（道路与铁道工程专业论文）复合式基层长寿命沥青路面结构与材料研究.pdf

摘要 复合式基层长寿命沥青路面结构与材料研究 摘要 研究生：舒富民 导师：钱振东教授 ( 东南大学交通学院，江苏南京，2 1 0 0 9 6 ) 目前，我国很多高速公路沥青路面结构在重载重交通的作用下，出现了结构性的早期破坏现象， 而国外提出的长寿命设计理念则将沥青路面的使用寿命提高到4 0 - - 5 0 年以上。本文通过引进国外的 长寿命设计理念，采用半刚性材料作为沥青路面结构的底基层，沥青稳定类材料作为上基层，优质 级配碎石作为过渡层的复合式基层长寿命沥青路面结构进行结构分析和材料试验研究。 首先，本文在比较分析半刚性基层、柔性基层和刚性基层沥青路面的优劣之后，提出采用复合 式基层沥青路面结构进行长寿命设计。通过对比研究国内外沥青路面的设计指标，提出复合式基层 长寿命沥青路面的设计指标为路表弯沉、沥青层底弯拉应变和半刚性底基层底拉应力。在国内类似 试验路已有研究成果基础之上，初步提出了设计标准。 其次，采用数值模拟的方法分别对重载和高温下三种沥青路面的使用性能进行了研究，得出复 合式基层结构对重载的敏感性远没有半刚性基层结构敏感，且复合式基层中半刚性材料层的温度条 件得到了极大改善。 再次，通过对各设计指标的影响因素进行正交敏感性分析确定关键因素，并在此基础上进行了 各设计指标的力学分析，研究结果表明提高土基模量能大大降低路表弯沉，土基模量应大于4 0 m p a ； 沥青稳定碎石上基层的模量每增加2 0 0 m p a ，沥青层厚度就减少约l c m ；然后提出了复合式基层长寿 命沥青路面的典型结构型式。 最后，对复合式基层中的沥青稳定碎石上基层进行了材料设计和性能试验研究。路用性能试验 结果表明高模量沥青稳定碎石具有良好的高温稳定性、水稳定性和抗疲劳性能，低温性能稍差。 关键词：复合式基层，长寿命沥青路面，设计指标，设计标准，正交分析，硬质沥青，动态模量， 抗疲劳性能 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo fp e r p e t u a la s p h a l t p a v e m e n tw i t hc o m p o s i t eb a s e a b s t r a c t p h m c a n d i d a t e ：s h uf u m i n s u p e r v i s o r ：p r o f q i a nz h e n - d o n g ( t r a n s p o r t a t i o nc o l l e g e ，s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j i a n g s un a n j i n g2 1 0 0 9 6 ，c h i n a ) a tp r e s e n t ，t h es t r u c t u r a le a r l yf a i l u r ep h e n o m e n o nh a so c c u r r e di nm a n yh i g h w a yo fo u rc o u n t r y u n d e rh e a v yl o a da n dh e a v yt r a f f i c ，a n dt h ed e s i g nc o n c e p to ft h ep e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tw a sp r o p o s e d a b r o a d ，w h i c hi n c r e a s e dt h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n tt om o r et h a n4 0o r5 0y e a r s i nt h i sp a p e r , s t r u c t u r a la n a l y s i sa n dm a t e r i a le x p e r i m e n t a lt e s ta g a i n s tt h ep e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tw i t hc o m p o s i t e b a s e ，w h o s es u b b a s ea r es e m i - r i g i dm a t e r i a l s ，t h eu p p e rb a s ea r ea s p h a l tt r e a t e dm a t e r i a l sa n dt h et r a n s i t i o n l a y e ri sah i g h - q u a l i t ya g g r e g a t ec r u s h e ds t o n e ，w e r ec a r r i e do u tt h r o u g ht h e i n t r o d u c t i o no ff o r e i g n p e r p e t u a ld e s i g nc o n c e p t f i r s t l y , t h ec o m p o s i t eb a s ea s p h a l tp a v e m e n tw a sp r o p o s e dt od e s i g nt h ep e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t a f t e rt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa m o n ga s p h a l tp a v e m e n t sw i t hs e m i - r i g i d b a s e ，f l e x i b l eb a s ea n dr i g i db a s e t h o u g hr e s e a r c ho nd e s i g ni n d e x e sa th o m ea n da b r o a d ，t h ed e s i g n i n d e x e so fp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tw i t hc o m p o s i t eb a s ew e r es u g g e s t e d ，i n c l u d i n gs u r f a c ed e f l e c t i o n ， f l e x u r a lt e n s i l es t r a i na tt h eb o r o mo ft h ea s p h a l tl a y e ra n dt e n s i l es t r e s sa tt h eb o a o mo ft h es e m i - r i g i d b a s e t h e nt h ed e s i g ns t a n d a r d sw e r es u g g e s t e do nt h eb a s i so fr e s e a r c hr e s u l t so fs o n l es i m i l a rt e s tr o a d s b u i l ti nc h i n a s e c o n d l y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h ep e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tu n d e rh e a v yl o a da n dh i g ht e m p e r a t u r e w a ss t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d i tw a sc o n c l u d e dt h a tc o m p o s i t eb a s ew a sf a rl e s ss e n s i t i v et o h e a v yl o a dt h a nt h es e m i r i g i db a s e ，a n dt h et e m p e r a t u r ec o n d i t i o no fs e m i - r i g i dl a y e ri nt h ec o m p o s i t e b a s ew a sg r e a t l yi m p r o v e d t h i r d l y , k e yf a c t o r so fm e c h a n i c a li n d e x e sw e r ec o n f i r m e dt h r o u g ho r t h o g o n a ls e n s i t i v i t ya n a l y s i so f t h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rs t u d y , m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h et h r e ed e s i g ni n d e x e s w a sd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a ti n c r e a s i n gt h er e s i l i e n tm o d u l u so ft h es u b g r a d ec a ng r e a t l yd e c r e a s et h e s u r f a c ed e f l e c t i o n ，a n dt h er e s i l i e n tm o d u l u so ft h es u b g r a d es h o u l db em o r et h a n4 0 m p a t h et h i c k n e s so f a s p h a l tl a y e rr e d u c e sb ylc mw h i l et h er e s i l i e n tm o d u l u s o ft h ea t bu p p e rb a s ei n c r e a s e sb y2 0 0 m p a ，a n d t h e nat y p i c a ls t r u c t u r eo fp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tw i t hc o m p o s i t eb a s ew a sp u tf o r w a r d f i n a l l y , m a t e r i a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c et e s tf o rt h ea t bu p p e rb a s ei nt h ec o m p o s i t eb a s ew e r e s t u d i e d t h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c et e s tr e s u l t ss h o wt h a th i g hm o d u l u sa t bh a sag o o dp e r f o r m a n c eo f h i g h - t e m p e r a t u r es t a b i l i t y , w a t e rs t a b i l i t y a n d f a t i g u ep e r f o r m a n c e ，e x c e p t f o r s l i g h t l y p o o r l o w t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：c o m p o s i t eb a s e ，p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t , d e s i g ni n d e x ，d e s i g ns t a n d a r d , o r t h o g o n a l a n a l y s i s ，h a r da s p h a l t , d y n a m i cm o d u l u s ，f a t i g u ep e r f o r m a n c e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：日期：塑：兰， 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生躲煞选翩躲仫地期：色_ ：兰 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 随着经济的快速发展，我国的公路建设取得了可喜的成绩，长期存在的运输能力紧张状况得到 明显改善，其中高速公路到2 0 0 6 年底已达到4 6 万公里，到2 0 l o 年，我国的高速公路通车里程预计达 到5 5 5 万公里【l 】，在已通车公路里程中，沥青混凝土路面的里程数占到总数量的7 5 以上。我国高 速公路路面结构普遍以半刚性材料作为基层，以弹性层状体系理论为设计理论，以路表弯沉作为主 要验收指标。这在当时的社会经济条件和轻交通条件下，发挥了极其重要的作用，但是随着我国物 流技术和市场经济的进一步完善，运输企业更注重效益的最大化，使得我国重载、超载现象非常严 重。王选仓等口1 曾于1 9 9 2 - , - , 1 9 9 6 年对河南几条干线公路调查发现，单轴超过1 0 t 的车辆超过2 4 3 4 ， 甚至超过2 0 t 的车辆也有1 ：双轴超过2 0 t 的车辆约为8 8 5 1 。超载比例更大，其中最大双轴重超过 5 0 t 超载率超过1 7 0 。由于车辆的普遍超载和重载化，所修建路面的过早损坏也越来越明显，许多地 区的路面达不到设计使用年限，在使用初期即出现车辙、坑槽、开裂、沉陷等破坏，使路面使用寿 命大大缩短，路面使用性能迅速衰减，给社会及运输部门造成了巨大的经济损失。 重载和超载固然是我国道路结构早期损害的重要影响因素，但是以半刚性材料作为基层的路面 结构有本身致命的缺点口j 。半刚性基层在荷载和环境因素的作用下，容易产生疲劳开裂，也就是所 谓的“反射裂缝”。研究者对反射裂缝作了深入研究，并采用了土工布、塑料格栅等止裂材料1 4 - 羽， 但是所作的措施都是在不改变路面整体结构的前提下做出的努力，所以并不能从根本上解决问题。 目前，我国许多沥青路面的路面结构在超载车辆作用及施工质量等各种因素的影响下，提前达 到了使用寿命。现在许多高速公路已经开始进入大修养护和加宽改造的阶段，而路面的损坏是结构 性破坏，无法通过沥青面层的维修得到解决，所以大修作业往往成为“开膛破肚”式的，这是我国 公路建设目前面临的一个大难题。 相比之下，国外高速公路的设计寿命越来越长，在全厚式沥青路面和深层高强度沥青路面结构 的基础上，美国沥青路面联合会( a p a ) 基于全寿命费用分析又提出了长寿命路面的设计理念。这 种理念的核心思想就是通过采用较厚的沥青层降低传统的沥青层底的疲劳开裂和避免结构性车辙， 把路面结构的损害控制在表面层，通过不定期更换表面层使整个沥青路面结构能够使用4 0 年5 0 年 以上例。现在美国各州都在进行长寿命路面的研究及应用，如加利福尼亚州、伊利诺斯州、密歇根 州、德克萨斯州、肯塔基州、俄亥俄州、弗吉尼亚州。美国通过对6 0 年代以来修建的大量全厚式路 面和深层高强度沥青路面调查，发现大部分路面表现了很好的性能，基本上符合长寿命路面的设计 要求，说明长寿命路面的设计目标可以实现。英国、法国等欧洲发达国家的道路工作者也对长寿命 沥青路面进行了定的研究和实践。 长期以来，我国沥青路面的设计思想是“强基薄面”，过分强调基层的作用，而把沥青面层仅 作为功能层考虑，而长寿命路面设计思想的提出引发了我国道路设计者的思考，基于我国现有的经 济条件及应用半刚性基层路面结构所积累的经验，不能完全摒弃半刚性基层路面结构，如何结合我 国的实际交通状况和经济条件，汲取半刚性路面结构的经验和教训，运用国外的长寿命沥青路面设 计理念，提出一种符合我国国情的长寿命路面结构，促进我国道路事业的可持续快速发展，将是一 件非常有意义的工作。本课题基于这一点考虑，采用国外长寿命路面的设计理念，提出复合式基层 长寿命沥青路面结构，这种结构仍然采用半刚性材料作为路面结构的底基层，沥青稳定类材料作为 上基层，优质级配碎石作为过渡层。该结构充分利用半刚性材料具有较高强度和承载能力的优点， 可以减小沥青层的厚度，大大节约初期投资：同时，优质级配碎石层的设置可以起到半刚性层反射 裂缝缓裂和止裂的作用。 东南大学硕士学位论文 1 2 国内外长寿命路面结构研究现状 1 2 1 国外研究现状 ( 一) 长寿命沥青路面的概念 2 0 世纪末以来，长寿命路面成为世界各国沥青路面最为热门的研究内容，美国、欧洲、加拿大、 澳大利亚、南非都在广泛研究【1 0 1 。在1 9 9 6 年e a p a ( 欧洲沥青路面协会) 国际会议，1 9 9 7 年、2 0 0 2 年i s a p ( 世界沥青团体) 第八、九届国际会议中，长寿命沥青路面一直是会议的一个重要议题【1 1 1 。 2 0 0 4 年6 月i s a p 组织了长寿命沥青路面研讨会，会议主要介绍美国、欧洲、加拿大长寿命路面的使用 经验。 美国沥青路面联盟a p a 首先提出了永久性路面( p e r p e t u a lp a v e m e n t ) 的概念，永久性路面又称 长寿命路面，其设计思想是保证路面足够的厚度，把病害限制在路面表层，通过定期的表面修复， 防止表面病害影响路面结构稳定，保证路面在5 0 年以上的设计年限内不发生结构性的疲劳破坏。长 寿命路面是在道路荷载和交通量不断增加、路面损伤严重的情况下提出的。长寿命路面并不是一直 不损坏，而是指路面的损坏仅发生在路面的上层，维修时不需要进行结构性的处理，只需将表层混 合料铣刨、加铺等厚度的新拌混合料，维修十分方便、快捷，且能使用再生沥青混合料，经济有效。 国外典型的长寿命沥青路面结构特点如图1 1 所示。 、) 遗 高质量i - i m a 或o g f ( 3 ，4 0 翱吼- 表矗 1 高模量抗车辙材料1 0 0 二3 7 翱吼- 联当 最大拉应变j 高柔性抗疲劳材料7 5 ：l 碱h m a 一 - 。 路面基础j 图1 1国外长寿命沥青路面结构示意图 国外长寿命沥青路面结构的主要特点如下： ( 1 ) 轮载下1 0 0 - 1 5 0 m m 区域是高压应力区域，也是各种损坏( 主要是轮辙) 的发生区域。 ( 2 ) 表面层为4 0 7 5 m m 高质量l i m a 为车辆提供良好的行驶界面，应具有足够的表面构造深 度、抗车辙、水稳定性好。 ( 3 ) 联结层为1 0 0 1 7 5 r a m 高模量抗车辙沥青混凝土，起连接和扩散荷载的作用，应具有高模 量( 刚度) 、抗车辙。 ( 4 ) 最大拉应变产生在h m a 基层底部，该区域是易发生疲劳破坏。 ( 5 ) h m a 基层为7 5 1 0 0 m m 高柔性抗疲劳沥青混凝土，起消除疲劳破坏的作用，应具备高柔 性、抗疲劳、水稳定性好。 ( 6 ) 路面基础( f o u n d a t i o n ) 不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面，而且对于路面的变形、抗 冻都是至关重要的。 ( 二) 长寿命沥青路面的力学设计基础及设计方法 英国在2 0 世纪5 0 年代初期修筑了多条设计寿命为2 0 年的实验路，在此基础上p o w e l l 等人提出了 早期的沥青路面设计方法，p o w e l l 等人主张道路在使用2 0 年以后通过对原路面的补强来实现4 0 年以 上的使用寿命，并通过周期寿命费用分析认为重交通道路设计年限4 0 年以上时更加经济。英国公路 部门通过对多条道路的路面车辙、基层疲劳性能、表面开裂等因素的调查，得出了长寿命路面设计 的一些初步规律。他们认为： 2 第一章绪论 ( 1 ) 基层所受拉应变的降低对疲劳寿命提高影响极大； ( 2 ) 沥青层底的弯拉应变存在一个强度临界值，在此值以上的道路有可能获得4 0 年以上的使用 寿命； ( 3 ) 长寿命路面的沥青层厚度不宜小于2 0 c m ，同时，当交通量超过一定轴次时继续增加沥青 层厚度对增加沥青路面寿命没有意义； ( 4 ) 对于厚沥青层沥青路面，路面损伤与荷载4 次方换算关系不再适合。 根据英 蚕n u n n t l 2 】和他的同事q 1 9 9 7 年发现对于厚沥青层沥青路面，当沥青层超过一定厚度时， 施工质量良好的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。在此基础上他们建立了厚度 设计图，当标准轴次超过8 0 万次后，沥青层厚度无须增加。这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是 疲劳极限( f a t i g u el i m i t ) 。疲劳极限的适用性成为确定沥青层厚度的一个关键问题，这是永久性路 面设计理念的重要理论依据。 针对沥青混合料存在疲劳极限理论，有些单位进行了试验研究，比如俄亥俄州运输部对沥青混 合料疲劳极限采用四点弯曲试验进行了论证，并得到了一些重要的结论： ( 1 ) 应变低于1 0 0 肛时可以获得疲劳寿命，证明存在疲劳极限： ( 2 ) 应变低于1 0 0 惦时没有必要设置疲劳层，采用改性沥青或提高沥青质量可以显著提高抗裂性 能； ( 3 ) 永久性路面的结构性能与交通水平没有关系。 日本研究人员西泽 1 3 1 等1 9 9 7 年也提出沥青混合料存在疲劳极限，认为由于沥青混合料具有自愈 能力( h e a l i n g ) ，因此当其应变水平低于2 0 ( 0 不会产生疲劳开裂。 对于保证路面不出现结构性损坏的控制标准，m o n i s m i t h 和l o n g 1 4 1 建议控制沥青混凝土层底的 弯拉应变不大于6 吮，土基顶面压应变不大于2 0 0 惦。他们认为这两个控制指标可以保证沥青混凝 土路面结构不再出现结构性损坏。m o n i s m i t h 于1 9 9 2 年在t r b 会议上完整地提出了这种设计方法： 材料、交通、环境以及服务性能相互影响共同决定了所需要的路面结构组合。整个设计流程如图1 2 所示。 i士 叫交通参数一环境因素一卜_ _ 叫土基状况 材料特性一 j lj r土 1 l i il l i安全系数一i7 l 厚度组合和材料特性试验一 输入+ j 损坏模型分析j l 疲劳一ii永久变形一l 低温缩裂一i ii i f 损坏i 标准一i 最大弯拉应变 0 厚度组合和材料组成设计一 图1 2基于力学的路面设计流程图 控制基层的疲劳开裂成为长寿命设计的关键，美国各州基于这点做了大量的研究工作1 习，基本 上可以概括为两点：采用改性沥青；增加沥青层的厚度以降低沥青层层底的弯拉应变。另外，在欧 3 东南大学硕士学位论文 洲如法国等采用高模量沥青混合料基层1 6 1 也取得了良好的功效。 为了能确保长寿命路面能够达到“长寿”的目标，需要对路面进行定期监测，以确保路面的各 类损坏控制在路面表层。美国各州通过调查发现，现有长寿命路面的损坏现象基本控制在表层，但 是出现了一个共同的现象：表面裂缝损坏严重。这在长寿命设计理论中没有考虑到，国外学者对此 进行了大量的调查分析，并且得到了一些结论1 卜2 0 ，为完善长寿命路面设计理论提供了基础。 1 2 2 国内研究现状 我国对长寿命路面结构的研究起步较晚，交通部公路科研所对国外长寿命路面设计方法资料进 行了比较系统的翻译和总结，江苏交通科学研究院也进行了资料的整理，并邀请国外专家进行过专 门的讲授。 赵晓晴t 3 0 总结了三种可实现长寿命目标的路面结构形式：连续配筋水泥混凝土路面结构、钢纤 维水泥混凝土路面结构和复合式路面结构。重点对p c c a c 的复合式路面结构做了深入研究，并对该 结构进行了寿命预估。张阳【3 l 】对水泥稳定粒料类半刚性材料引用0 3 5 的应力强度比来控制其疲劳破 坏，分别计算了传统的半刚性路面结构和含柔性上基层的混合式基层路面结构在不同轴载作用及不 同沥青层厚度时半刚性层底的拉应力，发现两者之间存在交点，说明混合式半刚性结构用于长寿命 路面是可行的，并且具有明显的优点和应用前景。李峰【3 2 】对长寿命路面结构做了三维有限元受力分 析，得出路面面层厚度和基层模量变化时的力学指标的响应变化规律，为设计长寿命沥青路面提供 了理论依据。最后结合科研项目一广云长寿命沥青路面试验路做了相关结构、材料试验研究。王选 仓 3 3 】主持的高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究首次对长寿命路面结构的关键技术和材 料组成等进行了系统深入的研究，提出了“沥青混凝土表层+ 改性沥青应力吸收层+ 水泥混凝土面 层+ 防水联结层”的长寿命路面结构型式，并成功地应用于6 4 2 6 2 公里的许尉高速公路实体工程。 在实践方面，江苏省高速公路建设指挥部在沪宁高速公路改建试验段上铺筑了国内第一条不同 路面结构的长寿命路面试验路，具体路面结构如表1 1 所示。 表1 1沪宁高速公路长寿命路面试验路 结构类型结构方案 面层 4 c m s m a l 3 + 8 c m s u p l 9 + 1 5 c m s u p 2 5 基层l c m 稀浆封层+ 3 6 c m 水泥稳定碎石 半刚性基层 底基层1 5 c m 二灰土 路基土基 面层 4 c m s m a l 3 + 8 c m s u p 2 0 + 1 c m s b s 防水粘结层 基层2 6 c m 连续配筋水泥混凝土+ 2 0 c m 水稳碎石 刚性基层 底基层 19 5 c m 二灰土+ o 5 c m 下封层 路基 土基e p s 路基 面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h m a 基层2 7 c m 沥青碎石 全厚式沥青路面 底基层4 0 c m 石灰土 路基 土基 面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h m a 沥青稳定碎基层结构基层2 5 c m 沥青碎石+ 2 0 c m 级配碎石 ( 下卧石灰土) 底基层 2 2 c m 石灰土 路基土基 4 第一章绪论 结构类型结构方案 面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h m a 沥青碎石基层结构 基层1 6 c m 沥青碎石+ 2 0 c m 级配碎石 ( 下卧水稳碎石) 底基层3 1 c m 水泥稳定碎石 路基e p s 路基 该试验段采用半刚性基层、刚性基层和柔性基层三种基层路面结构，沥青层的厚度最小为2 7 c m ( 刚性基层面层厚度1 2 c m 除外) ，沥青路面材料类型、结构组合方式、结构层厚度有很大差异，是 对几种典型的可实现长寿命目标的路面结构的一次现场实践，具体使用效果还有待以后长期观测。 山东省在滨大高速公路设计时聘用美国专家进行了“耐久性沥青路面设计与施工的研究”，采用 不同的设计方法和应变控制量，结果表明沥青层的厚度差异性较大，如表1 2 所示。另外在路面基层 处埋置了应变计，对沥青层底的弯拉应变进行了现场实测。 表1 2美国专家为山东省设计的长寿命路面各层层厚汇总表( 锄) 土基的回弹模量 各层混合料 3 5 n 口a8 5 n 中a 设计方法或永久性 耐久性永久性耐久性 a a s h t o a a s h t o 控制应变量 7 0 u 1 0 0 u 7 0 u 1 0 0 u s m a1 x 51 x 51 x 5l x 51 x 51 x 5 a c 2 0 ( s u p e r p a v e 设计) 1 52 71 x 81 x 81 x 81 x 6 a c 2 5 ( s u p e r p a v e 设计) 2 x 1 02 91 1 01 x 1 02 x 91 x 8 排水层 1 1 41 1 41 1 41 1 01 1 01 x 1 0 疲劳层 1 1 01 1 01 1 01 x 1 0l x l 01 x 1 0 合计5 46 1 4 7 4 35 3 3 9 另外，广东、湖南、湖北、北京等省市也相继开展了长寿命沥青路面结构的研究，但路面结构 厚度的确定要么采用国外的方法，要么参考国内的经验，根据交通实际凭经验确定，还没有形成系 统的设计方法。 1 2 3 存在的主要问题 纵观国外的长寿命路面结构，基本上都是全厚式的，这种路面结构初期投资巨大，而且我国在 柔性基层的设计施工方面积累的经验不多，全盘接受国外的设计模式，而不综合考虑我国的国情， 不见得能彻底解决实际问题。 长寿命路面设计方法是一种先进的设计理念，我国的道路学者已开始着手研究长寿命路面结构， 总的来说，我们还处于对长寿命路面设计理念的引进和消化阶段。研究还存在不少问题：何种路面 结构能实现长寿命的目标没有达成共识；原有的半刚性材料路面结构能否实现长寿命；长寿命沥青 路面的设计指标和设计标准与半刚性基层沥青路面相比有何不同；路面结构组合及各层材料参数的 优化，如模量的相互匹配，各层厚度的设置等；不同类型半刚性基层材料的疲劳极限以及不同级配、 不同沥青品种的沥青稳定基层材料的疲劳极限的确定等。 5 东南大学硕士学位论文 1 3 本文主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 研究符合我国国情的长寿命沥青路面设计的基层型式； 研究复合式基层长寿命沥青路面结构的力学设计指标和设计标准： 对影响复合式基层长寿命沥青路面结构使用性能的因素进行正交敏感性分析，找出影响性 能的关键冈素，再就备关键冈素对力学设计指标的影响进行力学分析； 对复合式基层沥青路面高模量沥青稳定碎石上基层进行混合料设计以及路用性能试验研 究。 1 3 2 关键技术路线 依据上述研究内容，本文的关键技术路线( 见图1 - 3 ) 按下列步骤进行： 归纳总结半刚性基层、柔性基层和刚性基层沥青路面的性能特点，发现复合式基层可作为 我国长寿命沥青路面设计的路面基层结构。 调杏分析普通沥青路面以及国外长寿命沥青路面常见的破坏模式，选用合适的力学指标表 征复合式基层长寿命沥青路面的性能损伤( 车辙、柔性基层开裂、半刚性底基层开裂) 。借 鉴国内外相关参数研究成果，通过参数修正，提出复合式基层长寿命沥青路面结构设计指 标的设计标准。 选用半刚性基层和柔性基层沥青路面结构作为对比，运用s h e l l 公司的沥青路面设计软件 b i s a r 和通用有限元软件a d i n a 分析重载和高温对复合式基层沥青路面使用性能造成的影 响。 制定合理的正交试验分析表格，变化各结构层的材料和几何参数，对各力学控制指标的影 响因素作正交分析，得到各设计参数影响因素的敏感性排序；然后基于关键冈素对各设计 指标进行力学仿真分析，给出路面结构优化组合和材料设计的初步建议。 采用高模量沥青稳定碎石作为复合式基层长寿命沥青路面结构的上基层。通过应用国产硬 质沥青a h 3 0 、普通重交通沥青a h 7 0 和s b s 改性沥青三种不同的沥青胶结料设计沥青稳定 碎石混合料。 对三种沥青稳定碎石混合料进行高温稳定性、水稳定性、低温性能和疲劳性能试验研究， 综合评价目前我国高模量硬质沥青稳定碎石的优缺点。其中重点对高模量沥青稳定碎石的 疲劳性能进行试验研究，具体方法如f ：先选取不同的应变水平对沥青稳定碎石混合料进 行疲劳试验，然后在相同的应变水平控制模式下，对比三种沥青稳定碎石混合料的疲劳性 能；同时进行低应变水平1 0 0 # e 作用下高模量沥青稳定碎石的疲劳试验，通过对疲劳试验曲 线的数值拟合，证明高模量沥青稳定碎石混合料在低应变水平下存在着疲劳极限。 6 第一章绪论 图l - 3本文的关键技术路线 参考文献 【l 】国家高速公路网规戈l j r 】，交通部规划研究院2 0 0 4 ，9 【2 】王选仓，王新歧，李春平重载水泥混凝土路面研究【j 】中国公路学报，1 9 9 9 ( 1 ) ：1 4 2 0 【3 】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，1 9 9 9 【4 】沙庆林高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 m 】北京：人民交通出版社，2 0 0 1 【5 】蒋应军水泥稳定碎石基层收缩裂缝防治研究 d 】：【硕士学位论文】西安：长安大学，2 0 0 1 6 】张争奇，胡同康，张登良塑料格栅沥青路面路用性能的研究【j 】西安公路交通大学学报，1 9 9 9 ( 3 ) ：l o 1 3 【7 】 熊有言使用土工合成材料防止基层反射裂缝 j 】国外公路，1 9 9 9 ，1 9 ( 2 ) ：4 5 4 7 【8 】史保华，蔡良才，王声，焦明声，曲崇东a p p 改性油毡作为沥青道面防裂层铺贴宽度与防裂 效果试验研究 j 】中国公路学报，2 0 0 3 ( 2 ) ：5 - 9 9 】a s p h a l tp a v e m e n ta l l i a n c e p e r p e t u a lp a v e m e n t - - s t r u c t u r e df o rt h ef u t u r e 2 0 01 【1 0 】a s p h a l tp a v e m e n ta l l i a n c e p e r p e t u a lp a v e m e n t sas y n t h e s i s a s p h a l tp a v e m e n ta l l i a n c eo r d e r n u m b e ra p a1 0 1i 0 2 ，2 0 0 2 【l l 】i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo fi s a p0 na s p h a l tp a v e m e n t s n o r d i cr o a d & t r a n s p o r tr e s e a r c h ，2 0 0 2 12 】m i c h a e ln u n n ，b r i a nw f e r n e d e s i g na n da s s e s s m e n to fl o n g - l i f ef l e x i b l ep a v e m e n t s p e r p e t u a l b i t u m i n o u sp a v e m e n t sc i r c u l a ro f t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c h 2 0 0 1 ，1 0 【13 】t n i s h i z a w a ，e ta 1 f a t i g u ea n a l y s i so fa s p h a l tp a v e m e n t sw i t ht h i c ka s p h a l tm i x t u r el a y e r i s a p 8 t hc o n f e r e n c e s 19 9 7 ，8 【1 4 m o n i s m i t h ，c l a n de l o n g ，o v e r l a yd e s i g nf o rc r a c k e da n ds e a t e dp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t e ( p c c ) p a v e m e n t - - i n t e r s t a t er o u t e7 1 0 t e c h n i c a lm e m o r a n d u mt mu c bp r c9 9 3 ，p a v e m e n tr e s e a r c h c e n t e r , i n s t i t u t ef o rt r a n s p o r t a t i o ns t u d i e s ，u n i v e r s i t yo fc a l i f o r n i a ，b e r k e l e y , 1 9 9 9 1 5 】沈金安，国外沥青路面设计方法总汇 m 】北京：人民交通社出版社2 0 0 4 3 0 4 3 0 5 f16 j e a n - f r a n c o i sc o r t 毫d e v e l o p m e n t a n du s e so fh a r d - g r a d ea s p h a ha n do fa s p h a l t h i g h m o d u l u sm i x e si nf r a n c e t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hc i r c u l a r c n u m b e r5 0 3 d e c e m b e r2 0 0 1 17 g i l b e r ty b a l a d i ，m i c h a e ls c h o r s c h ，t u n w i ns v a s d i s a n t d e t e r m i n i n g 山ec a u s e so ft o p - d o w nc r a c k s 7 东南大学硕士学位论文 i nb i t u m i n o u sp a v e m e n t s i r 】m d o t - p r c e - m s u - 2 0 0 3 - 11 0 ，2 0 0 3 【18 】m y e r s ，l r r o q u e t o p - d o w nc r a c kp r o p a g a t i o ni nb i t u m i n o u sp a v e m e n t sa n di m p l i c a t i o n sf o r p a v e m e n tm a n a g e m e n t j 】p r o c e e d i n g so ft h ea s s o c i a t i o no fa s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t s ， 2 0 0 2 ，7 1 ：6 5 1 - 6 7 0 【19 】d o n n h a r m e l i n e x t e n to ft o p d o w nc r a c k i n gi nc o l o r a d o r c d o t - d t d r 一2 0 0 3 - 7 ，2 0 0 3 【2 0 】m y e r sl a r e y n a l d or o q u e e v a l u a t i o no ft o pd o w nc r a c k i n gi nt h i c ka s p h a l tp a v e m e n t sa n dt h e i m p l i c a t i o n s f o rp a v e m e n td e s i g n a t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c h c i r c u l a r w a s h i n g t o n d c t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r dn a t i o n a lr e s e a r c hc e n t e r , 2 0 0 1 【2 l 】姚祖康沥青路面设计指标的探讨【a 】中国公路学会2 0 0 5 年学术年会论文集( 上) c 】，2 0 0 5 【2 2 】沈金安引进国外成熟技术实现公路交通新的跨越式发展【a 】第二届全国公路科技创新高层论 坛论文集( 下卷) 【c 】，2 0 0 4 【2 3 】孟书涛沥青路面早期损坏与结构设计的关系【a 】第五届全国路面材料及新技术研讨会论文集 【c 】，2 0 0 4 【2 4 】张肖宁沥青路面技术研究的思考与探索【a 】2 0 0 4 年道路工程学术交流会论文集【c 】，2 0 0 4 【2 5 】吕伟民，王锡通，郑录化国外沥青稳定柔性基层的材料与结构【j 】中外公路，2 0 0 4 0 6 ) 8 3 - 8 6 【2 6 】葛折圣，黄晓明沥青稳定碎石基层混合料矿料级配的优化【j 】中国公路学报，2 0 0 2 ( 0 4 ) ：年6 【2 7 】任瑞波，钟岱辉，邵长兰，安忠义，王哲人具有柔性基层的半刚性沥青路面的理论计算【j 】山 东大学学报( 工学版) ，2 0 0 3 ( 0 6 ) ：6 8 5 6 9 0 【2 8 】李长江，王哲人柔性基层与半刚性基层优化组合的关键技术【j 】公路，2 0 0 4 ( 0 8 ) ：6 4 - 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