（道路与铁道工程专业论文）级配碎石层格室加劲技术研究及其效果评价.pdf

摘要 摘要 面对半刚性基层沥青路面不可避免的致命缺点和越来越多的道路损坏，由 于传统设计思路的束缚，柔性基层在我国的高等级公路设计中一直没有得到足 够的重视和大胆的应用。根据实际情况，大胆采用级配碎石基层，并从各个环 节进行完善和改进，也许是我们延长重交通荷载下沥青路面使用寿命的发展方 向。 首先，对土工格室加固级配碎石基层进行了研究，分析了土工格室对级配 碎石的加劲机理，认为将土工格室加入到级配碎石基层当中，可以改善级配碎 石基层模量低、易松散的缺点，而且没有半刚性基层的缺点，使基层模量与面 层模量达到了更好的匹配。 接着，建立了有限元模型，将土工格室加固级配碎石为基层的路面结构的 应力、应变分布特性与其他常用路面结构进行了对比。分析表明，土工格室的 使用，有效地限制了级配碎石的侧向位移，提高了基层强度，使沥青层内的拉 应力、拉应变有所降低；虽然与普通柔性基层结构相比，土工格室加固级配碎 石基层结构的沥青面层最大剪应力稍有增大，但是仅出现于部分区域，总体上 最大剪应力的分布并无太大差异，也优于半刚性结构和倒装结构；同时，土工 格室加固级配碎石基层结构的沥青面层最大剪应力分布受层间接触状态的影响 较小，拉应力及拉应变受水平力影响较小，体现了级配碎石加土工格室基层结 构的独特优势。 随后，利用有限元模型，对不同温度、湿度、水平荷载、土工格室结构参 数等因素下的沥青路面结构力学响应分别进行了分析，并对施工车辆的力学影 响进行了探讨。分析表明，在高温状态下，无论是抗拉还是抗剪，土工格室加 固级配碎石基层的沥青路面结构都是非常理想的；湿度增加，会使面层拉应力、 拉应变变得不利，但对面层最大剪应力的影响不大；纵坡或是横坡导致的水平 分力，对路面结构内应力响应的影响较小，而在纵坡路段上车辆行驶时加速或 制动导致的水平力，以及在小半径弯道上车辆行驶时导致的横向水平力，都对 路面结构层内的各项应力指标影响极大，在路面设计时应该予以考虑；在路面 结构施工中，在条件可能的情况下，应尽量铺设施工便道，避免施工车辆行驶 摘要 于未完工的路面结构之上，同时严格控制施工期间运载车辆的超载行为，防止 损坏路面各结构层的使用性能；增加土工格室的密度、厚度、高度和模量，可 以有效减小沥青面层内的拉应力、拉应变，但是对沥青层内最大剪应力峰值和 路面整体结构强度影响不大。 最后，首次在国内高速公路工程建设中进行了实际应用，对其施工工艺、 加劲效果、经济评价等进行了分析研究。利用现场承载板检测，通过b i s a r 软 件反算出路面基层的单层模量，得出土工格室对于提高级配碎石基层模量效果 显著，单层回弹模量可以提高2 倍以上，当量回弹模量可以提高5 0 以上。通 过对土工格室加固级配碎石基层和其他类型基层的造价进行比较，认为土工格 室加固级配碎石基层从经济上是合理可行的。 关键词： 柔性基层，土工格室，级配碎石，加劲效果，回弹模量，力学响应， 环境因素，荷载影响，结构参数 a b s t r a c t f a c i n gt h ei n e v i t a b l ea n di n h e r e n td i s a d v a n t a g e so fs e m i r i g i db a s ec o u r s ea n d m o r ea n dm o r ed i s t r e s sa n dd e t e r i o r a t i o ni n a s p h a l tp a v e m e n t s ，b e c a u s eo ft h e c o n s t r a i n t so ft r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d sa n dp h i l o s o p h y , f l e x i b l eb a s ec o u r s e h a s n o ty e tb e e na t t a c h e de n o u g hi m p o r t a n c e ，n o rh a si t b e e ne x t e n s i v e l ya p p l i e di n e n g m e e r l n gp r a c t i c e s t h eg r a d e da g g r e g a t eb a s ec o u r s es h o u l dg e tm o r ec h a n c e st o b ea p p l i e di ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e s ，c o n t r o l l e d ，e n h a n c e da n di m p r o v e da td i f b r e n t s t a g e s ，s ot h a ti tc a nb eu s e da sa ne f f e c t i v em e t h o dt oe x t e n dt h es e r v i c el i f eo f a s p h a l tp a v e m e n tu n d e rh e a v yd u t yt r a f f i cl o a d s f i r s t l y , t h e n ，t h er e i n f o r c e m e n te f f o r t sa n dm e c h a n i s mo fg e o c e l lt o g r a d e d a g g r e g a t eb a s ea r ei n v e s t i g a t e da n d a n a l y z e di nd e t a i l i tw a sf o u n dt h a t 、v h e na d d i n 2 g e o c e l l i ng r a d e da g g r e g a t eb a s e ，t h ei n h e r e n t s h o r t c o m i n g so fg r a d e da g g r e g a t e b a s e , s u c ha sb e i n ge a s i l yu n b o n d e da n dl o w m o d u l u s ，c o u l db em i t i g a t e d a tt h e s a m et l m e ，t h ed i s a d v a n t a g e so fs e m i - r i g i db a s e a r ed i s p e l l e da n dt h em o d u l u so f b a s ec o u r s ec a nb ea p p r o p r i a t e l ym a t c h e dw i t ht h a to fs u r f a c e c o u r s e i nt h ef o l l o w i n gc h a p t e r ，t h e3 df e mm o d e li s e s t a b l i s h e dt oa n a l v z et h e s t r e s s s t r a i nr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ew i t hg r a d e da g g r e g a t eb a s ew i t h g e o c e l l i nc o m p a r i s o nw i t ho t h e rd i f f e r e n tt y p e so f a s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e i ti s s h o w nt h a tt h eu s a g eo fg e o c e l li ng r a d e da g g r e g a t eb a s ec a ng r e a t l yl i m i tt h es i d e d 1 5 p l a c e m e n to fa g g r e g a t ea n di m p r o v ei t s s t r e n g t h d e c r e a s i n gt h et e n s i l es t r e s sa n d s t m l ni na s p h a l ts u r f a c ec o u r s e a l t h o u g hc o m p a r e dw i t hn o r m a l a s p h a l tp a v e m e m s t r u c t u r ew i t h o u tg e o c e l li ng r a d e da g g r e g a t eb a s ec o u r s e ，t h es h e a rs t r e s si na s d h a l t l a y 盯w i l ls l i g h t l yi n c r e a s ei nc a s eo fh a v i n ga g g r e g a t eb a s ew i t hg e o c e l l ，b u ti to n l v n a p p e n e di nc e r t a i na r e a ，a n dt h ed i s t r i b u t i o na n di n t e n s i t yo fs h e a rs t r e s si na s p h a i t l a y 盯h a v en ob i gd i f f e r e n c e s a s p h a l t p a v e m e n t sw i t hf l e x i b l eb a s ec o u r s e w l t h w i t h o u tg e o c e l l ，h a v es u p e r i o rp e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t h a s p h a i tp a v e m e n t s w l t h8 e m i - r i g i db a s ec o u r s eo rw i t hi n v e r t e da g g r e g a t eb a s ec o u r s e a tt h es a m e t i m e 1 tw a sf o u n dt h a tt h es h e a rs t r e s s i na s p h a l tp a v e m e n tw i t hg e o c e l lw i l lb e1 e s s a b s t r a c t i n f l u e n c e db yc o n t a c tc o n d i t i o n sb e t w e e nl a y e r s ，a n dt h et e n s i l es t r e s sa n ds t r a i n i n t h i sp a v e m e n ta l s oh a v el c s si m p a c tf r o mh o r i z o n t a lt r a f f i cl o a d s a l lo ft h o s es h o w t h es p e c i a la d v a n t a g e so fa s p h a l tp a v e m e n tw i t hg r a d e da g g r e g a t eb a s ew i t hg e o c e l l t h e n ，t h e3 df e ma n a l y s i sm o d e li su s e dt oa n a l y z et h es t r e s s s t r a i nr e s p o n s e o fa s p h a l tp a v e m e n tu n d e rt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e ， h o r i z o n t a lt r a f f i cl o a d s ，a n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fg e o c e l l ，m o r e o v e lt h et r a f f i c l o a d sd u r i n gc o n s t r u c t i o na r ea l s oa n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a ti nt h eh i g ht e m p e r a t u r e s i t u a t i o n ，b o t ht h et e n s i l es t r e s s s t r a i na n ds h e a rs t r e s s ，t h ea s p h a l tp a v e m e n tw i t h g r a d e da g g r e g a t ew i t hg e o c e l la l w a y sh a v eb e t t e rr e s u l t s w h e nt h em o i s t u r e i n a s p h a l tp a v e m e n ti n c r e a s e s ，t h et e n s i l es t r e s s s t r a i nw i l l i n c r e a s e ，b u tt h es h e a rs t r e s s v a r i e sl i t t l e t h eh o r i z o n t a lt r a f f i cl o a d sc a u s e db yl o n g i t u d i n a ls l o p eo rt r a n s v e r s e s l o p eh a v ev e r yl i t t l ei n f l u e n c eo na s p h a l tp a v e m e n tm e c h a n i c a lr e s p o n s e b u tt h e h o r i z o n t a lf o r c ec a u s e db ys p e e do rb r e a ko ft r a f f i cl o a d so ns l o p e ，a n dt h e c e n t r i p e t a lf o r c ec a u s e db yt r a f f i cl o a d si ns h a r pc u r v e ，w i l lg r e a t l yi n f l u e n c et h e s t r e s s s t r a i ni na s p h a l tp a v e m e n ta n ds h o u l db ec o n s i d e r e di np a v e m e n td e s i g n p r o c e d u r e s d u r i n gc o n s t r u c t i o np h a s e ，t h ec o n s t r u c t i o nt r a f f i cs h o u l db ea v o i d e d o n u n f i n i s h e da s p h a l tp a v e m e n ta n dt h el o a d ss h o u l db es t r i c t l yc o n t r o l l e di no r d e rt o p r e v e n tt h ep e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n tf r o mi m p a i r m e n t i n c r e a s i n gt h e q u a n t i t y , t h i c k n e s s ，h e i g h t a n dm o d u l u so fg e o c e l lm a t e r i a l sc o u l de f f e c t i v e l y d e c r e a s et h et e n s i l es t r e s sa n dt e n s i l es t r a i ni na s p h a l tp a v e m e n t ，b u ti to n l yh a v e l i m i t e di m p a c to ns h e a rs t r e s sa n db e a r i n gc a p a b i l i t yo ft h ew h o l ep a v e m e n t a tl a s t ，t h ef i r s ta p p l i c a t i o no fg e o c e l lt og r a d e da g g r e g a t eb a s ei ne x p r e s s w a y p r a c t i c e s i no u rc o u n t r yi si n t r o d u c e d ，t h er e l a t e dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , r e i n f o r c e m e n te f f e c ta n de c o n o m i ca p p r a i s a lb e i n ga l s oi n c l u d e d a c c o r d i n gt o i n s i t eb e a r i n gb o a r dt e s ta n db a c k - a n a l y s i so fb i s a rp r o g r a m ，i tc a nb ec e a i f i e d t h a tt h er e s i l i e n tm o d u l u so fg r a d e da g g r e g a t eb a s ew i t hg e o c e l la r et w ot i m eg r e a t e r t h a nt h eg r a d e da g g r e g a t eb a s ew i t h o u tg e o c e l l ，a n dt h es u r f a c ee q u i v a l e n tm o d u l u s c o u l db ei m p r o v e db ya b o u t5 0 c o m p a r e dw i t ht h eo t h e rd i f f e r e n tk i n do fb a s e c o u r s e ，t h eg r a d e da g g r e g a t eb a s e w i t hg e o c e l l i s e c o n o m i c a l l ya c c e p t a b l ei n e n g i n e e r i n gp r a c t i c e s i v a b s t r a c t k e yw o r d s ：f l e x i b l eb a s e ，g e o c e l l ，g r a d e da g g r e g a t e ，r e i n f o r c e m e n te f f e c t ，r e s i l i e n t m o d u l u s ，m e c h a n i c a lr e s p o n s e ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，t r a f f i c l o a d i n f l u e n c e ，s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 躲侧乙 2 彳年7 月易e t 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 砂磊年7 月舌日 第i 章引言 1 1 研究背景和必要性 第1 章引言 近十几年来，我国的公路建设得到了迅猛发展。为了适应经济建设高速发 展的需要，我国高速公路建设突飞猛进，“十五”期间，我国共建成高速公路 2 4 7 万公里，是“八五”和“九五 建成高速公路总和的1 5 倍，全国高速公 路总里程已经达到4 1 万公里。根据国家高速公路网规划要求，到2 0 2 0 年， 我国将建成8 5 万公里高速公路。这种史无前例的发展速度和发展规模，决定 了高速公路在国民经济发展中的特殊地位和重要意义。 随着我国经济建设的发展，道路交通车辆状况发生较大变化，相应高速公 路的建设、使用和实践中出现了一些新情况，也暴露出了一些新问题。一方面， 为了适应国民经济的发展及客货运输同益增长的需要，高速公路上交通量普遍 较大，且公路运输部门不断提高效率，降低运输成本及能源消耗，采用了大吨 位重型汽车及汽车列车；另外，随着矿山、林区、油田建设土地的需要，扩大 了重型汽车的使用范围，使各部门使用的重型汽车数量迅猛增加。我国重型汽 车的生产量也由于引进了新的生产技术，出现较大增长，我国公路运输车辆正 向大型化、拖挂化和集装箱化发展，且高速公路上超载超限运输车辆普遍存在， 并有增长的趋势，道路路面负载严重。我国当前的道路交通状况突出表现为“重 载”交通特征，如图1 1 。 一畸 舯 础_ 氏 ) 刮哼l 则一 图1 1载重下辆发展趋势示意图 第l 章引言 近年来，我国的道路里程增加十分明显，各地的道路投资建设也十分活跃， 但与此同时出现的道路早期损坏现象也十分明显，有的道路甚至修建通车还远 没达到使用寿命，就出现了较早期损坏时问更为提前的初期损坏，为此国内外 学者重点对路面结构形式的影响进行了研究，提出了如柔性路面结构、倒装结 构等等不同特点的路面结构形式。 我国从2 0 世纪8 0 年代中期开始建设以高速公路为代表的高等级公路，其中 有刚性路面和半刚性路面。在己建成的高速公路中，9 5 是以半刚性材料为基层， 沥青混凝土为面层的路面( 简称半刚性路面) 。这是因为我们在路面设计实践 中普遍采用“强基薄面”的指导思想，以节约道路初期造价。在“强基薄面 思想的指导下，随着交通量的增加，自然越来越多地使用半刚性基层，以有效 减小路面弯沉i lj 。半刚性基层具有较高的强度与承载力、良好的整体稳定性和耐 久性，为实现“强基薄面”的结构提供了可靠保证。 长期以来人们普遍认为半刚性基层的主要优点是：1 板体性强，有很高的 承载能力和抗变形性能；2 。有良好的抗冻性能，能有效治理季节行冰冻地区的 翻浆；3 能充分利用当地地方性材料；4 最大的优点是节省了大量的投资，可 以用较少的钱修更多的路。但是经过我国的公路建设的实践，对这些所谓的优 点有了新的认识【2 j ： 1 关于半刚性基层的板体性能好，承载能力强的优点。按照我国规范的设 计思想及设计方法，路面各层是完全连续的整体，在这种情况下，包括沥青层 在内的路面各层几乎都处于受压状态下的，无需承受拉应力，而半刚性基层有 很高的抗压强度，这种优点得以显示出来。如果基层和面层之间的界面条件因 为水和结冰的原因变成滑动，沥青层和半刚性基层底面都将产生大的拉应力， 对其抗弯拉能力的考验就变得极其严峻。而且半刚性基层的开裂大部分是由于 收缩造成的，它远出现于疲劳开裂之前，所以实际上对疲劳开裂的验算没有实 际的意义。 2 关于抗冻融问题，室内试验表明它是有强的抗冻融循环能力。但是北方 地区有些技术人员认为半刚性基层经过几个冬季的反复冻融循环，材料就会发 酥、并成为灰浆，并称这些是春季唧浆的根源。关于这方面的机理和真正的情 况还没有定论，需要进一步的研究。 3 对半刚性基层所使用的材料，实际上有不同的看法。在开始阶段，许多 意见认为对材料的要求可以不必十分严格，以便充分利用地方性材料，但是后 第l 章引言 来要求越来越高，有些地方要求石屑需要水洗，配合比当然不得含糊，并不比 级配碎石的要求低；尤其是强度越来越高，施工要求更高，完全采用厂拌和摊 铺机摊铺，开始阶段的路拌和平地机摊铺已经基本上绝迹。 4 关于节省投资的问题。和别的路面结构形式相比，仅仅是初期的投资低， 半刚性基层沥青路面的后期养护维修成本高，根据我国高速公路养护的管理经 验，常规的半刚性基层的沥青路面一般2 - - , 3 年中修一次，每5 年大修一次的原 则，每次大修成本为2 4 0 万公里( 2 0 0 4 年) 。 对已建成的许多高速公路的调查表明，半刚性基层沥青路面在结构和使用 性能上出现了不少问题，许多高速公路在建成投入使用不长时间内( 一般不超 过3 - - - 5 年) 便出现结构性损害，造成路面性能和使用寿命降低，造成巨大的浪 费和极坏的社会影响。在对河南省已通车高速公路的调查中( 如表1 1 所示) ， 发现这些高速公路除了极少的复合式路面之外，绝大多数都是半刚性基层沥青 路面，基本上都是在通车3 年内( 最短的还不到1 年) 就出现横缝、纵缝、网裂、 车辙、唧浆、坑槽和沉陷等路面破坏现象。分析产生这些病害的原因，有施工 方面的原因，有工程管理方面的原因，更多的则是结构设计和材料设计方面的 原因。 表1 1河南省部分高速公路路面结构及主要病害 基层厚度底基层厚 路线名称通车时间面层厚度及类型主要病害 及类型度及类型 1 5 c m 水泥 1 5 c m 石灰坑槽、沉 k z 高速公路 1 9 9 4 1 25 c m a c + 2 2 c m r c c( 水泥或陷、唧浆和 稳定碎石 综合) 土车辙 6 c m 热拌沥1 5 c m 二灰 车辙、沉 z l 高速公路1 9 9 5 1 24 c m a c + 5 c m 粗粒式陷、纵缝、 青碎石 稳定碎石 唧浆 2 0 c m 水泥 1 5 c m 水泥横缝、纵 x x 高速公路 1 9 9 6 1 25 c m a c + 2 5 c m r c c 石灰稳定缝、网裂、 稳定碎石 十坑槽、沉陷 4 c m 多碎石沥青混凝十 + s c m 粗粒式沥青混凝 横缝、纵 - 1 - + 7 c m 热拌沥青碎石2 0 c m 水泥3 5 c m 石灰 a x 高速公路 1 9 9 7 1 1 缝、波浪、 2 0 0 1 年1 0 月专项养护，稳定碎石稳定士 车辙、唧浆 全线加铺4 a m 中粒式沥 青混凝士 第l 章引言 4 c m a c + 6 c m 粗粒式沥青 横缝、纵 x l 高速公路1 9 9 8 1 2混凝十+ 6 c m 粗粒式沥 2 5 c m 水泥3 5 c m 石灰缝、网裂、 稳定碎石七唧浆、坑 青混凝十 槽、沉陷 4 c m a c - 1 6 - i 型中粒式 沥青混凝士， 1 7c m 石灰 5 c m a c - 2 0 - 1 型中粒式1 7 c m 水泥无明显病 j z 高速公路 2 0 0 1 7 粉煤灰稳 沥青混凝十，稳定碎石害 6 c m a c 一2 5 一i 型粗粒式 定碎石 沥青混凝士 上面层4c m 抗滑表层 a k 一1 6 a 3 8 c m 水泥 2 0 c m 水泥 横缝、纵 中面层5 c m 中粒式沥青 石灰稳定 l z 高速公路2 0 0 1 9稳定碎石缝、车辙、 混凝士a c - 2 0 1 ( 6 ：9 4 ) 士( 3 ：8 ： 唧浆、坑槽 卜面层7c m 粗粒式沥8 9 ) 青混凝士a c - 3 0 1 上面层4c m 抗滑表层 a k 一1 6 a 2 0 c m 水泥 l z j 高速公 2 0 0 1 1 2 中面层5 c m 中粒式沥青3 2 c m 水泥 石灰稳定 横缝、纵 路混凝土a c 一2 0 i稳定碎石 士 缝、坑槽 卜 面层6c m 粗粒式沥 青混凝土a c - 3 0 1 4 c m a k 一1 6 a + 5 c m a c 一2 0 i3 4 c m 水泥 2 0 c m 水泥 车辙、坑 s k 高速公路 2 0 0 1 1 2 石灰稳定 + 7 c r o a t 一2 5i稳定碎石 槽、横缝 土 4 c m 中粒式沥青混凝士 1 5 c m 二灰4 0 c m 二灰 l s 高速公路 2 0 0 1 1 2 + 5 c m 粗粒式沥青混凝车辙、网裂 十+ 6 c m 热拌沥青碎石 稳定碎钿稳定土 上面层4c m 抗滑表层 a k 一1 6 a 2 0 c m 水泥车辙、横 中面层5 c m 粗粒式沥青3 5 c m 水泥 z s 高速公路 2 0 0 3 1 2 石灰稳定缝、纵缝、 混凝士a c 一2 5 i稳定碎石 土 坑槽 下面层6c m 粗粒式沥 青混凝十a c 一3 0 1 4 c m a k 1 6 a + 5 c m a c 2 5 13 4 c m 水泥 2 0 c m 水泥 z x 高速公路 2 0 0 3 1 2 石灰稳定车辙 + 7 c m a c 一3 0i 稳定碎石 十 裂缝一直是困扰半刚性基层沥青路面的主要问题，半刚性基层材料尤其是 水泥稳定碎石类材料由于其脆性，对温度、湿度敏感性较强，在强度形成及使 用过程中，因温度变化产生温缩裂缝和因含水量变化而产生干缩裂缝。尤其是 在行车道上，由于重车的冲击作用和小车高速抽吸作用，使行车道更加容易破 坏，而产生车辙、裂缝和坑槽等早期破坏现象。半刚性基层和面层间粘结困难， 4 第1 章引言 很难成为整体。半刚性基层沥青路面对大交通量和重载交通的敏感性大。另外， 半刚性基层结构致密，几乎完全不透水，遇水后易产生浮浆，随着雨水或雪水 的浸入，存积在基层表面，无法及时排走，在下封层设计或施工质量容易出现 问题导致防水粘结效果差的情况下【3 ，4 】，在高速行车下产生极大的动水压力冲刷 基层使基层逐渐软化，导致承载能力下降，产生泛浆和新型沉陷现象。这不仅 使车辆行驶质量下降，而且也破坏了路面结构整体性和连续性，并在一定程度 上导致结构强度的削弱，加速沥青路面的破坏，从而影响公路使用品质和寿命， 造成巨大的经济损失和不良的社会影响。而且，半刚性基层沥青路面损坏后的 维修比较困难。 研究认为，半刚性基层的温缩裂缝和干缩裂缝基本上是不可避免的，裂缝 顶端的应力将最终导致基层裂缝反射至沥青面层，增加面层厚度或设置应力吸 收层只能起到延缓的作用，不能彻底消除反射裂缝，而且是不经济的。也就是 说，只要基层产生裂缝，反射至面层最终是不可避免的。从这个角度说，半刚 性基层的缺点对整个路面结构来说是致命的。总体来说，路面的主要早期损坏 基本上都与半刚性基层有着重要关系。 我国当前高速公路路面在使用过程中出现的诸多问题与现行设计理论的缺 陷有很大关系，即现行设计方法已经很难适应当前重载交通的发展，对重载交 通条件下路面结构性能超常规发展的系列问题认识不足，甚至可以说存在根本 性和方向性的认识偏差。实际上，我国以弯沉和弯拉应力为设计指标的设计方 法，使得在高等级公路结构设计中，设计者想方设法提高基层的强度和刚度， 以满足设计指标的要求，于是半刚性基层沥青路面便大行其道，而柔性基层却 始终未能得到设计者的青睐。 针对现状，我国的道路工作者近些年也开始总结和反思，国外的长寿命路 面的设计理念也逐渐被借鉴。我国新的沥青路面设计规范进行了修订，道路工 作者在尝试采用各种方法解决存在的问题，但是大多数方法仍然没有跳出传统 的设计思路。有的采用抗裂措施来对半刚性基层材料进行性能改善，有的采用 增加沥青面层厚度，有的采用碎石夹层倒装结构或设置应力吸收层来减少或延 缓反射裂缝，有的采用复合式路面，但依然是治标不治本的。 我国地域辽阔，不同地区的材料、气候、经济条件和交通特点差异很大， 采用单一的半刚性基层沥青路面结构似乎并不合理。在柔性基层沥青路面的使 用上，我们一直不能下定决心的原因无非有这么几点：沥青稳定碎石基层造价 第l 章引言 偏高；未处治粒料基层强度和刚度偏低，担心不能承受重载交通。 如果仅以初期投资来比，沥青稳定碎石基层的造价高于半刚性基层，不过 沥青稳定碎石基层的面层可以不必像半刚性路面那样，为了防止反射裂缝而设 计得那么厚，整个路面结构的总造价算下来就相差没那么多了，而且毕竟我们 现在的经济承受能力已经有了相当的提高。但是，从养护角度来讲，半刚性基 层材料的养护费用更高，使用寿命更短。美国使用的长寿命路面，其使用年限 一般2 0 、一4 0 年，若按照总的全寿命成本效益计算，沥青稳定碎石基层路面更加 经济。不过，在我国现阶段的国情之下，随着国际原油价格的持续大幅上涨， 全面推广沥青稳定碎石基层的阻力依然不小。 级配碎石是一种松散材料，其力学性能或水力学性能受很多因素影响，如 粒料种类、碎石级配、压实含水量与密度、成型方式等，其中最主要的因素是 含水量、成型方式和碎石级配；同时，级配碎石层在结构中的应力状态强烈地 影响其非线性力学性能的发挥。级配碎石基层有许多优点：就地取材也比较方 便，具有良好的造价优势；有利于抵抗路基不均匀沉降；有利于减少沥青路面 的反射裂缝；有利于改善路面结构排水。但我们对于采用级配碎石作为基层， 总会有这样的担心：级配碎石是一种散体材料，在行车荷载的反复作用下，级 配碎石中各种粒径粒料会发生一定程度上的结构重排，产生较大的塑性变形， 导致路面出现结构性车辙；同时级配碎石层刚度较低，会使沥青面层底面产生 较大的拉应力，加速沥青面层的疲劳破坏1 2 j 。 事实上，在国外高等级公路路面结构设计中，级配碎石基层的应用并不少 见，综合考虑路面其他结构层次的设计后，这样的路面结构在承受重载交通上 是安全可靠的。但是，由于传统设计思路的束缚和一些特殊的国情，级配碎石 基层在我国的高等级公路设计中一直没有得到足够的重视和大胆的应用。 同济大学李峰1 5j 研究认为，对于柔性基层沥青路面，沥青面层最大剪应力曲 线存在一个极小值点，对应的存在一个基层模量拐点，大约在7 0 0 m p a - - - 15 0 0 m p a 之间。即基层模量不超过这个范围时，沥青面层最大剪应力随着基层模量的增 大而减小；基层模量超过这个范围后，沥青面层最大剪应力随着基层模量的增 大而增大。而沥青面层弯拉应变和路基顶面压应变则始终随着基层模量的增大 而减小。另外，增加沥青层的厚度也可以降低面层剪应力和弯拉应变水平以及 路基顶面压应变。 实际上，对于柔性基层采取增加沥青层厚度的办法，就是变相对柔性基层 6 第1 章引言 刚度进行补偿，这时候沥青底层从结构上讲实际上发挥的已经是基层的作用。 国外流行的全厚式长寿命路面，实际上发挥基层作用的就是沥青混合料，级配 碎石层实际发挥的只是挚层( 底基层) 的作用。 骨架密实型级配碎石基层的模量一般在4 0 0 m p a 左右，连续级配型级配碎石 基层的模量一般在3 0 0 m p a 左右1 6 】。如果采取加劲技术改善级配碎石基层的抗力， 使其模量得到一定程度的提高，使基层模量与沥青面层模量匹配更加合理，那么 就可以改善路面结构的力学响应，使面层内的剪应力和层底拉应变均控制在较 低水平，可以减少沥青面层厚度对基层模量偏低的补偿：和全厚式长寿命路面 相比，沥青层减薄，工程造价降低，既继续保持和充分发挥柔性基层沥青路面 结构的优势，又避免了半刚性路面的缺陷，却可以达到相同的效果，避免了早 期损坏的发生。显然这是一种很好的设计思路。 因而，从我国公路交通和高速公路建设实际状况出发，总结公路建设中路 面结构与材料的技术经验，有针对性的开展重交通条件下高速公路级配碎石基 层结构与材料相关应用技术研究，开发和引入改进级配碎石基层的新技术、新 材料，对解决重载交通引发的路面性能衰减超常规发展的关键问题，指导高速 公路工程的结构与材料设计，减少公路路面早期损坏，提高路面长期使用寿命， 确保公路交通的畅通和安全，具有重要意义。 本文试图通过借鉴土工格室在软土地基和铁路路基中的加劲作用，在级配 碎石基层中引入土工格室加劲技术，以期改进级配碎石基层力学性能，改善路 面结构层应力响应，从而达到延长沥青路面使用寿命的效果。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内研究现状 就全国高速公路而言，半刚性基层沥青路面是我国高速公路的主要路面结 构形式。常用的半刚性基层有水泥稳定粒料和二灰稳定粒料；底基层有半刚性 和柔性两种，柔性底基层采用较多的是级配碎石；沥青面层多采用三层式设计， 面层总厚度差异很大，薄的仅l o c m 左右，厚的达3 2 c m 。基层类型上的单一，面 层厚度上的显著差异，既反映了我国高速公路沥青路面设计理论和实践还不够 完全成熟，也反映了设计方法的随意性和一定程度上的盲目性，使路面结构设 第1 章引言 计特别是基层设计要么过分保守，造成较大的材料和资金浪费；要么面层过薄， 过早破坏，造成很大的经济损失。表1 2 为国内部分高速公路采用的沥青路面 结构。 表1 2 国内部分高速公路采用的沥青路面结构 道路名称 面层及厚度( c m ) 基层及厚度( c m ) 底基层及厚度( c m ) 沪嘉高速公路 1 2 ，1 7 4 6 - 二灰碎石2 0 砂砾 4 中粒式沥青混凝土 2 5 - - 2 8 水泥石屑或 广州一佛山高速公路+ 5 粗粒式沥青混凝2 5 水泥碎石或石屑 土+ 6 沥青碎石 水泥土 5 中粒式沥青混凝十 沈阳一人连高速公路+ 5 粗粒式沥青混凝2 0 水泥砂砾或矿渣 1 5 - - 一3 9 级配砂砾或 矿渣 土+ 5 沥青碎石 2 0 2 3 中粒式沥青 2 0 2 5 水泥碎石或 京津塘高速公路混凝士，粗粒式沥青 二灰碎石 2 5 - 3 5 无机稳定土 混凝十和沥青碎石 京石高速公路北京段1 2 沥青混凝七3 5 二灰砂砾 4 中粒式沥青混凝土 + 8 粗粒式沥青混凝2 3 级配碎石+ 2 2 - - 广州一深圳高速公路2 3 水泥碎石 十+ 1 0 密级配沥青3 2 未筛分碎石 碎石+ 1 0 沥青碎石 4 s a c - + - 5 粗粒式沥青 济南一青岛高速公路2 0 水泥砂砾2 6 石灰土 混凝十+ 6 沥青碎石 3 抗滑沥青混凝土+ 深圳一汕头高速公路5 中粒式沥青混凝土2 5 水泥石屑2 8 级配碎石 + 6 粗粒式沥青混凝 4 s a c + 6 粗粒式沥青 沪宁高速公路江苏段 2 8 二灰碎石4 0 二灰土 混凝十+ 6 沥青碎石 3 4 细粒式沥青混 凝土+ 4 6 中粒式沥2 8 3 4 二灰碎石或 杭甬高速公路2 0 级配碎石 青混凝士+ 5 8 沥青水泥稳定碎石 碎石 4 中粒式沥青混凝土 + 6 粗粒式沥青混凝 沪杭高速公路3 7 二灰碎石2 0 水泥碎石土 土+ 7 粗粒式沥青混 凝士 石家庄一安阳 4 s a c + 5 粗粒式沥青 混凝土+ 6 粗粒式沥2 0 水泥碎石4 0 石灰土 高速公路 青混凝士 第1 章引言 4 中粒式沥青混凝十 西安一临潼高速公路+ 5 粗粒式沥青混凝2 0 二灰砂砾2 0 二灰土 土十6 沥青碎石 从表1 2 可以看出我国高速公路的基层基本上是清一色的半刚性基层。为 了保证公路的使用性能，必须保证半刚性基层有足够的强度，适宜的刚度和耐 久性，较小的变形，良好的抗裂性能。裂缝是半刚性沥青路面最主要的缺陷之 一，由于裂缝的出现会导致一系列病害的产生。为了防止裂缝过早出现，即使 基层有足够的强度，沥青面层也要有一定的厚度，厚层沥青面层可以有效减少 路面的横向裂缝。早期的京津塘高速公路沥青面层的厚度达到了2 0 c m 以上，广 深高速公路的面层厚度达到3 2 c m ，目前全国高速公路的沥青面层厚度也有加厚 的趋势，在建高速公路的面层厚度基本上已达到1 8 c m 以上。然而近几年，原来 担心柔性基层沥青路面容易出现的车辙，却越来越成为半刚性基层沥青路面的 主要病害之一，这是需要重新引起设计者反思的现象。 从表1 2 中的路面结构来看，广深高速公路是最厚的，沥青层厚度达到3 2 c m ， 路面总厚度为1 0 0 - - - , 1 l o c m ，这个结构当时受到了专家的批评，被认为是不合理 不经济的结构，尤其不适用于高温多雨的广东地区。但十几年使用下来，广深 高速并没有发生什么大的病害，裂缝很少，车辙也不是很深，严重处仅l c m 左 右，较之其他薄沥青面层的高速公路，其使用效果反而很好。 级配碎石在我国高速公路上主要用于底基层，作为基层使用则基本上没有。 1 9 9 9 年完工的上海大众试车场工程，采用高质量的级配碎石作为高速试车道的 基层，达到了非常良好的使用效果，但考虑到试车场的车辆荷载状况，级配碎 石作为重载交通道路真j 下意义上的基层使用效果如何还需要检验。 随着上世纪九十年代国内高速公路的大规模修建，近年来国内半刚性沥青 路面使用过程中反射裂缝问题的日益突出，为研究防止反射裂缝的问题，铺筑 了一些级配碎石基层试验路，实际上是采用级配碎石作为半刚性基层和沥青面 层之间的夹层，起到延缓和减少半刚性基层反射裂缝的作用。如京石高速公路 河