要求。 ( 3 ) 本文针对“醴潭试验路”的半刚性材料基层和沥青混凝土面层展开室内试 验研究。旨在从根本上减少当前半刚性基层沥青路面存在的严重早期破坏现象。 半刚性材料基层和沥青混凝土面层均采用s a c 系列级配，通过沙庆林院士提 出的级配设计和两阶段级配检验方法，调整半刚性材料基层和沥青混凝土面层级 配使其能形成骨架密实型结构。 适当增加水泥用量提高基层强度，同时减小其承载能力的变异性以保持路面 承载能力稳定性，使其在3 0 - 5 0 年的使用年限内不产生严重的结构性破坏，为高 强度半刚性材料基层的推广应用提供试验依据。 沥青面层采用硬质沥青彳3 0 、石油沥青彳7 0 和s b s 改性沥青，通过试验比 较其高温抗车辙能力、高温抗剪性能、低温抗裂性能、水稳性能及力学性能，为 硬质沥青和骨架密实型级配的推广应用提供试验依据。 ( 4 ) 试验路施工过程中对其施工质量进行严格控制，施工结束后对其质量进行 检测和综合评价，并在使用年限内，对试验路进行跟踪观测。 7 第二章重载交通长寿命沥青路面结构组合分析 路面结构组合设计是路面结构设计的主要内容之一，也是重载交通长寿命半 刚性基层沥青路面结构设计研究的基础和关键。 路面结构组合设计的目的是使路面结构在设计使用年限内能承受重载及各种 自然因素的作用，而不发生结构性破坏和其它早期破坏现象，做到技术上可行、 经济上合理。 本章着重对长寿命半刚性基层沥青路面结构组合设计进行研究。提出我国重 载交通长寿命半刚性基层沥青路面的设计理念。通过重载交通调查分析和荷载图 式分析。在此基础上，提出适用于重载交通的长寿命半刚性基层沥青路面设计原 则、路面材料技术要求和基本结构组合型式。最后，运用b i s a r 程序分析重载和 超载对沥青路面结构的影响，并验算路面结构层厚度的合理性。 2 1 重载交通长寿命沥青路面设计理念 我国路面结构设计理念大致分为两类，厚半刚性基层思想和厚沥青面层思 想。前者在保持现有沥青面层厚度的基础上，优化其使用性能，并增厚增强半刚 性基层厚度，进一步提高路面结构承载能力，即“强基优面”；后者则是增大沥青 面层厚度，基层仍然采用半刚性材料或级配碎石1 5 j 。 我国的长寿命沥青路面研究还处于起步阶段，通过近些年我国高速公路大规 模建设中出现的问题，道路工作者认为增厚沥青面层是一种比较有效的防止早期 破坏的方法，但由于资源的紧缺造成投资的大幅增加，且现行规范的思路仍未跳 出传统设计思路，而国外的全厚式沥青路面是否能直接用于我国的路面设计也未 有定论。 在我国，虽然某些较发达地区，比如江苏浙江等省份，厚沥青面层思想已深 入人心，不少高速公路沥青路面均采用厚沥青面层结构。但就我国目前的整体经 济情况而言，大范围推广厚沥青面层结构不符合我国的国情。在我国现有的经济 技术条件、自然条件、资源条件下，半刚性基层沥青路面与混合式基层沥青路面 是研究重点。 目前，国内长寿命沥青路面主要还是针对半刚性基层沥青路面展开研究，结 构类型多样化，湖南醴潭高速采用厚半刚性基层沥青路面结构，广深高速公路和 江苏沿江高速采用厚沥青面层路面，河南许尉高速、湖南长潭高速改造、开封至 郑州高速公路、厦门环岛高速公路、合肥至全椒高速公路采用水泥混凝土复合式 沥青路面，有些地区还采用连续配筋复合式沥青路面等等。 8 基于国内外研究状况和我国国情，本文提出我国重载交通长寿命半刚性基层 沥青路面定义如下：新建道路沥青路面自运营后，在设计使用年限3 0 - - 5 0 年内无 需进行结构性维修，路面无明显的早期破坏现象发生，仅需进行同常养护和周期 性的罩面以保持良好的行驶质量水平。 研究认为，长寿命沥青路面是一种设计理念，长寿命沥青路面绝不仅仅是增 加沥青面层的厚度，实现长寿命不单是路面研究范畴，是需要综合考虑地区气候 差异、路面设计、材料特性、施工工艺、养护技术及项目管理的系统工程【5 j 。 我国高速公路沥青路面的早期破坏有多种形式，其中对沥青路面使用性能和 使用寿命影响最大的是在疲劳荷载作用下产生的结构性破坏、水破坏、车辙和 t o p d o w n 开裂。国外沥青路面同样存在早期破坏现象，只是由于气候条件和交通 条件的差异，破坏的数量和严重程度有所不同。本文认为无论采用何种类型结构、 何种工程技术措施和施工工艺，目的都是通过减少路面早期破坏现象以实现路面 低维修和长寿命，我国的长寿命半刚性基层沥青路面设计理念就是源于此。 2 2 重载交通的调查分析 本文调查了原上瑞3 2 0 国道在湘境内的一段一莲易公路，并收集了多条重载 交通公路的交通资料，对其交通特性进行分析。醴陵地区地处湘东，项目依托工 程醴潭高速公路( 原g 3 2 0 国道莲易段的复线) ，是湘赣边界的交通要道，交通流 量大，重载车辆多，超载现象严重，属于典型的重载交通地区。另外调查了河南 境内晋煤外运通道郑州一常平公路，其超载现象相当严重。 2 2 1g 3 2 0 国道莲易公路重载调查分析 项目依托工程一醴潭高速为新建高速公路，是沪昆高速公路一段，尚无交通 量资料，故对原上瑞3 2 0 国道在湘境内的一段莲易公路目前的交通状况进行了2 4 小时的连续观察。现场交通量调查的地点选在莲易公路红旗收费站。实际调查到 的交通量为：n = 5 9 6 8 辆日( 双向交通量) 。其中：往株洲方向为：3 0 0 4 辆日， 往醴陵方向为：2 9 6 4 辆日。调查结果见表2 1 。 表2 1莲易公路交通量调查汇总表 小中型大小型中型大型大型双中型货大型货 车 汽 客车型货车货车货车后轴货 车加挂 车加挂 型 满空满 空 满 空 满空满 空满 空 左7 0 32 8 21 5 92 48 82 32 7 l7 65 38 772 71 02 36 右6 8 03 0 21 7 81 81 04 31 1 67 94 81 032 53 2 4 1 厶 1 3 85 8 43 3 74 31 86 73 8 71 51 01 91 05 21 34 77口 9 采用轮重仪来进行轴重调查，主要对象是大、中型货车。共测定了1 6 9 辆车 的轴重。实测车辆的轴重情移己见表2 2 。 表2 2 莲易公路调查车辆轴重比例表 1 0 0 1 2 0 - 轴重( k n ) 2 0 4 04 0 - 6 06 0 - 8 08 0 - 1 0 0 1 3 0 总数 备注 1 2 01 3 0 通过数 61 91 61 12 31 38 41 7 1 所r l i 百分率( ) 3 5 11 1 1 19 3 66 4 31 3 4 57 6 04 9 1 21 0 0 注：1 本表在统计过程中，仅对买测的轴重进行分析： 2 在统计的过程中，通过数中包括轴重的上限； 3 总教是实测的轴数。 从调查情况来看，载货汽车普遍存在超载现象，货运汽车普遍超载5 0 1 0 0 左右，最大可达2 0 0 以上，而攸县到株洲的运煤车超载情况更为严重，一般超 载率在2 0 0 ，甚至达到4 0 0 。 2 2 2 郑州一常平路轴载测试与分析 郑州一常平路超载现象相当严重，年平均日交通量高达8 0 0 0 、- 1 0 0 0 0 辆， 1 9 9 2 1 9 9 4 年年平均增长率高达2 0 2 ，其单轴、双轴重及所占比例见图2 2 1 3 。 图2 - 2 郑平路轴重分布图 综上所述，我国道路的实际轴载整体超过1 0 t 轴载标准。尽管这一现象已引起 各方面的高度关注，但构建一个有效维护轴重标准的体系不是一蹴而就的。务实 的做法是，接受轴重和轮路作用模式变化的事实，同时兼及即将推开的轴载管理， 来进行重载交通路面的研究和设计1 3 。 2 3 重载荷载图式分析 我国现行沥青路面设计规范中以设计车道通过标准轴载b z z 1 0 0 的常规倚载 的标准图式，即双轮双圆，接地半径为1 0 6 5 c m ，圆心距等于3 倍接地半径，轮 胎的接地压力等于0 7 m p a 。该图式以设计车道通过标准轴载b z z 1 0 0 的常规荷载 的同作用次数为基础，适用于单轴轴载小于1 3 0k n ，双轮组双轴轴载小于3 2 0 k n 1 0 蕊，舞缸 。罾掣卜氲一曲 二煎l!l一；熏 p，；，j_d，k，x l ，i 冲的 粘轮黝 潞。 未m， 。蕾雕蛾。翻副翟 。，酉西一 ，黯骚搿盈一 的一般车辆荷载。由重载车辆的作用特点可知， 车辆对路面的作用【3 n 。 k 罔式 鲰 箭o 7 ￥l p a l 阁式 该计算荷载图式不可以代表超重 i 图式 援比利时式褥p m 图武 n 尹0 7 y l p a 图2 - 3 计算荷载图式 如图2 3 【3 2 1 ，图式k 、，、m 不同程度反映了超载时路面的受力情况。其 中图式，最接近于重载车辆行驶时路面受力的实际情况；图示l 和m 则反映了两 种极端情况一气压与轴重等比例增加以维持接地面积不变，接地压力不变，轮胎 随轴重增加而塌落；图示，、l 、m 涵盖了重载车的所有使用范围；k 图式是当前 路面设计规范中所使用的标准荷载图式，但实际上是不存在的，分析时起到对照 和验证作用。由于非中心对称荷载力学计算的复杂性，布载仍采用了当量圆方法。 以下为四种图式及其说明。 ( 1 ) k 图式：双轮双圆，圆中心距等于3 倍接地半径，6 = 4 e 孑e 2 ，接地压 力为0 7 m p a ( 现行规范所规定的标准荷载图式) 。 ( 2 ) i 图式：轮压和接地面积均随轴载的增加而增加，圆中心距保持不变。 ( 3 ) l 图式：接地半径与圆中心距保持不变，轮压随轴重等比例增减。 ( 4 ) m 图式：轮压与圆中心距保持不变，接地半径随轴重增加而增加。 其中，图式最符合超重载车辆的实际情况，因为承担越重货物运输的车，统 计上越有采用高强高压轮胎的趋势。但由于国内缺乏这方面的调查资料，我们引 入了比利时方法中的轮载与轮压、轮胎接地面积关系的经验公式。 比利时方法中，所采用的标准轴载为8 0 k n ，即标准轮载为2 0k n ，但他们考 虑了轮载的接地面积随轮胎性质和路面状况而异。高压胎与路面接触面积小，能 承担较大的荷载；低压胎与路面接触面积大，故牵引力大，而且还受路面状况和 冲击力的影响，所以该方法不像其他设计方法那样假定轮载增大而轮压基本不变， 而是根据路上的实际调查得出以下统计公式【3 2 j ： 对主要道路：a = ( o 0 0 8 p + 1 5 2 ) - - - - 7 0对次要道路：a = ( 0 0 0 9 p + 1 3 2 ) 9 0 式中：彳一轮胎接地面积( c m 2 ) ；p 一每一个轮胎的荷载( n ) ；7 0 和9 0 为保证率 达至1 j 9 5 的离差范围。 在此公式的基础上，再假定轮载尸均匀分布在该接触面积的圆面积上， 径为d ，并求得接地压力p ： p = e a = p | 兀铲 根据我国道路的实际情况，采用如下形式： a = 0 0 0 8 p + 1 5 2 相关参数计算结果见下表2 - 4 ： 表2 4 相关参数计算表 圆半 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 行车荷载轮胎接地面积当量圆半径轮胎接地压力两轮中心距 p ( k n )a ( c m 2 )d ( c m )p ( m p a )3 d ( c m ) 1 0 03 5 2 01 0 5 90 7 13 1 7 6 1 2 54 0 2 01 1 3 10 7 83 3 9 4 1 5 04 5 2 01 1 9 90 8 33 5 9 8 1 7 55 0 2 01 2 6 40 8 73 7 9 2 2 0 05 5 2 01 3 2 60 9 13 9 7 7 3 0 07 5 2 01 5 4 7 1 0 0 4 6 4 1 4 0 09 5 2 01 7 4 11 0 55 2 2 2 综上所述，采用图示，和式2 2 比较适合我国道路交通的具体情况，反映了 随着轴重增加，轮压和轮胎接地面积变化的正确规律，即轮压和接地面积均随轴 载的增及而增加，圆中心距保持不变的变化规律。因此，本文对重载交通长寿命 半刚性基层沥青路面结构设计时采用图示，作为研究的力学图式。 2 4 路面结构组合设计原则 国内外的长寿命沥青路面主要结构设计原则有三个方面：基于抗疲劳、基于 抗车辙和基于路面耐久性能。 2 4 1 基于抗疲劳的路面结构组合设计原则 荷载不变，路面厚度增加其路面顶部压应变、底部拉应变绝对值均减小，另 外，当底部疲劳拉应变小到一定程度则可以认为其疲劳寿命是无限的( 即疲劳作 用次数是无限大) ，所以可以为路面结构设计一个适当的厚度，使底部的拉应变减 小，即可保证基层底部不发生疲劳破坏1 3 j( 如图2 4 ) 。 图2 4 中，上图表明沥青层路面产生高拉应变，高拉应变导致较低的疲劳寿命； 下图表明厚沥青层路面产生低拉应变，当该拉应变小于疲劳极限应变时，疲劳破 坏不再发生。使用足够厚的沥青层将防止疲劳开裂的发生。 对于抗疲劳开裂的沥青底面层材料，增加沥青含量有助于改善混合料柔性。 这种高沥青含量的基层已经应用于美国的加利弗尼亚州和伊利诺斯州1 6 1 ，如图2 5 1 2 所示。采用改性沥青也可以提高混合料抵抗变形和抗疲劳能力。 高沥青含量混合料有助于抵抗更高所弯拉应变，从而获得更长的疲劳寿命。 研究发现，压实情况较好的沥青混合料面层能显著提高劲度，从而可以减小拉应 变；通过增大压实度来提高劲度，也可以减小混合料的脆性，在给定拉应变水平 下增加其疲劳寿命。因此，对于抗疲劳层，仅仅增大沥青含量不一定能提高结构 抗疲劳性能，增大沥青含量会导致混合料劲度降低。当然为了使沥青混合料容易 压实到3 孔隙率以下，国外经验认为在最佳用量基础上增大o 5 沥青含量可以 有助于抗疲劳层压实到3 的低孔隙率【2 8j 。 2 4 2 基于抗车辙的路面结构组合设计原则 a a s h t o 的研究发现：无论沥青层厚度多厚，在沥青层表面2 5 c m 范围内其车 辙变形很小。分析认为这种现象的原因在于，靠近沥青层表面处由于轮载产生的 水平约束应力与竖向应力( 轮胎或接地应力) 相当。在靠近表面受三向应力形成 一种零剪应力状态，因此难以观察到剪切应变1 2 9 , 3 0 j 。 与表面2 5 c m 的沥青层相比，该层下面的亚层在5 l o c m 范围内达到最大值。 这表明沥青