（材料学专业论文）长寿命沥青路面合理结构研究.pdf

摘要 随着交通事业的发展，我国沥青路面在设计理论及修筑技术方面取得了长足的进 步，但由于沥青路面结构设计理论不完善、原材料及施工控制等问题导致的路面早期损 坏严重、使用寿命短的问题日益突出。借鉴国外长寿命沥青路面设计理念，并结合我国 的实际情况，开展长寿命路面合理结构研究具有重要的理论意义及使用价值。 本文从调查研究入手，总结分析了国内外沥青路面的结构特点和使用状况，从结构 方面深入探讨了我国沥青路面存在的问题以及长寿命沥青路面的优势。通过对长寿命沥 青路面结构设计因素，即交通参素、环境因素、土基状况、材料模量的研究，提出了长 寿命沥青路面的设计流程。在此基础上，根据柔性基层与半刚性基层路面结构的特点， 结合长寿命路面的要求，提出了对应的结构组合原则。为了深入研究长寿命沥青路面结 构层的合理厚度，本文应用计算软件b i s a 3 0 分别就柔性基层与半刚性基层沥青路面的 结构层厚度对长寿命路面关键设计指标，即沥青层底弯拉应变、基顶压应变与面层剪切 力的影响进行了细致的计算与分析。通过对国内外六种典型的长寿命路面结构类型的计 算分析，推荐了三种适合于我国的长寿命沥青路面具体结构：半刚性基层长寿命路面结 构、复合式基层长寿命路面结构、倒装式长寿命路面结构，同时，分析了三种结构的特 点优势，为合理选用长寿命路面结构提供了依据。 关键词：长寿命沥青路面，设计指标，层底弯拉应变，基顶压应变，剪应力，典型结构， 合理厚度，半刚性基层，柔性基层，交通参数，倒装式结构 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o n ，w eh a sm a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s si n t h ed e s i g nt h e o r ya n dc o n s t r u c t u a lt e c h n i q u eo fa s p h a l tp a v e m e n t h o w e v e r , f o ri ti sn o t p e r f e c ti nt h ed e s i g nt h e o r yo fa s p h a l tp a v e m e n ta sw e l la st h ep r o b l e mi nr a wm a t e r i a la n d c o n s t r u c t i o nc o n t r o l ，t h ep r o b l e m eo fp r e m a t u r ef a i l u r ea n ds h o r t e rs e r v i c el i f eo fa s p h a l t p a v e m e n t si sd a yb yd a yp r o m i n e n t i t t h e r e f o r e ，u s i n gt h ed e s i g ni d e ao f p e r p e t u a la s p h a l t p a v e m e n t sa b o a r d ，c o m b i n gt h ec o n c r e t ec o n d i t i o no fo u rc o u n t r ya n ds t u d i n gp e r p e t u a l p a v e m e n t sh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ea n du s e i n gv a l u e t h ep a p e rb e g i n sw i t hi n v e s t i g a t i o n , a n a l y z e st h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a la s p h a l t p a v e m e n ts t r u c t u r e sa n du s eo fb a s e m e n t s ， r e s e a r c h e so nt h ee x i s t i n gp r o b l e m sa n dt h e i r c a u s e so fa s p h a l tp a v e m e n ti nc h i n aa n da d v a n t a g e so fp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n tf r o mt h e a s p e c to fs t r u c t u r e t h r o u g hs t u d yt h ed e s i g nf a c t o r so fa s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r e ，t h a ti s t r a f f i cp a r a m e t e r s ，e n v i r o n m e n t a lf a c t o r ，s o i lc o n d i t i o na n dm a t e r i a lm o d u l u s ，t h ea u t h o ra l s o p r o p o s et h ed e s i g np r o c e d u r e o f p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e m i r i g i db a s e m e n ta n df l e x i b l eb a s e m e n ta n dc o m b i n gt h er e q u i r e m e n t s o fp e r p e t u a lp a v e m e n t ，t h ep a p e r p u tf o r w a r dc o r r e s p o n d i n gs t r u c t u r ec o m b i n a t i o np r i n c i p l e f o rf u r t h e r l ys t u d yt h er e a s o n a b l et h i c k n e s so fp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ，t h ea u t h o r c a l c u l a t ea n da n a l y z et h ee f f e c to ff l e x i b l eb a s e m e n ta n ds e m i r i g i db a s e m e n to nt h e k e y i n d e xo fp e r p e t u a l a s p h a l tp a v e m e n t ，w h i c h i sn a m e dt e n s i l es t r a i no fa s p h a l tl a y e r b o t t o m ，v e r t i c a lc o m p r e s s i v es t r a i na n ds u r f a c es h e a rs t r e s s t h e n ，t h r o u g hc a l c u l a t ea n d a n a l y s i sd o m e s t i ca n df o r e i g ns i xt y p e so ft y p i c a lp e r p e t u a lp a v e m e n t ，t h r e ek i n d so fa s p h a l t p a v e m e n ts t r u c t u r e s w h i c hi ss u i t a b l ef o ro u rc o u n t r yh a sb e e nr e c o m m e n d e d ，t h a ti s p e r p e t u a lp a v e m e n ts t u c t u r eo fs e m i - r i g i db a s e m e n t ，p e r p e t u a lp a v e m e n t s t u c t u r eo f c o m p o u n db a s e m e n t ，p e r p e t u a lp a v e m e n ts t u c t u r eo fi n v e r t e db a s e m e n t a tt h em e a n w h i l e ， t h ea u t h o ra n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da d v a n t a g e so ft h et h r e ek i n do fs t u c t u r e s ，a n d p r o v i d ee v i d e n c ef o rr e a s o n a b l ys e l e c tp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t s t r u c t u r ea sw e l l k e yw o r d s ：p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ；i n d e xf o rd e s i g n ；t e n s i l es t r a i no fl a y e r b o t t o m ；v e r t i c a lc o m p r e s s i v es t r a i n ；s h e a rs t r e s s ；t y p i c a ls t r u c t u r e ；r e a s o n a b l et h i c k n e s s ； s e m i r i g i db a s e m e n t ；f l e x i b l eb a s e m e n t ；t r a f f i cp a r a m e t e r s ；i n v e r t e d s t r u c t u r e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 纭丢怨 九。辉j 。r 22 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 苏拍力衫年，月j 2 日 舶1 砌 长安人学硕 ：学位论文 1 1 问题的提出 第一章：绪论弟一早：珀下匕 改革开放以来的2 0 年，中国公路建设的成绩有目共睹，2 0 0 6 年近4 6 万公里，居 世界第二位。根据交通部最新公布的国家高速公路网规划，从2 0 0 5 年起到2 0 3 0 年， 国家将斥资两万亿，新建5 1 万公路高速公路，使得中国高速公路里程达到8 5 万公里。 然而已修建的沥青路面存在很多技术性问题。例如车辙、低温缩裂、疲劳开裂、反 射裂缝等，这些都损坏都影响着沥青路面的使用年限。这些问题的出现主要有三个方面 的原因，一是路面结构设计的不合理，承载能力不强，耐久性不足，难以到达预期的使 用寿命；二是材料来源的随机性，在局部范围内导致结构损坏，三是荷载与环境因素的 影响。在这三个因素中尤其以结构设计的不合理最为突出。 在我国已建成的高速公路中，其路面结构有很大的差别。一方面结构形式单一，主 要以半刚性基层路面为主，另一方面，路面结构的设计不科学。例如：沥青路面的总厚 度最薄的不足5 0 a m ，最厚的可达1l o a m 。在结构组合和厚度上的这些显著差异，既反应 了我国高等级公路的路面设计经验还欠成熟，也反应了路面设计人员的随意性和一定程 度的盲目性。其结果是，一些路面设计过分保守，造成较大材料和资金的浪费；另一些 路面设计又偏于不安全，由于结构设计的不合理，厚度的不足而产生早期破坏，也造成 了较大的经济损失。 因此，根据现实的情况为今后我国高速公路的发展设计出合适的沥青路面结构，以 极大的延长路面的使用寿命，节约寿命周期成本，减少因维修而导致交通阻塞的时间， 显的极为紧迫。国外长寿命路面的设计刚好给了新的启发。 国外新兴的长寿命沥青路面，它的使用寿命可以达到4 0 年，甚至5 0 年，在使用期 内只需要周期性的更换沥青层就可以了。与国外厚沥青基层长寿命沥青路面相比，我国 使用较薄沥青层的半刚性基层沥青路面存在一定的劣势。一是薄沥青层无法防止各种途 径的水进入，又不能迅速地排水，尤其是在严重的超限超载车辆通行路段，超载和水的 共同作用使沥青路面在短时间内发生较严重的破坏，且导致基层的损坏。二是薄沥青层 会使得半刚性基层承受更大的弯拉应力。这两个方面将导致半刚性基层出现开裂，进而 引发反射裂缝，进行路面维修时不得不开挖基层，损失巨大。 第一章：绪论 然而我们并不能完全的去照搬国外这种长寿命路面设计的模式，从初期投资来说， 这种沥青层厚达4 0 ，5 0 a m 的路面结构费用巨大，很难接受；从施工方面来说，我国的 施工工艺水平还和发达国家有一定差距；从荷载角度来考虑，国外的这种长寿命路面的 设计荷载是8 0 k n ，而我国的设计荷载是1 0 0 k n ，而且超载严重，经过初步计算，要使我 国沥青路面像国外一样实现长寿命，沥青层厚度应该在5 0 a m 与6 0 c m 之间，这更加难以 被国内相关单位接受。因此，必须结合国内的交通及环境实际状况，借鉴学习国外长寿 命路面设计的理念，通过系统的理论及实体工程研究，才能推出适合国情的长寿命路面 结构。 1 2 国内外沥青路面结构研究现状 在沥青路面结构发展的过程中，沥青路面结构的发展总是对应于结构设计方法的发 展，新的设计方法决定了新型沥青路面结构。各国根据自己对沥青路面结构行为的认识 与经济发展水平制定出相应的设计方法。因此在研究合理结构的同时应对国外内的结构 设计方法有所认识，以吸取国外的合理研究成果来弥补国内认识的不足。 1 2 1 国内结构设计方法 最新的设计规范公路沥青路面设计规范j t gd 5 0 - - 2 0 0 6 ) ) 计算新建路面的结构设 计方法与以前方法一致，采用双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状连续体系理论进行计 算，路面荷载及计算点如图1 1 所示。 卜岫b 一s 一 j 斗叫 二：】 工口旦 h 1 e l h 2b c e 2 ：c： h n - 1 b 两d 图l - 1 路面荷载及计算点图示 高速、一级、二级公路的路面结构设计，应以路表面回弹弯沉值和沥青混凝土层 2 长安大学硕上学位论文 层底拉应力( 拉应变) 及半刚性材料层的层底拉应力为设计指标。三级、四级公路以路表 面设计弯沉值为设计指标。另外新规范提出，对重载交通路面有条件时检验沥青混合料 的抗剪切强度。 轮隙中心处( a 点) 路表计算弯沉值如小于或等于设计弯沉值乞，即： t s 乙 ( 1 1 ) 轮隙中心( c 点) 或单圆荷载中心处( b 点) 的层底拉应力盯。应小于或等于容许 拉应力仃。 即： 仃片 ( 1 2 ) 可以看出，我国沥青路面结构设计方法是以满足设计年限内、允许通过的预测交通 量要求的路面整体刚度为目标，以提高路面结构整体的承载能力为主要目的，兼顾考虑 结构的抗疲劳能力。 可是，从以往的实际应用来看，这样的设计方法与设计指标还存在一定问题。从设 计方法上来看，绝大部分沥青路面结构是在交通量远未达到设计年限交通量的情况下已 经早期破坏了，底基层疲劳破坏的设计指标没有起到作用。从设计指标来看，现行沥青 路面结构设计指标基本是以弯沉为主要设计指标，因为弯拉应力验算指标起不到控制作 用，现在许多高速公路刚完工时路面表面的弯沉非常小，可破坏依然很严重，有时候实 测弯沉值较大，但路面损坏程度反而不一定严重，这说明，弯沉指标与路面破坏的相关 性并不是很好。 1 2 2 国外结构设计方法 国外的设计方法的发展经历了一定历程，从1 9 0 1 年世界上第一个路面设计方法， 到1 9 4 2 年，通过十余年的路面调查，建立了土基c b r 与路面经验厚度的关系，提出的 c b r 设计方法，再到1 9 6 2 年a s s h o 设计方法，设计方法由简单的经验法逐渐向力学经 验法转变。发展到现阶段力学经验法以s h e l l 和a i 设计法为代表，s h e l l 与a 工都是以 弹性层状体系上圆形均布荷载下来分析结构内应力、应变。 总结目前世界上主要国家和有代表性的沥青路面结构设计规范和设计方法如表 】。 第一章：绪论 表1 1 各国沥青路面结构设计方法汇总 结构路面模型损坏模型环境路面材料 疲劳( 沥青、水泥稳定层)沥青混凝土、 s h e l l 多层弹性温度 车辙( 路基应变、沥青层)水泥稳定基层、粒料 美国 多层弹性 疲劳( 沥青层)温度沥青混凝土、 a i 车辙( 路基应变冻融乳化沥青基层、粒料 南非多层弹性 疲劳( 沥青、水泥稳定层) 断级配沥青混合料、沥青混 车辙( 路基应变、粒料层剪温度 n i t r r 或粘弹性凝土、水泥稳定粒料、粒料 切) 美国联疲劳( 沥青、水泥稳定层)沥青混凝土、水泥稳定粒料、 邦公路局 多层弹性温度 车辙( 路表p s i )粒料、硫化处治材料 英国诺疲劳( 沥青、水泥稳定层)热碾沥青层、 丁汉大学 多层弹性温度 车辙( 路基应变)沥青混凝土、粒料 法国疲劳( 沥青、水泥稳定层)沥青混凝土、沥青稳定基层、 l p c 多层弹性温度 车辙水泥稳定粒料、粒料 疲劳( 沥青、水泥稳定层) 沥青混凝七、 比利时 多层弹性 温度 车辙沥青稳定基层、粒料 从表1 1 中可以看出一下几点： ( 1 ) 各国沥青路面设计均采用多层弹性体系理论，损坏模式主要为疲劳和路面结构 的永久变形，路面设计中考虑的外部使用条件主要是交通荷载和温度，所采用的路面结 构建筑材料主要有四类，即沥青混凝土、沥青稳定材料、无机结合料稳定材料和粒料材 料。 ( 2 ) 在比较各国路面结构设计方法还可以发现，各国在沥青路面结构形式组合的应 用方面存在较大差异，表现在常用路面结构形式的不同。路面结构组合设计是沥青路面 结构设计的基础，路面结构组合设计要解决的问题首先是根据使用的路面建筑材料特点 进行组合设计，然后根据确定的路面结构组合形式确定路面结构的破坏模式，进而确定 路面结构设计指标。因此，路面结构组合设计是路面结构设计中必须重视和要解决的关 键问题。 ( 3 ) 国外很多国家经过应用研究，一般都选择采用了柔性基层沥青路面结构形式。 与柔性基层相比半刚性基层一般都采用水泥来稳定粒料，出现丌裂问题较严重，而且无 4 长安大学硕j j 学位论文 法解决。 1 2 3 国内外结构使用状况调查 1 、国外结构使用调查 国外的路面结构形式多样，一般根据本国的情况来设计，南非的沥青层最薄，一 种有种结构沥青层只有5 c m ( 5 c m 沥青混凝土+ 1 5 c m 级配碎石+ 3 0 _ - 4 0 c m 水泥稳定) ， 沥青层只其抗磨耗的作用。日本的沥青层相对比较薄，和我国现行的4 + 6 + 8 的路面结构 相似，美国的路面结构沥青层厚一般在4 0 c m 以上。下表中列举了国外部分高速公路的 路面结构。 表1 2 国外高速公路典型路面结构 国家面层类型及厚度基层类型与厚度 法国c s 8 1 0 c m 沥青混凝土3 7 c r n g b 沥青稳定粒料 c s 8 1 0 c r n 沥青混凝土1 7 c m g b 沥青稳定粒料+ 2 5 c m g c 3 水泥稳定 c s 3 1 4 5 1 6 c m 沥青混凝土3 8 c m g c 3 水泥稳定 英国面层一般不小于2 0 c m 日本4 + 6 c m 沥青混凝士8 - - 1 4 c m a t b + 2 5 c m 粒料基层 4 + 6 e m 沥青混凝土8 - - 1 4 c m a t b + 2 0 - 2 5 c m 水泥稳定 德国 4 + 8c m 沥青混凝土 1 8 c m a t b + 1 5 c r n 级配碎石， 一 半刚性材料统一1 5 c m 作为底基层 美国7 5 c m s m a + 7 5 c ma c2 0 c ma m + 5 c m a c 抗疲劳层+ 2 0 c m 石灰稳定土 5 c m s m a + 7 5 c ma c3 0 c ma m + 1 5 c m 级配碎石 南非5 c m 沥青混凝土 1 5 c m 级配碎石+ 3 0 _ 4 0 c m 水泥稳定 5 c m 沥青混凝土 18 c m a t b + 4 5 c m 水泥稳定 分析国外高速公路典型路面结构，发现有以下特点： ( 1 ) 很少采用半刚性材料作为路面基层，一般都由a t b a m + 级配碎石砂砾或着 a t b a m + 水泥砂砾水泥稳定碎石组成。沥青稳定碎石的厚度根据强度的要求变化范围 很大，1 0 cm 到3 0 c m 不等。级配碎石作为基层时，厚度2 5 c m 到4 0 c m 不等。而法国选 择半刚性基层沥青路面的原因有两点： 水硬性材料具有较高的强度，能够提供较高的路面承载力，有利于荷载分布和扩 散，能有效地降低路基土的垂直压应力和沥青层层底的弯拉应力。 第一章：绪论 半刚性基层沥青路面比较经济，采用水硬性结合料能够充分利用当地材料，对于 一定交通量与全厚式沥青路面相比，可以减薄沥青层的厚度，减少沥青用量。 ( 2 ) 国外半刚性基层的主要作用是加强路基，一般用在路基有问题的地方，并不是 像国内将其作为主要的承重层。在国外，沥青路面的承重层，不仅包括基层，更主要是 依靠沥青层。使用半刚性基层时，一般在其上铺筑级配碎石和沥青稳定碎石以防止和减 少由于反射裂缝的产生而对面层产生影响。这与我国的设计理念差异较大，我国的半刚 性基层主要起承重的功能。由于半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的敏感性， 一般轴载增加1 倍，对柔性基层的换算轴次是增大1 6 倍，但是对半刚性基层可能要变 为数十万次，加之半刚性基层损坏后没有愈合能力，无法进行修补。一旦基层破坏，除 了挖除重建，别无他法。 ( 3 ) 水泥稳定碎石基层上面经常设置级配碎石作为过渡层，以减少反射裂缝和利于 排水，成为倒装结构，这种结构有自己的优缺点。 优点：级配碎石设置于半刚性基层与沥青层之间有两个作用：首先是排水，经过沥 青层的水分在达到半刚性基层前先进入级配碎石层，它可以横向排走，不会损伤半刚性 基层表面，产生浮浆，其次是隔断半刚性基层收缩开裂引起的反射裂缝。 缺点：级配碎石相对于沥青层和半刚性基层强度稳定性各方面都比较弱，所以会使 路面成为”夹心饼干”，这种”倒装式结构”需要注意上面的沥青层厚度不能太薄，粒料层也 不能太厚，太厚会降低沥青面层在荷载下的弯曲半径，加速沥青面层的疲劳破坏但是同 时又必须有一定厚度以保证应力的扩散粒料基层必须采用高质量，良好级配，坚硬的碎 石，厚度应在1 0 1 5 c m 之间法国为1 2 c m ，澳大利亚为1 0 c m ，南非为1 5 c m 二灰土取代水 泥稳定碎石做下基层，降低了级配碎石软弱夹层的可能性。设置碎石过渡层会使使用寿 命降低，这种结构适用与交通量小的情况，在法国只用于交通量在t c 6 以下二灰土取代 水泥稳定碎石做下基层，也可能使得基础承载力不足。 2 、国内结构使用调查 我国的高等级沥青路面结构中，绝大多数为半刚性路面。随着研究的不断深入和经 济的快速发展，采用加厚沥青层的方式来改善和增强路面的使用性能，已收到良好的效 果，并得到各方面的认可。从表1 3 可以看出，从1 9 9 3 年的9 c m ，发展到2 0 0 7 年的1 8 c m 。 我国部分地区代表性沥青路面结构汇总如下表1 3 。 6 长安人学硕上学位论文 表l - 3 我国各地区典型高等级沥青路面结构 公路名称面层结构基层结构 4 c m a c 一1 6 i + 5 c m a c 一1 9 i 3 8 c m 水泥稳定碎石( 分两层摊铺) 新郑高速 6 c ma c 一2 5 i 2 0 c m 水泥石灰土 石太高速1 8 c m 二灰碎石+ 2 2 c m 二灰碎石 4 c ma c + 5 c m 粗粒式a c + 6 c ma m 2 0 0 0 2 0c m 石灰土 沈大高速5 c m 中粒式a c + 5 e m 粗粒式a c2 0 - - 2 5 c m 水泥砂砾 1 9 9 0+ 5 c m a m + 15 2 0 c m 砂砾或矿渣 深圳一汕头速 4 c m a k + 6 c m 中粒式a c 2 0 c r n 水泥石屑+ 3 2 c m 级配碎石 1 9 9 6+ 6 c m 中粒式a c 成绵高速 2 5 3 0 c m 二灰砂砾基层 6 c m 中粒式a c + 9 c m 粗粒式a c 1 9 9 7+ 2 0 , - - 2 8 c m 级配砂砾底基层 西三( 一级路)5 c m 中粒式a c + 7 c m 粗粒式a c2 6 c m 二灰稳定砂砾+ 2 0 c m 二灰土 青红高速 4 c m a c13 + 6 c m a c 2 0 + 8 c m a c 2 5 2 0 c m 水稳+ 2 0c m 二灰土 青黄高速2 0 c m 水泥稳定碎石。 4 c m 中粒式s a c + 5 c m 粗粒式a c 1 9 9 3 2 0 c m 水泥稳定碎石 青红高速2 0 0 74 c m a c13 + 6 c m a c 2 0 + 8 c m a c 2 52 0 c m 水稳+ 2 0c m 二灰七 通过调查和分析也可以发现，国内路面结构较为单一，而且主要以薄的沥青面层加 上半刚性基层为主。这种按照“强基薄面”原理设计的路面，通过这么多年的使用状况， 发现存在很多缺陷； ( 1 ) 半刚性基层的收缩开裂及由此引起的沥青路面的反射裂缝不同程度地存在。 裂缝的存在导致两种后果，首先是裂缝中进水，导致沥青面层和基层界面条件的变化， 使基层、底基层、路基的水分状况恶化，承载努力迅速下降，表面产生水力的冲刷，出 现灰浆，并形成裂缝处唧浆、坑槽；第二是车轮从裂缝的一侧经过达到裂缝的另一侧时， 荷载变化不再连续，使路面裂缝两侧发生大的应力突变，还形成很大的上下剪切和表面 受拉。 ( 2 ) 半刚性基层有很好的整体性能，但是在使用过程中，半刚性基层材料的强度、 模量会由于干湿和冻融循环，在反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减。这种结构对水的 影响敏感，在长期浸水的情况下，板体结构也会逐渐破坏。而一旦沥青路面开始出现破 坏，随着水的进入，弯沉进一步迅速增大，并导致结构性破坏。 ( 3 ) 半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从沥青 第一章：绪论 面层进入，在半刚性基层和面层之间不能及时排走，改变了界面的边界条件，使路面的 受力状态变的非常不利，成为导致破坏的重要原因。所以都称“水”是损坏的“元凶”， 半刚性基层沥青路面的内部排水性能差是其致命的弱点。 ( 4 ) 当沥青面层较薄时，直接使用于沥青面层下的半刚性基层的强度不宜过高， 为了减少收缩，基层水泥用量不能太多，7 d 设计强度一般应在3 m p a 左右，而我国大 部分半刚性基层强度过高，铺筑前开裂问题严重。 1 3 研究内容 本研究基于改善目前国内路面结构类型单一、使用寿命较短的目的，从各种类型的 路面结构使用状况和破坏模式入手，借鉴国外设计的先进理念，并应用本课题长寿命路 面设计指标和设计方法，提出适合我国现状的长寿命路面结构。具体研究内容如下： 1 、查阅相关文献、搜索网上资源及实地考察，获取相关资料，总结分析国内外已 建路面结构所取得的成败经验。 2 、借鉴国外长寿命路面设计的先进理念，结合国内实际情况，通过对长寿命路面 的设计因素：环境、交通、材料模量、路基状况的研究分析，提出我国长寿命沥青路面 的设计框架与设计流程。 3 、分析长寿命路面各层位的功能，根据抗疲劳与防治反射裂缝的要求，提出特殊 功能层，在此基础上，总结提出半刚性基层与柔性基层长寿命路面的结构组合原则。 4 、在特殊功能层中，重点需要解决抗反射裂缝的方法与抗疲劳层的混合料类型和 疲劳极限。 5 、研究计算长寿命指标下半刚性路面结构、柔性路面结构的合理厚度。 6 、针对各种路面结构形式，以长寿命路面的设计思想，结合国内的实际情况，研 究分析其适用性。 7 、由前面的研究成果，结合邯郸地区自然地理条件与当地施工水平，推荐出合理 结构的方案。 1 4 技术路线 长寿命路面的合理结构研究过程比较复杂，既有国外路面设计的先进思想，又包含 长安大学硕士学位论文 了国内路面结构设计的合理成果；既应考虑经济因素的制约，又需要考虑技术性能的满 足；既有国内半刚性路面的再认识过程，又有其他路面结构形式的学习过程。因此需要 一定合理的研究流程来表达本文的思路。如图1 2 长寿命路面的合理结构的研究技术路 线所示： 图1 2 技术路线 新型结构的研究建立在国内外使用结构与长寿命路面设计理念的基础上，合理的 结构应包括结构组合与结构层厚度两方面的内容。以柔性结构和半刚性结构为基础研究 结构组合与厚度，然后对各类型的路面结构进行适用性分析，最后得出合理的长寿命路 面结构。 9 长安大学硕士学位论文 第二章：长寿命沥青路面界定与设计框架提出 长寿命沥青路面是指设计使用寿命大于4 0 年的沥青路面，起源于欧洲，其特点是 在较长的使用期内能够提供优质、稳定的运输服务，并且维修方便。长寿命沥青路面通 常采用较厚的沥青层，减少了传统的沥青层底面开裂，并避免了结构性车辙。由于其损 坏仅限于路面表层，因此只需要定期的表面铣刨、罩面修复就能够使路面在较长的使用 年限内不需要大型的结构性重建。长寿命路面结构的设计包括很多因素，比如交通参数、 材料性质、环境因素、土基状况等等，每个因素都与长寿命路面设计有着密切的联系。 2 1 长寿命沥青路面的界定 2 1 1 长寿命沥青路面的设计理念 1 、长寿命沥青路面设计理论基础疲劳极限 长寿命沥青路面结构设计方法与传统沥青路面结构设计方法截然不同，设计荷载的 输入参数不再是累计交通量，而是设计交通轴载，其设计的理论基础是沥青混合料疲 劳极限理论，所谓疲劳极限就是指沥青混合料存在一个弯拉应变临界点，当路面结构的 弯拉应变低于此值时，沥青混合料层底就不会产生疲劳损伤，这个拉应变临界点对应的 就是疲劳极限。m o ni s mi t h 和l o n g 建议控制沥青混凝土层底的弯拉应变6 0u 。 很多学者认为改性沥青混合料的疲劳极限可以提高到1 0 0ue 。日本研究人员西泽认为 沥青混合料的疲劳极限应小于2 0 0ue 。 图2 1 高沥青含量与低沥青含量疲劳寿命对比 整个沥青层结构中，沥青层底的弯拉应变最大。因此，路面在使用过程中，如果沥 青层底产生的弯拉应变小于疲劳极限，那么整个沥青路面结构就不会发生疲劳破坏。增 加路面结构疲劳寿命的方法有三种： 第二章* 寿命青路面界定。4 设计框架提m 第一种就是适当增加沥青的含量，如图2l 所示，高沥青含量混合料有助于抵抗更高 的弯拉虑变，从而获得更长的疲劳寿命。 南寸漠 姊a 碰i # 龌耋4 藏曹寿龠 2 l * 丽卉谜越 崩 图22 沥青层的厚度与疲劳极限的关系 第二种就是为路面结构设计一个适当的厚度，让底部的拉应变低于累积破坏可能发 生的程度如图22 所示。薄沥青混凝土层路面产生高拉应变，高拉应变导致较低的疲劳寿 命。厚沥青混凝土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，足够厚的沥青混凝土层将防止疲劳开裂的发生。 第i 种方法就是对沥青进行改性，改性沥青的疲劳极限一般可达到1 0 0 e 。 2 、长寿命沥青路面的设计寿命 表21 各国长寿命沥青路面结构设计年限 单位西费吉尼亚堪萨斯州俄亥俄h $ 盛顿 威斯赓星州狁他州加利福尼 年r 4 位科，拉多州伊利诺斯州夏威夷俄勒同州班z 年限 3 0 5 03 0 5 03 0 、5 单位德国英国法国南非 奉 加章太澳 利 年3 0 4 02 0 、4 0z 0 、03 0 4 0 美国沥青路而协会定义长寿命沥青路面的设计寿命为5 0 年并且在使用期内不发生 结构性破坏，只需要通过周期性的养护、维修就能保证道路的使用性能的沥青路面。各 长安大学硕士学位论文 国长寿命沥青路面结构设计年限如上表2 1 所示。 各国对长寿命路面的寿命期望从3 0 5 0 年不等。英国公路署、建设材料协会和沥青 协会希望长寿命路面的使用寿命能达n 5 0 年以上；美国沥青路面协会关于永久性路面的 定义为至少达n 3 5 年的设计寿命。而美国各州之间对于永久性路面的定义又有所不同， 各州期望的永久性路面的设计寿命在3 0 5 0 年之间变化；日本则定义长期使用路面的使 用寿命在4 0 6 0 年之间。我国学者认根据本国实际情况认为，长寿命沥青路面的使用年 限应在3 0 年以上。 假设长寿命路面的使用年限是4 0 年，针对4 0 年这一目标，长寿命路面设计标准可以 以表面功能层与主要承重层的设计寿命作为主要控制指标。然后针对长寿命沥青路面各 结构层具体型式，选用相应的规范标准来验算、控制其设计寿命。综合国外设计相关规 定，可定义长寿命路面设计标准如下： ( 1 ) 表面功能层设计寿命应该达n 8 年以上； ( 2 ) 主要承重层设计寿命应该达n 4 0 年左右； 具体情况可参照图2 3 。 图2 3 长寿命沥青路面寿命周期示意图 第二章：长寿命沥青路面界定与设计框架提出 2 1 2 寿命沥青路面结构的使用调查 1 、国外结构使用调查 ( 1 ) 日本长寿命路面简称l s p ，它的设计目标是拥有2 倍于现行路面的使用性能， 因功能破坏而维修的周期在1 5 年以上。结构性寿命在4 0 6 0 年。在日本，认为可以实现 长寿命的路面形式有以下几种路面结构，见表2 1 。 表2 1 日本长寿命路面结构 面层基层底基层 5 0m m t l 毛噪声面层2 5 0n l m 连续钢筋混凝十基层4 0 0m m 水泥稳定处理底基层 5 0 咖低噪声面层2 5 0i l l l n 碾压混凝土垂层4 0 0i l l l n 水泥稳定处理底基层 5 0 咖低噪声面层 5 0m m 高强度改性沥青联结层3 0 0 咖水泥稳定处理底基层 + 3 0 0m m 预制钢筋混凝土板 5 0 咖低噪卢面层 + 1 5 0m m 改性沥青i i 型半刚性联结层3 0 0m i l l 水泥稳定处理底基层 + 2 0 0i l l m 高强度水泥处理混合料 5 0 咖低噪声面层 1 5 0m m 大粒径改性i i 沥型混合料基层2 0 0m i l l 沥青稳定处理上底基层 + 3 0 0m i l l 水泥稳定处理下底基层。 从表2 1 可以看出日本的长寿命路面结构组成特点：上面层统一采用5 0n 瑚低噪声面 层，底基层也一般使用3 0 0 m m - - 4 0 0 m m 的水泥稳定处理底基层，基层形式多样，可以由 改性沥青i i 型半刚性联结层+ 高强度水泥处理混合料或者大粒径改性i i 型沥青混合料基 层+ 沥青稳定处理上底基层等组成。 ( 2 ) 欧洲各国长寿命沥青路面结构形式多种多样，如表2 2 所示。 表2 2 欧洲长寿命路面结构 国家道路名称路面结构 英国 m 6 3 8 m m 热压h c + 6 8 m m 粗粒式a c + 6 3 m m 热压h c + 1 9 0 m m 贫混凝七 德国 a 5 3 7 m m 浇铸式h c + 2 0 0 m m h c 基层+ 1 5 0 m m 稳定底基层 法国 p e r i p h e r i q u e4 0 m m 排水面层+ 2 2 0 m m 高模鼍a c 基层 2 7 m m 细粒a c + 3 0 m m 粗粒a c + 4 5 m m 粗粒h c + 1 4 0 m m 密级配沥青碎石 奥地利 b r e n n e r + 1 6 0 m m 开级配沥青碎石 意大利 d e ls o l e 3 0 m m 中粒式h c + 7 0 m m 粗粒式a c + 1 5 0 m m 沥青碎石+ 3 6 0 m m 级配砂砾 可以看出欧洲的长寿命路面结构组成特点：欧洲长寿命沥青路面基层多采用柔性基 层，柔性基层包括密级配沥青稳定基层( a t b ) 、排水性沥青稳定基层( a t p b ) 、大粒径 沥青混合料( l s a m 或l s m ) 、富油沥青疲劳层( f d a c ) 和级配碎石等，个别国家也采用 刚性基层，如贫混凝土基层。 1 4 k 安人学硕十学位论文 ( 3 ) 美国长寿命沥青路面结构种类很多，如表2 3 所示。 表2 3 美国长寿命路面结构 使用地点面层基层垫层与土基 加利福尼洲 2 5 m m o g f c2 0 0 m m 处治后1 5 0 r a m 水泥处治基层 际7 1 0 公路 + 7 5 + 1 2 5 m m 沥青混凝士的水泥破碎板 威斯康星州5 0 + 9 0 + 9 0 m m 沥青混凝土 l o o r m 开级配基 2 0 0 m m 碎石基层 层 俄亥俄州4 0 m m s u p e r p a v e + 4 5 沥青混凝土1 5 0 m m 集料基层 + 2 5 ( 3 0 1 再生料) + 1 0 0 抗疲劳层 5 0 m m o g f c + 2 5 0 m m ( s u p e r p a v e 与碎 其石混凝土) 7 5 m m s m a + 7 5 + 2 0 0 m m 沥青混凝土2 0 0 m m 石灰 他 + 5 0 m m 抗疲劳层 稳定土 5 0 m m s m a + 3 7 5 n 眦n s u p e r p a v e1 5 0 m m 级配碎石 + 3 0 0 m m 沥青稳定碎石 2 5 m m o g f c + 7 5 m m 排水沥青混凝土 + 1 5 0 m m 沥青混凝土 + 7 5 r a m 抗疲劳层 可以看出美国的长寿命路面结构组成特点：上面层可采用s u p e r p a v e 沥青混合料， o g f c 或者s m a ，根据具体采用的形式决定厚度，多见s u p e r p a v e 沥青混合料5 0 r a m ， o g f c 2 5 m m ，s m a 5 0 m m 。中面层和下面层一般采用s u p e r p a v e 沥青混合料。值得注意的是， 在很多结构中都有5 0 m m - - l o o m m 的抗疲劳层。路面基层也以沥青粒料为主，也可以采用 石灰稳定土、级配碎石等。 ：- 2 、国内结构使用调查 在国内，借鉴国外的长寿命设计理念，试铺了几段试验路。下表为山东滨州试验路 结构。 表2 4 山东滨州长寿命路面结构 面层基层垫层与十基 结构一 4 c m s m a + 6 c m a c 2 0 + 8 c m a c 2 5 1 2 c m a t b 2 5 + 3 8 c m - 灰稳定碎石石灰处理土基 结构二 4 c m s m a + 8 c m a c 2 0 + 1 2 c f n a c 2 52 0 c m 水泥粉煤灰碎石石灰处理土基 + 2 c m a c 5+ 2 0 c m 二灰稳定碎石 玻璃隔栅应力吸收层 结构三 4 c m s m a + 6 c i n a c 2 0 + 8 c r 以c 2 5 + 3 2 c m - - - - 灰稳定碎石石灰处理土基 + 2 0 c m 水泥粉煤灰碎石 江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构如表2 5 所示： 第二章：长寿命沥青路面界定与设计框架提出 表2 5 沿江长寿命路面结构 a bcde s m a 一1 34 c ms m a 一1 34 c ms m a - 1 34 c ms m a 一1 34 c ms m a 一1 34 c m c d a c - 2 06 c mc d a c 一2 06 c mc d a c 一2 06 c m c d a c 一2 06 c mc d a c 一2 06 c m c d a c 一2 58 c mc d a c 一2 58 c mc d a c 一2 58 c mc d a c 一2 58 c m c r c p2 6 c m a t b 一2 51 8 c ma t b 一2 57 ma t b 一2 57 c m c s 基层1 9 c m f d a c - 1 39 c m g r h1 5 c m c s 基层1 5 c m c s 基层2 0 c mc s 基层1 9 c m g r h1 6 c mc s 基层1 6 c m c s 基层1 6 c m 二灰十基层1 5 c m 二灰土基层2 0 c m二灰土基层2 0 c m二灰土基层2 0 c m二灰土基层1 5 c m 注：c r c p 一连续配筋混凝土路面，c s 一水泥稳定碎石，a t b 一沥青稳定碎石，g r h 一级配碎石 广梧( 广州梧州) 高速长寿命试验路结构如表2 6 所示。 表2 6 广梧( 广州- 梧州) 高速长寿命试验路结构 结构一结构二 结构层类型厚度结构层类型厚度 s m a 一1 34 c ms m a 一1 34 c m a c l 6 一i ， 1 3 c m a c l 6 一i ， 1 3 c m a c 2 5 一i 8 c ma c