（材料学专业论文）滨海新区集疏港道路柔性基层沥青路面结构研究.pdf

摘要 随着国民经济水平的提高及公路交通运输事业的快速发展，自然环境因素与车辆荷 载对路面结构的要求也越来越高。为解决天津市滨海新区半刚性基层路面结构出现的疲 劳破坏、反射裂缝、车辙早期损害以及路面使用寿命短和服务水平低等问题，通过采用 柔性基层沥青路面结构组合形式，以天津市滨海新区集疏港道路“三横一纵”干道交通 量调查、轴载调奁及沥青路面使用状况、破坏原因分析为基础，对滨海新区路面交通情 况、材料参数、柔性基层沥青路面结构组合设计进行研究分析；通过对柔性基层沥青路 面的力学响应研究分析不同路面结构层参数变化时对整体路面结构的影响规律，为柔 性基层沥青路面结构合理设计提供一定的指导性意见；计算分析不同轴轮类型车在最大 轴载作用下与不同轴重作用下对柔性基层沥青路面使用寿命的影响；合理确定适合滨海 新区柔性路面各结构层厚度，最终推荐了适合滨海新区集疏港道路的柔性基量沥量跫匠 结构类型。 关键词：柔性基层、天津市滨海新区、轴载换算、结构参数、力学响应、合理结构组合、 疲劳寿命 a b s t r a c t w i t ht h e i m p r o v e m e n to fe c o n o m i cl e v e l a n dr a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a ya n d t r a n s p o r t a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o ra n dv e h i c l el o a dh a v em u c hh i g h e rr e q u i r e m e n t so n p a v e m e n ts t r u c t u r e t os o l v et h ep r o b l e m so ff a t i g u ef a i l u r e ，r e f l e c t i o nc r a c k i n g ，e a r l yr u t t i n g d a m a g e ，s h o r tl i f ea n dl o ws e r i c e l e v e lo fp a v e m e n ts t r u c t u r eo ns e m i - r i g i dt y p eb a s ei n b i n h a id i s t r i c t , t i a n j i n t h et h e s i sa d o p t st h ec o m b i n a t i o nf o r mo ff l e x i b l eb a s ea n da s p h a l t p a v e m e n t b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no ft r a f f i c ，l o a d ，s e r v i c e c o n d i t i o no ft h ea s p h a l t p a v e m e n ta n dd a m a g ec a u s e si ta n a l y s e st h et r a f f i cc o n d i t i o n ，m a t e r i a lp a r a m e t e r s ，a n dt h e c o m p o s i t i o nd e s i g no ft h ea s p h a l tp a v e m e n to nf l e x i b l eb a s es y s t e m i c t h r o u g ht h er e s e a r c h o fm e c h a n i c a lr e s p o n s ei ta n a l ) s c st h el a ww h i c ha f f e c t st h ew h o l ep a v e m e n ts t r u c t u r ew h e n d i f f e r e n ts t r u c t u r el a y e rp a r a m e t e r sc h a n g e d a n dt h i sj o ba f f o r d ss o m ei n s t r u c t i n ga d v i c e sf o r r e a s o n a b l ed e s i g no fa s p h a l tp a 、，e m e n to nf l e x i b l eb a s e t h ep a p e rs t u d i e so nt h ei n f l u e n c eo f s t r u c t u r a lm e c h a n i c a lr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n to nf l e x i b l eo rs e m i r i g i dt y p eb a s eu n d e r d i f f e r e n tl o a d s i ta n a l y s i st h ee f f e c to nl i f eo fa s p h a l tp a v e m e n to nf l e x i b l eb a s eu n d e rt h e m a x i m 啪l o a do rd i f f e r e n tl o a d so fv a r i o u sv e h i c l e s a n di ta l s od e t e r m i n e st h er e a s o n a b l e s t r u c t u r et h i c k n e s so ff l e x i b l ep a e m e n t a tl a s tt h et h e s i sr e c o m m e n d sas t r u c t u r ew h i c hf i t f o rt h ea s p h a l tp a v e m e n to nf l e x i b l eb a s ei nb i n h a id i s t r i c t ，t i a n j i n k e yw o r d s ：f l e x i b l eb a s e ：t i a n j i nb i n h a in e wa r e a ；a x l ec o n v e r s i o n ；s t r u c t u r a lp 猢e t e r s ； m e c h a n i c sr e s p o n s e ：r e a s o n a b l es t r u c t u r ec o m b i n a t i o n ；f a t i g u el i f e 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 中国2 0 0 8 年新修通了4 7 1 9 公里的高速公路，截止到2 0 0 9 底，中国高速公路的通 车总里程达6 5 万公里，继续稳居世界第二位。按照中国2 0 0 5 年公布的高速公路网发 展规划，到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，届时，中国高速公路通车总里程将达 l o 万公罩。我国高速公路在取得量的飞速发展的同时，在质的问题上也存在着很大的 问题。 我国自1 9 8 8 年开始建设高速公路以来，9 5 以上是半刚性路面。半刚性路面的发 展为我国公路事业做出了巨大贡献，但是半刚性路面一些固有的缺陷也逐渐暴露出来。 国际上发达国家很少采用半刚性基层沥青路面，而且越是重交通道路越不采用，经过专 家们多年的经验总结，发现半刚性基层在其板体性强、承载能力大的优点背后也存在有 一些无法克服的缺点，主要表现为：1 半刚性基层沥青路面极易产生反射裂缝：2 半刚 性材料易引起水损坏；3 半刚性基层排水性能差，引起面层沥青混合料的松散，坑槽等 破坏。因此，以上因素严重影响道路的使用寿命和服务功能。 现在我国铺筑的半刚性基层沥青路面大部分不能达到预定的设计年限，一些高速公 路建成通车不久，3 , - - 5 年就不得不进行大规模大面积的维修。国外大量的路面结构设 计资料表明国外重交通的路面设计年限可以达到4 0 年，而长寿命路面的设计年限提倡 至少5 0 年，而且在国外越是重载交通、公路等级越高越采用柔性基层沥青路面。因此， 我国单一的结构形式很难适用各地区的使用要求，借鉴国外柔性基层的应用经验，不仅 可丰富我国沥青路面结构形式，还可以适应我国各地区气候、地质条件、交通组成差异 大的要求。 天津市滨海新区位于天津市的东部临海地区，主要由天津港、开发区、保税区及塘 沽、汉沽、大港三个行政区组成，面积2 2 7 0 平方公里、人口1 0 7 万。近年来，天津经 济增长迅速，外资大量进入，成为中国北方发展最快的地区之一。根据国务院推进天 津滨海新区开发开放有关问题的意见【国发( 2 0 0 6 ) 2 0 号】，滨海新区的功能定位是： 依托京津冀、服务环渤海、辐射“三北 、面向东北亚，努力建设成为我国北方对外开 放的门户、高水平的现代制造业和研发转化基地、北方国际航运中心和国际物流中心， 第一章绪论 逐步成为经济繁荣、社会和谐、环境优美的宜居生态型新城区。 滨海新区开发开放纳入国家发展战略以后，新区掀起了市政基础设施建设高潮。根 据新区综合交通规划，滨海新区由高速公路、城市快速路、城市主干道组成的骨架路网 可归纳为“八纵十四横”，总长约7 5 0 公里，其中近4 0 0 公里未建，部分已建工程也 需陆续提级改造。 图1 1 滨海新区地理位置图及。八纵十四横”骨架路网规划示意图 经济的发展使交通量急剐瑁长，作为滨海新区核心的天津港，作为集疏港道路无不 存在超载，因此进行柔性基层沥青路面结构的研究具有重要的经济意义和实践意义。 柔性基层沥青路面一般包括无结合料粒料( 底) 基层沥青路面、沥青稳定碎石基层 ( 下卧粒料层或者直接放在改善的路基土上) 沥青路面。其中，沥青稳定碎石具有较高 的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性，与半刚性基层相比较，则不易产生收缩开裂和水 损坏。因此，沥青稳定碎石基层在我国公路发展中具有很大的空间，对于延长沥青路面 的使用寿命、使用质量具有深远的意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 高等级公路路面结构类型有两种，即水泥混凝土路面和沥青混凝土路面。下面简述 一些有代表性国家的沥青路面结构。 l 、法国 1 9 6 8 年法国制定了一个柔性路面补强厚度设计指南，一般是在原路面上加铺一个水 硬性结合料或有机结合料稳定材料上基层和面层。 1 9 7 7 年法国的半刚性路面分为组合结构、复合结构以及倒装结构。 2 长安大学硕士学位论文 2 、德国 德国沥青路面结构以柔性结构为主，且面层较厚。在1 9 8 6 年的典型结构表中，一般 采用2 2 - - - 2 6 c m 的沥青面层。半刚性材料只作为底基层，厚度统一为1 5 c m 在高速公路上， 因此不采用半刚性材料。全厚式路面或厚沥青层下卧粒料底基层的柔性路面成为高速公 路的主要结构。 3 、美国 美国的沥青路面结构形式中，使用最多的是全厚式、沥青层下卧粒料层的柔性路面 结构。半刚性基层沥青路面从7 0 年代后使用越来越少，即使使用半刚性材料也趋向于作 底基层，且主要用于底基层。 4 、同本 表1 1日本高速公路沥青路面结构( d 交通) 路面结构( c m )总厚( c r n ) 时间高速公路名称 密级配粗粒式上基层下基层 1 9 8 9 九州高速公路 幸 68 a t b 2 7 粒料 4 5 1 9 9 0 近畿自动车道 469 a t b 2 1 粒料 4 0 1 9 9 3 东名阪自动车道 468 a t b 2 2 粒料 4 0 1 9 9 3山r l 自动车道 4 61 5 a t b2 0 粒料4 5 1 9 9 5 馆山自动车道 461 4 a t b 2 1 水稳 4 5 1 9 9 9 尔北自动车道 4 61 5 a t b 2 5 粒料 5 0 2 0 0 0 北关自动车道 461 5 a t b 2 0 粒料4 5 国际上使用的沥青路面结构可以归为以下5 类。 表1 2 国外沥青路面主要结构类型 编号 12 3 4 5 类型全厚沥青路面柔性路面半刚性路面组合式路面倒装结构 沥青混凝土沥青混凝土沥青混凝土沥青；昆凝土 各层 沥青层 沥青碎石基层半刚性基层沥青碎石基层粒料过渡层 材料 粒料底基层半刚性底基层半刚性底基层半刚性底基层 路基路基路基路基路基 第一章绪论 表1 3国外部分已建沥青路面结构实例 总厚 国家路名面层厚度( c m )基层厚度( c m )底基层厚度( e m )度 ( c m ) 名神1 0 中粒式+ 粗粒式2 0 级配碎石2 0 未处理级配砂砾 5 0 日本 札樽1 0 中粒式+ 粗粒式2 0 沥青碎石5 0 未筛分砾石 8 0 道央1 0 中粒式+ 粗粒式1 5 沥青碎石2 5 水泥稳定碎石 5 0 1 9 沥青稳定碎 美国高速公路5 沥青混凝土1 5 加吲底基层 5 4 石+ 1 5 砂砾 高速公路14 + 3 + 5 沥青混凝土1 8 沥青碎石1 5 级配砂砾 4 5 德国 汉堡高速公路 3 5 + 3 5 + 5i ! j ：j 青混凝土 1 8 沥青碎石1 5 级配砂砾 4 5 法国 高速公路18 渤青混凝土1 5 沥青基层2 5 优质级配粒料 4 8 1 2 2 国内研究现状 柔性基层在我国研究起步较晚我国在高速公路上正式使用柔性基层的是成渝高速 公路。 东南大学杨群提出了沥青稳定基层沥青路面的设计指标和标准，并对设计指标影响 因素进行了分析，提出了沥青稳定基层混合料的组成设计方法。 东南大学葛折圣选出两种沥青稳定碎石级配，进行了应力控制的疲劳试验，研究其 抗疲劳性能，并进行疲劳寿命预估。 长安大学袁宏伟进行了沥青稳定碎石基层材料的研究，提出了混合料的设计方法和 施工技术，证明了沥青稳定碎石基层沥青路面的低温抗裂性要优于半刚性基层沥青路 面。 哈尔滨工业大学采用体积法分别设计了公称最大粒径为2 6 5 m m ，3 1 5 和3 7 5 m m 的 沥青稳定碎石混合料的级配，并进行了各级配混合料的强度性能试验、水稳定性试验、 低温抗裂性试验以及贯入式重复加载试验。 中交公路规划设计院、江苏省交通科学研究院等单位结合工程实际，系统研究了密 级配沥青碎石基层l s m 的设计方法、性能及施工，在常用混合料对比试验研究的基础 上提出了l s m 2 5 ，l s m 3 0 ，l s m 一4 0 建议级配范围。 一些省市的交通科研部门和高校合作也开展了对沥青稳定碎石的研究，其中河南交 通厅对沥青稳定碎石的试验设备及参数、成型方法对比、疲劳性能及影响疲劳性能的因 素进行了研究。河北省交通厅与长安大学合作，对采用沥青稳定碎石基层的路面结构设 计、沥青稳定碎石级配设计方法和路用性能进行了研究，并铺筑了试验路。江西省交通 4 长安大学硕士学位论文 厅铺筑试验路，对高速公路在重载条件下水泥稳定碎石基层和沥青稳定碎石基层的性能 进行了对比研究。 国内一些高等级公路采用过的路面结构如下： 表1 4 甘肃柔性路面结构汇总表 等级公路名称面层结构基层结构 4 c m 中粒式a k - 1 6 b i 中川机场尹家庄至机场段5 c m 中粒式a c 2 0 i 3 0 c m 水泥二灰稳定碎砾石 6 c m 粗粒式a c 2 5 i i 3 0 c m 水泥二灰稳定士 高速公路 4 c m s m a 3 0 c m 水泥稳定砂砾 6 3 1 2 兰州至临洮高速公路5 c m 中粒式a c i2 0 c m 水泥石灰砂砾十 6 c m 粗粒式a c( 土基中湿加1 5 c m 天然砂砾) 一幅高 4 c m 中粒式l h 2 0 i2 9 c m 二灰碎石 速公路 6 3 1 2 线树屏至徐家磨段 6 c m 热拌沥青碎石l s 2 51 5 c m 二灰土 表1 5 国内部分已建重载道路路面结构 路名 路面结构及厚度( c m )总厚度( c m )累计当量轴次( 万次) 4 c m 中粒式沥青混凝土 6 c m 粗粒式沥青混凝土 京津唐高速公路( 北京段)1 3 c m 沥青碎石 7 32 7 5 0 2 0 c m 水泥稳定砂砾 3 0 c m 二灰士 5 c m 中粒式沥青混凝土 5 c m 粗粒式沥青混凝土 沈大高速公路( 1 9 8 5 年)5 c m 沥青碎石 5 51 8 0 0 2 0 c m 二灰砂粒 2 0 e r a 二灰七 4 c m 中粒式沥青混凝土 8 c m 粗粒式沥青混凝土 1 0 c m 密级配沥青碎石 广州深圳高速公路1 0 c m 沥青碎石 1 0 14 9 6 0 2 3 c m 水泥碎石 2 3 c m 级配碎石 2 3 c m 未筛分碎石 4 c m 中粒式沥青混凝土 6 e m 粗粒式沥青混凝土 沪宁高速公路6 c m 沥青碎石 7 6 2 8 0 0 3 0 c m 二灰碎石 3 0 c m 二灰土 综上所述，国外对柔性基层的研究已经比较系统和完善，国内对柔性基层路面的研 究才刚刚起步。所以对柔性基层沥青路面的研究，是对我国公路事业的发展具有十分重 第一章绪论 要的意义。 1 3 主要研究内容 综上所知，沥青稳定碎石作为柔性路面的基层，中间层对于解决目前超重交通条件 下半刚性基层早期严重破坏、疲劳破坏、反射裂缝等问题都将具有重大意义。 针对这种亟待解决的问题，采用理论与实践相结合的方法，重点研究以下内容： 1 对天津滨海新区集疏港道路交通量及交通组成进行调查与分析；。 2 研究适合滨海新区筑路特点的沥青路面结构组合； 3 研究a t b 作为柔性路面基层与中间层时沥青路面结构力学响应规律分析； 4 分析柔性沥青路面结构的使用寿命； 5 推荐适宜于滨海新区集疏港道路的柔性路面结构。 6 长安大学硕士学位论文 第二章滨海新区集疏港交通调查及沥青路面现状 公路在国民经济建设中占据着非常重要的地位，而公路等级的划分及交通量的大小 在很大程度上又决定着路面结构的形式与厚度。路面结构设计的目的是在一定的交通条 件下，保证路面结构层次合理、厚度适当，路面具有足够的整体强度和稳定性。路面结 构的层次安排、材料组成，可以根据经验和当地材料的具体情况确定，也可以通过人为 的办法改善。然而，在公路等级确定的情况下，交通量却是变化的，不同地点、道路、 交通量不同。根据公路等级和交通量，可以定出相应的优化路面结构，以减少设计计算 工作量、实现施工“机械化、文明化及提高道路服务水平。 为了保证设计的路面结构达到预计的功能，具有良好的结构性能，车辆荷载是路面 设计时考虑的重要因素。影响路面设计的车辆荷载作用的参数主要是：设计使用期内标 准轴载的累计作用次数。为此，需采集交通量和轴载方面的数据，预测设计使用期内的 交通量增长，进行标准轴载作用次数的当量换算等交通分析。应对行驶的汽车作调查分 析，汽车的总重力通过车轴与车轮传递给路面，因此本章对其交通调查、车辆轴载及路 面结构组合进行分析研究。 2 1 交通概述 2 1 1 车型分类 汽车轴载按表2 1 分类。 表2 1 车辆轴载分类表 车型示意图说明 小汽车一小型客车 客 生 中汽车6 2 0 座 大汽车2 0 座以上 货 二轴四轮 晤一百串主 2 轴，后轴单轴单轮 车 二轴六轮 舒_ 百串害 2 轴，后轴单轴双轮 7 第二章滨海新区集疏港交通调查及沥青路面现状 表2 1 车辆轴载分类表( 续) 车型图示划分依据 三轴一 毋丽 3 轴，三轴1 后轴单轴，三轴2 三轴二 品邢 后轴双联轴 四轴一 帅 4 轴，后轴双联轴 四轴二 晌 货 五轴一 晌 5 轴，后轴双联轴、三联轴 车 五轴二 缅 挂车 门 3 轴1 拖挂2 轴 l a 叩uu 六轴一 毋面 六轴二 佑而 6 轴，后轴三联轴 2 1 2 交通量调查 道路上行驶的汽车种类繁多，轴载各不相同。在路面结构设计中，必须将混合交通 组成中各种车辆的不同轴载作用次数等效换算成标准轴载当量轴次，为此，需要进行交 通状况调查。调查时解决的两个问题：是道路的交通量；二是各种车辆的轴载。 本次调查重点对滨海新区集疏港道路“三横一纵”干道进行。“三横 为海滨大道 与京津塘高速公路二线联络线、泰达大街( 河北路立交心海滨大道段) 、新港四号路( 胡 家园立交海滨大道段) 。“一纵”为海滨大道中段( 永定新河京津塘高速公路三线段) 。 重点分析海滨大道和泰达大街以及第九大街。其交通量调查结果如下表2 2 所示。 图2 1 图2 3 分别是三条道路的轴型对比图。 表2 2 部分道路平均日交通量( a d t ) 车型海滨大道第九大街泰达大街 小客车( 辆d ) 6 0 0 23 6 1 82 8 0 4 7 大客车( m d ) 9 9 1 5 71 2 0 7 小货车( m d ) 2 4 5 51 5 9 83 1 3 9 三轴一( m d ) 9 2 79 3 81 2 6 l 三轴二( m d ) 3 9 45 3 62 3 3 四轴一( 辆d ) 6 8 1 43 3 0 05 9 3 8 8 长安大学硕士学位论文 表2 2 部分道路平均日交通量( a d t ) ( 续) 车型 海滨大道第九大街泰达大街 四轴二( 辆d ) 1 2 6 l1 8 11 3 6 4 五轴一( m d )1 1 7 42 6 11 1 2 7 五轴二( 辆d )3 0 67 02 3 9 六轴一( 辆d ) 7 2 03 1 64 0 9 六轴二( 辆d )1 4 52 01 9 9 拖挂车( 辆d ) 4 51 5 l1 5 合计( 辆d ) 2 0 3 4 2l l l 3 7 4 3 1 6 0 图2 1海滨大道轴型分布图 图2 2 第九大街轴型分布图 9 第二章滨海新区集疏港交通调查及沥青路面现状 图2 3 泰达大街轴型分布图 从以上三个图中可以看出，滨海新区集疏港道路“三横一纵 道路交通量及交通组 成中重型货车占很大的比例，贯穿南北的海滨大道的重车最多，其中以四轴一车型比例 占最大，为3 3 5 ，其次是小客车，占2 9 5 ；第九大街的轴型组成中，最大的是小客 车，占3 2 4 ，其次是四轴一，占2 9 7 ；泰达大街的轴型组成中，最大的是小客车， 占6 5 ，其次是四轴一，占1 3 8 。结合其它道路车型调查结果，除小客车外，集疏港 交通中四轴一重型货车所占比例最大，作为集疏港交通中的代表车型。 2 1 3 轴载调查 轴重的大小直接关系到路面结构的承载能力和结构强度是否与之相适应的问题，重 量不同的轴载给路面结构会带来不同程度的损坏，因此，既要考虑设计年限内的总车辆 数，更重要的是轴载大小和各级轴载所占的比例。根据交通部超限运输车辆行使公路 管理规定，各种轴限见表2 3 。 表2 3 我国公路运输部门规定的货车各种轴、轮型的轴限 单轴一单轮单轴一双轮双轴一双轮三轴一双轮 轴、轮型 ( 前轴或中轴)( 单后轴)( 双联轴)( 三联轴) 轴限( 吨) 61 0 一 1 82 2 只对货车的各种轴型满载车进行轴载调查。根据国家的超限标准，调查的各种车型 都存在一定程度的超限问题，其最大的单轴轴重高达2 5 吨。结合前文中的轴型分析可 以看出，在各条道路上所占比例最大的四轴一，四轴一轴载分布最为集中的是1 0 - 1 4 吨之间。滨海新区集疏港交通轴载中各轴型车前轴轴载相对比较小，而中轴、后轴双联 l o 长安大学硕士学位论文 轴，三联轴不同程度超载，单轴轴重最大在2 0 0 2 5 0 k n 之间，轴载分布范围较宽且较为 集中，大都在1 2 0 1 4 0 k n 之间，远远大于公路运输部门规定的各种轴、轮型的轴限。 2 2 沥青路面使用状况及破坏原因分析 2 2 1 滨海新区地理位置与自然条件 天津市滨海新区位于北纬3 7 。2 4 至4 l 。1 6 ，东经1 1 7 。4 2 至1 1 9 。0 3 之间，地处环渤 海湾边。气候属暖温带半湿润大陆季风型；年平均气温1 2 0 4 c ，一月零下3 ，七月2 7 ；全年无霜期大约2 2 0 天；年平均降水量约5 4 0 - - 6 6 0 毫米，北部山地迎风坡为华北 多雨地区，可达9 1 0 毫米；全年降水7 7 集中在夏季，春季则因降水少，气温升高， 易发生春旱。 表2 4 自然气候 考粝 平均 最高 标准极端最标准极端最高标准极端最低标准年平均年平均 差低气温差地表温度差 地表温度 差 降雨量风速 地队 温度 天津 3 8 8 2 1 4 21 5 5 1 48 6 3 8 2 5 92 9 6 0 2 0 66 0 2 8 m m3 2 9 l c t 2 2 2 使用状况及破坏原因 沥青路面，或是由于交通荷载和自然因素的长期反复作用，或是由于设计、施工、 养护的缺陷，都将不敷使用。为使沥青路面不过早损坏，必须从现有沥青路面的使用状 况入手，分析路面破坏的原因，提出一种同所处环境相适应并能承受预期交通荷载作用 的路面结构；保证路面使用性能在预定的使用年限内不恶化到某一程度。为此，对天津 市滨海新区道路沥青路面使用状况进行研究，分析路面损坏产生的原因，为提出天津市 滨海新区集疏港道路柔性基层沥青路面结构准备条件。 调查表明，天津市车辆大多存在超载现象，平均超载车辆占全部重车的3 6 以上， 最大超载为额定荷载的2 2 0 0 缢2 右，大都超过6 5 。大多货车有6 0 的车辆私自增加钢 板弹簧片；5 0 的车辆栏板平均加高了6 5 c m 。由于车辆超载，多数道路初期就破坏， 养护费用增加，使用寿命减小，造成很大的经济损失。 天津港是国内现代物流的重要港口，2 0 1 0 年货物吞吐量3 亿吨，其中集装箱吞吐 量为1 0 0 0 万标箱，港口等级为2 0 万吨级。这些货物都需要经过集疏港道路疏导，由于 重载、超载车辆对路面结构的损坏，造成经济和人民生命财产的损失。 综上所述，由于交通荷载和自然因素的长期反复作用，天津市滨海新区沥青路面主 要破坏原因就是重载、超载引起的。因此，针对重载引起的破坏原因对沥青路面进行进 第二章滨海新区集疏港交通调查及沥青路面现状 一步的研究，特别应对于沥青路面结构和材料组合设计进行研究，以达到路面的使用质 量及路容美观。 2 3 本章小结 对天津市滨海新区集疏港道路“三横一纵干道交通量调查、轴载调查，本章可以 得出以下结论： l j 滨海新区集疏港交通车辆中四轴一重车所占的比例最大，为集疏港交通中的代 表车型，可作为重载条件下沥青路面设计的标准车型。 2 超限问题严重，其中最大的单轴轴重高达2 5 吨。四轴一所占比例最大，轴载分 布最为集中的是1 0 - - - 1 4 吨之间。 3 集疏港交通轴载中各轴型车前轴轴载较小，而中轴、后轴双联轴，三联轴超载 严重，单轴轴重最大在2 0 0 2 5 0 k n 之间，轴载分布范围大都在1 2 0 1 4 0 k n 之间，远远大 于公路运输部门规定的各种轴、轮型的轴限。 4 天津市滨海新区集疏港道路主要破坏原因就是重载、超载引起的。 1 2 长安大学硕士学位论文 第三章滨海新区柔性路面结构组合设计 路面结构设计的目的，是提供一种同所处环境相适应并能承受预期交通荷载的结 构。由于路面的结构特性会随环境、荷载的反复作用而逐渐变坏以至于完全丧失工作能 力，路面结构设计的具体目标便是控制或限制其结构特性在预定的使用年限内不恶化到 某一规定的程度。 路面结构设计是沥青路面设计的重要内容之一，路面结构设计主要包括以下几个方 面：沥青面层类型选择；面层结构组合；基层材料选择；底基层材料选择；路面结构组 合；沥青面层的最小厚度；基层的最小厚度；排水层、防水层、隔离层、防冻层和路基 改善层的考虑等。因此，路面结构设计应从以上几个方面展开。 3 1 概述 八十年代，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 c m 细 粒式沥青混凝土+ 4 c m 粗粒式沥青混凝土+ 7 c m 黑色碎石+ 15 c m 粉煤灰石灰碎石( 粉煤灰 石灰钢渣、粉煤灰石灰碎石) + 1 5 c m 石灰土( 二灰土) + 1 5 c m 石灰土( 二灰土) 的典型 结构。近年来，随着高速公路的进一步修建，对路面强度的要求进一步提高，于是上面 层+ 中面层+ 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。市区道路也套用这种形式，沥青面层采用两层或三层不等，基层多采用 二灰碎石+ 两步石灰土，只有很少路段采用水泥稳定碎石作基层。 从沥青路面使用状况的调查结果可以看出，石灰土作基层会产生较多的反射裂缝， 导致沥青路面的开裂，影响路面的使用质量，而采用水泥稳定级配碎石( 砾石) 或二灰 碎石基层修筑的路面结构的损坏就明显减少。从全国情况分析看沥青路面损坏的原因有 施工方面，也有材料方面的，但路面结构不同，其使用状况好坏有着明显的区别。当交 通量及路面结构层强度相近时，基层的结构的强度与稳定性对沥青路面的使用寿命和使 用质量起主要控制作用。为此，针对天津市滨海新区沥青路面使用现状，从重载引起路 面破坏的原因出发，结合天津市滨海新区路面材料的特点，对沥青路面各结构层进一步 分析，以便确定出适应于天津市滨海新区的沥青路面结构。 3 1 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 第三章滨海新区柔性路面结构组合设计 f ： 一、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。为了有效的防止路面车辙的产生，目前常用 的技术如：a 、使用改性沥青；b 、调整沥青混合料的矿料级配；c 、掺加外掺剂。 2 可以采用细粒式密级配沥青混凝土( a c ) ，沥青马蹄脂碎石( s m a ) 及多碎石 沥青混凝土( s a c ) 。 3 可以使用s b s 改性沥青、l d p e 改性沥青、环氧树脂改性沥青、粒化聚合物 p r p l a s t s 作为混合料# l - j n n 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。 二、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( a c ) 。 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：a 使用改性沥 青；b 采用聚合物改性沥青作为结合料；c 掺n 多 i - 掺剂：如纤维、土工格栅、橡胶类等。 1 4 长安大学硕士学位论文 三、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，路面需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( a c ) 。 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。 四、沥青面层的确定 沥青面层的合适厚度是沥青路面设计中的重要问题之一。沥青路面不可能一劳永 逸，从天津市滨海新区沥青路面破坏研究表明及推荐：上面层采用a c 1 3 沥青混合料， 中面层采用a c 2 0 ，下面层采用a c 2 5 。 3 1 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a t b 沥青稳定碎石基层是不同于半刚性基层的柔性基层，是用适量的沥青对级配集料进“ 行稳定后用作沥青路面的基层。沥青稳定碎石基层刚度相对较小，具有较高的抗剪强度、 抗弯拉强度和耐疲劳性，不易产生收缩开裂和水损害；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。 采用沥青稳定碎石基层的沥青路面具有的优越性，主要有： ( 1 ) 沥青稳定碎石基层沥青路面，由于面层和基层材料结构的相似性，路面结构 受力、变形更为协调； ( 2 ) 设计优良的沥青稳定基层混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅地通过基 层排出，不会滞留在路面结构中造成路面的水稳性破坏： ( 3 ) 沥青混合料对于水分的变化不敏感，受水和冰冻影响较小，不会因为干缩裂 缝而导致面层出现反射裂缝； ( 4 ) 沥青稳定碎石基层同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，从而使得整个沥青 第三章滨海新区柔性路面结构组合设计 面层的修筑时间减少。 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前途。口 从上述可看出，消除沥青路面初期损坏不能仅靠增加面层厚度，特别是在重载条件 下，合理的结构组合会使沥青路面的使用质量达到事半功倍的效果。针对以上研究结果， 从基层所应具有的功能出发，对各种基层材料的特性进行比较，以便提出天津市滨海新 区沥青路面结构的基层类型。 由以上分析可看出，沥青路面基层材料应采用有足够的强度，水稳性和收缩性小、 抗冲刷能力强的密级配沥青碎石a t b 、水泥稳定碎石、二灰稳定碎石类基层。 3 1 3 滨海新区沥青路面底基层材料的选择、垫层、土基 作为重载沥青路面结构的底基层宜采用以减小基层底面的拉应力和增大路面整体 的承载能力的材料。对于高等级路面，底基层宜采用与基层相同的材料，推荐采用水泥 稳定碎石、水泥粉煤灰碎石、二灰稳定碎石类作底基层。 土基回弹模量作为路面结构设计的基础参数，在典型路面结构设计中起着重要的作 用。 一 底基层为设置在基层之下，底基层的技术性能与基层性能一样，应该具有良好的强 度与稳定性、抗冲刷性能、收缩性能、平整性。 3 1 4 合理路面结构材料推荐 为了方便使用并根据天津市滨海新区地区各地材料供应的具体情况，推荐使用如表 1 6 长安大学硕士学位论文 3 1 所示的沥青路面结构材料。 表3 1 滨海新区沥青路面结构材料推荐 序号 层位结构类型 细粒式沥青混凝土( a c ) 面层中粒式沥青混凝土( a c ) 粗粒式沥青混凝士( a c ) a 沥青稳定碎石( a t b - ) 基层 水泥稳定碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 水泥稳定碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 水泥稳定碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 底基层 二灰十或水泥石灰土( l f s 或c l s ) 沥青玛蹄脂碎石( s m a ) 面层 中粒式( a c 一) 一 粗粒式( a c - ) b应力吸收层 基层 水稳碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 水稳碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 水稳碎石或二灰碎石( c c r 或l f c r ) 底基层 二灰土或水泥石灰- h ( l f s 或c l s ) 多碎彳i 沥青混凝土( s a c ) 中粒式沥青混凝土( a c 一) 面层 粗粒式沥青混凝土( a c - ) 。 应力吸收层 c 贫水泥混凝土( l c c ) 基层 水泥稳定碎石( c c r ) 水泥粉煤灰碎石( c f c r ) 底基层 二灰土或水泥石灰土( l f s 或c l s ) 1 7 第三章滨海新区柔性路面结构组合设计 3 2 累计当量轴次 3 2 1 各种车型轴载换算 现行设计方法中采用弯沉指标和层底拉应力指标， ( j t j d 5 0 2 0 0 6 ) 中的轴载换算为： ( 1 ) 当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时， 标准轴载尸的当量作用轴次。 公路沥青路面设计规范 各级轴载均应按公式换算成 =kn clc2吲-ffj=i 3 5 ( 3 1 ) = c l c 2 心i ( 3 1 ) - 一， 式中：n 一以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时标准轴载的当量轴次( 次 d ) ； 以；一被换算车型的各级轴载作用次数( 次d ) ； 。1 p 一标准轴载( 1 斟) ； p 被换算车型各级轴载( k n ) ； 壬。被换算车型的轴载级别； c l 一被换算车型的轴数系数；g = 1 + 1 2 ( m 一1 ) ，所是轴数。当轴问距大于3 m 时，按单独的一个轴载计算，当轴间距小于3 m 时，应考虑轴数系数； c ，一被换算车型的轮组系数，单轮组为6 4 ，双轮组为1 0 ，四轮组为0 3 8 。 ( 2 ) 当以半刚性材料层的拉应力为设计指标时，各级轴载均应按公式换算成标准 轴载尸的当量轴次。 n = 艺i = 1 粥_ 一 2 ， = 粥_ i 吾i 一 ( 3 2 ) 1 式中：n 7 一以半刚性材料层的拉应力为设计指标时标准轴载的当量轴次( 次d ) ； 一 q 一被换算车型的轴数系数；以拉应力为设计指标时双轴或多轴按 q = l + 2 ( m 一1 ) 计算，m 是轴数； c ；一被换算车型的轮组系数，单轮组为1 8 5 ，双轮组为1 0 ，四轮组为0 0 9 。 但上述两换算公式的应用是有条件的，即适用于单轴轴载小于或等1 3 0 k n 的各种 1 8 长安大学硕士学位论文 车型的轴载换算。从轴载发现滨海新区的车辆中大多数单轴轴重均大于1 3 0 1 d i 。 不同轴载的弯沉与轴载的关系 厶厶= ( 丑罡) 6 ( 3 3 ) 设计弯沉值 厶= a n l ( 3 4 ) 不同轴载的设计弯沉等效关系 厶厶= 彳l 一( a n ：一。) = ( 冀罡) 6 ( 3 5 ) n i c f c - - ( 4 4 ) b ( 、3 6 、) n , i n ：= ( # ) 啪 ( 3 7 ) 刀= 6 c ( 3 8 ) 式中：l 。，l ：，暑，最，l ，2 分别为不同车型的弯沉值、轴载和作用次数； b y c ，n ，彳相关系数。 本文选用长安大学王选仓教授发表的重载沥青路面研究中，考虑超载，弯沉等 效时，非线性分析结果n = 5 5 ；半刚性材料层层底拉应力等效时，考虑超载时n , - 9 0 。 弯沉等效一 。 每邓：( 玎 9 ， 瓦2c l c z l i 1 。9 半刚性材料层层拉应t b 等效 等= c , , c 2 , t 细7 9 瓦j 。j 各车型满载和空载车辆的轴载换算如下表3 2 表3 1 7 。 表3 2 三轴一满载车 轴重 轴距 c g ( 矿c g 阿5 c 。 c 2 印料 ( p 、 轴数 c ic 2c ；g i 工l ( k n ) ( m ) l p 1 6 21 o6 40 81 01 8 5o 4 21 6 23 52 21 09 23 01 o1 4 5 3 3 1 3 51 42 21 o3 2 3 o 1 02 7 9 1 2 6 1 7 3 3 1 9 第三章滨海新区柔性路面结构组合设计 表3 3 三轴一空载车 轴重轴距 ”g g 防 c 1g q q ( 吾) 8 厂p 、9 轴数 c lc 2粥i l ( k n ) ( m ) l p 1 1 01 o 6 4 o1 o 1 8 5 0 23 03 52 2i 00 0 23 01 o