（材料学专业论文）沥青稳定碎石排水基层在浙江丽龙高速公路上的应用研究.pdf

摘要 我国许多道路在使用初期即出现不同程度的病害，其中水损害是造成路面早期损 害的主要原因之一。如何有效减少沥青路面的水损害，延长道路的使用寿命已成为当 今社会十分关注和亟需解决的问题。本文从路面结构排水的角度，提出了通过设置沥 青稳定碎石排水基层( a t p b ) 来预防和减少路面水损害的方法。 通过对依托工程所在地浙江地区的路面损害情况调查和交通状况调查分析，提出 了设置排水基层用于路面结构排水的重要性和必要性，并对沥青稳定碎石排水基层混 合料进行了配合比设计。 采用有限元软件建立了路面结构模型，分析了设置a t p b 结构层后应力强度因子 随裂缝长度的变化规律，通过对比原路面和设置a t p b 结构层路面裂缝尖端应力强度 因子的大小，研究沥青稳定碎石排水基层在抑制反射裂缝方面的作用。计算结果表 明，沥青稳定碎石排水基层可以有效降低裂缝尖端的应力集中，具有延缓和抑制半刚 性基层裂缝向沥青面层扩展的作用。 针对a t p b 的结构和功能要求，对其使用性能进行了验证。采用抗压强度试验和抗 压回弹模量试验进行了强度和刚度验证；采用马歇尔试验和车辙试验进行了高温稳定 性验证；采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂马歇尔试验进行了水稳定性分析；与此同 时，课题组还自行开发了简易的渗透系数测定仪，对其渗透系数进行了测定。 由此，将室内研究成果进行转化，在浙江省丽龙高速公路上铺筑沥青稳定碎石排 水基层试验路，探索了沥青稳定碎石排水基层的施工方法，并对该路段的实际排水能 力进行了检测，为我国进一步推广沥青稳定碎石排水基层积累了经验。 关键词：沥青稳定碎石，排水基层，应力强度因子，使用性能研究 a b s t r a c t m a n yr o a d si no u rc o u n t r yd a m a g eo fv a r y i n gd e g r e e sd u r i n gt h ei n i t i a lp e r i o do fb u i l d i n g ， w h i c hc a u s e db yw a t e rt h a ti so n eo ft h em a i nc a u s e so fe a r l y d a m a g eo ft h ep a v e m e n t h o w t o e f f e c t i v e l yr e d u c et h ew a t e r d a m a g e ，e x t e n dt h el i f eo ft h er o a dh a sb e c o m ev e r y c o n c e m e da b o u ts o c i a li s s u e sa n daq u e s t i o nn e e dt os o l v en o w t h i sa r t i c l ef r o mt h e p e r s p e c t i v eo f r o a dd r a i n a g es t r u c t u r e s ，m a d es t a b l eb ys e t t i n gc l e a rd r a i n a g eg r a v e lt h eg r a s s - r o o t sl e v e l ( a t p b ) t o p r e v e n ta n d r e d u c ew a t e r d a m a g et ot h er o a da p p r o a c h i n t h i s p a p e r ，b yr e l y i n go n t h ep r o j e c tw h i c hi sl o c a t e di nz h e j i a n gp r o v i n c et o i n v e s t i g a t et h er o a dd a m a g ea n dt r a f f i cs u r v e ya n a l y s i s ，p u tf o r w a r das e to fd r a i n a g e p a v e m e n ts t r u c t u r ed r a i n a g ef o rt h eg r a s s - r o o t sl e v e lt h ei m p o r t a n c ea n dn e c e s s i t yo ft h et h e a t p bd e s i g nm e t h o d a b a q u sf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eu s e dt oe s t a b l i s ht h es t r u c t u r eo ft h es u r f a c em o d e l ，a n a n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fl a y e ra f t e rs e t t i n ga t p bs t r e s si n t e n s i t yf a c t o rw i t hc r a c kl e n g t h c h a n g e s ，b yc o m p a r i n gt h eo r i g i n a ls t r u c t u r eo f t h er o a da n ds e tu pa t p bs u r f a c el a y e rc r a c k s ， a sw e l la sc u t t i n g - e d g es t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro fa s p h a l tp a v e m e n tf o r e c a s tf a t i g u el i f et os t u d y t h es t a b i l i t yo fg r a v e la s p h a l ta s p h a l ti n h i b i t o r yr e f l e xi nt h er o l eo fc r a c k s t h er e s u l t ss h o w t h a ts t a b l ea s p h a l tg r a v e ld r a i n a g ec a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h ec r a c kt i pi nt h eg r a s s r o o t sl e v e l o fs t r e s sc o n c e n t r a t i o n ，w i t hd e l a ya n ds u p p r e s s i o no fs e m i - r i g i da s p h a l ts u r f a c ec r a c k s e x t e n d e dt ot h er o l e a t p bf o rt h es t r u c t u r ea n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，i t sp e r f o r m a n c ei sv e r i f i e d t h u s ， r e s e a r c hr e s u l t sw i l lb ec a r d e do u ti n t ot h ei n d o o r ，s t y r o f o a mi nz h e j i a n gp r o v i n c eh i g h w a y p a v i n ga s p h a l tt e s tt h es t a b i l i t yo ft h eg r a s s - r o o t sl e v e lg r a v e lr o a dd r a i n a g e ，t oe x p l o r et h e s t a b i l i t yo ft h ea s p h a l tg r a v e lg r a s s r o o t sm e t h o do fd r a i n a g ea n dt h es e c t i o n so ft h ed r a i n a g e c a p a c i t yo ft h ea c t u a ld e t e c t i o n ，a s p h a l tf o rt h es t a b i l i t yo fo u rc o u n t r yt of u r t h e rp r o m o t e a s p h a l tt r e a t e dp e r m e a b l eb a s ea c c u m u l a t e de x p e r i e n c e k e yw o r d s ：a s p h a l tt r e a t e d ，p e r m e a b l eb a s e ，s t r e s si n t e n s i t y f a c t o r ，r e s e a r c ho nt h eu s eo fp e r f o r m a n c 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，均己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己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：豸l 卜交边马 年月日 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：和- 7 码 跏一戳趣 年月日 年月日 1 1 沥青路面的水损害现象 第一章绪论 近几十年，我国公路建设事业迅猛发展，取得了举世瞩目的成绩。但是，由于道 路设计、捕工工艺、车辆超载和渠化交通等多方面的原因，我国的沥青路面在广泛使 用的同时，其耐久性和路面结构的早期破坏问题也日益突出。据调查，许多高速公路 通车的一至两年，有些甚至不至一年，沥青面层就产生了大量麻面、松散、掉粒、唧 浆、坑洞、网裂等破坏现象，如图1 1 所示。这些损害不仅大大降低了沥青路面的使 用性能，缩短了其使用寿命，而且阻碍了沥青路面结构及其应用技术的进一步推广。 有研究表明，沥青路面早期破坏的原因有7 0 8 0 与路面的水稳性有关，即是由水引 起的损害。 爱芝羞萱 _ 鬻 田1 1 路面损坏情况 路面中的水为何会导致沥青路面的早期损坏呢? 原因有三：一是由于水分侵入导 致沥青与集料的粘聚力减弱。水分从裂缝和空隙渗入沥青路面，当水分不能及时有效 第一章绪论 排除到路面结构外的时候，沥青路面混合料处于浸水状态，水分会逐渐渗入沥青与集 料的界面上，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，从而沥青膜从石料表面剥离，导 致沥青混合料掉粒、松散，继而出现沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象。二是脉 动水压力导致的沥青混合料内部裂隙发展。由于设计、施工、使用等多种原因，路面 内部会产生大量裂缝，如果路面积水不能及时排出路面结构外，水就会渗入裂隙中。 同时，当车辆高速行驶时车轮压迫路面积水形成高速射流，对沥青混合料内部形成很 强的冲刷，同时在路面微裂隙与空隙中形成具有瞬变流特性的脉动水流，强烈的脉动 水流在沥青混合料内部裂缝里形成较大的脉动水压力并沿裂缝传播，使路面沿着内部 裂隙发生水力断裂，导致水分进一步侵入，产生新的集料剥离，并逐渐形成错综复杂 的裂隙，最终造成路面局部龟裂及松散类破损。第三，水的存在还会使路面产生冻融 的可能性，使得路面的环境因素更加恶劣。 如今，水损害已成为我国沥青路面最严重的破坏形式之一，据国内外调查研究和 统计分析，沥青路面的破坏约有8 0 是由水损害引起的口3 1 。水对沥青路面的损害无论 是在湿热的南方，还是寒冷的东北，即使在干旱的西北，在通车后不久，都会不同程 度出现。特别是在南方的多雨地区，如本项目依托工程所在地浙江，东部临海，雨季 多发，受台风、暴雨、寒潮、冻害、龙卷风等灾害影响严重，因此，在公路路面设计 时，如何让雨水进入路面结构后尽快排出而不滞留显得尤为重要。 然而，就目前的沥青路面而言，雨水透入沥青面层是不可避免的，因此，在公路 路面设计时，如何进一步完善路面排水设计，在路面结构层中设置排水基层，减少水 在路面的停留时间，以减少水对路面的损害具有深远的社会经济意义和工程实用价 值。 1 2 国内外的研究概况 1 2 1 国外研究概况 早在欧洲的古罗马时代，人们就注意到了水对路面的危害，他们设法使用水泥沙 来防止水的侵蚀，并考虑了将道路修建在水位线的上面。但在随后的近两千年里面人 们对水在公路中的破坏作用并未加以足够重视，仅仅是制定排除地下水和路表水的具 体措施，只是到了近几十年，研究者才开始注意到渗入路面结构内水的研究。 1 9 6 0 年德国首次采用了大空隙排水型路面“1 。而在1 9 7 4 年和1 9 7 6 年法国修建了 多空隙贫混凝土路面实验路段。1 9 7 9 年到1 9 8 1 年间，在戴高乐机场水泥混凝土路面结 2 长安大学硕士学位论文 构中将l o o m m 厚的多空隙贫混凝土层铺设在面板与水泥处置基层之间，增加了基层的 排水功能。长期观测数据表明，未处理多空隙材料基层，增加了路面结构内部渗入水 的排出，减少了路面挤浆、错台等损坏现象的发生。对于日本以及其他西方国家来 说，大多采用多孔沥青碎石做面层。但美国道路专家却认为最可靠的排水措施是在整 个路面宽度下采用开级配的排水层排水。 在2 0 世纪6 0 年代末和7 0 年代初美国学者通过调查和经验总结，就认识到了路面 内部排水的重要性，1 9 7 3 年联邦公路局制定了路面结构内部排水系统设计指南，以引 导和推动公路部门采用路面内部排水系统。1 9 8 6 年，经过1 0 余年的使用经验和研究成 果的总结积累，美国又进一步在a a s h t o 路面结构设计指南中，把路面结构的排水质量 作为一项设计因素考虑在内，并提出了路面内部排水设计方案以及设计指标。目前， 道路沥青碎石排水基层( a t p b ) 在美国各州已经得到广泛的应用。 法国也是率先研究道路基层排水，设立路面结构排水系统的国家之一。1 9 7 4 年， 法国便修筑了厚板铺设于多孔的非处治材料层上的试验路，1 9 7 6 年修筑了多空隙混凝 土基层上的试验路段。试验路研究表明，增加基层的排水性，设置排水系统可以减少 路面的唧泥、错台等损坏的产生，改善路面的使用性能。目前调查研究所取得的使用 情况表明：正确设计和施工的排水基层在实质上限制了唧泥、错台以及裂缝的出现。 根据己建成排水基层路段的性能与无排水设施路段的性能比较，许多学者预测路面的 使用年限将因此而增加增加至1 5 0 。 日本也早早认识到了水是造成路面损害的主要原因之一，制定了道路排水指针， 并修建了大量的排水路面。英国和德国等发达国家在路基路面排水系统方面也做了大 量的研究。总之，路面内部排水系统作为一项常用措施，在西方国家道路建设中得到 了广泛应用，同时大量的专家学者还在继续对路面内部排水系统的设计、施工、养护 以及使用效果、相关参数等进行着长期的研究工作。 从国外对排水的研究可以得出结论，国外对于水损害的防治主要从三个方面入 手：一方面是通过结构来防治，比如采用良好的排水系统；第二方面是通过材料来防 治，也就是通过对材料的改进和完善来提高沥青混合料本身的性能，如使用聚合物改 性沥青混合料、采用良好的级配和集料、添加抗剥落剂等；第三方面是通过预防性养 护来防治，也就是采用预防性养护措施来减缓水损害的扩大。实践证明，通过结构来 防治水损害是行之有效的方法。 第一章绪论 国外很早对沥青稳定碎石排水基层进行了研究。八十年代末，法国、美国、日本 相继修建了沥青稳定碎石排水基层试验段，并取得了比较好的效果。美国明尼苏达州 运输部进行的现场试验表明，沥青稳定碎石排水基层的排水量占降雨量的2 5 一4 0 ，这与f h w a 设计指南的相关内容是一致的。并且，排水基层通常在降雨结束后两小 时内只残留5 以内的渗入水。美国加州大学b e r k l e y 分校的研究成果：新的排水刚性 路面的寿命至少比不排水刚性路面长二分之一，新的设置排水基层的柔性路面的使用 寿命至少要比不设排水层的柔性路面长三分之一，而且认为这个预测还很保守。因 此，设置沥青稳定碎石排水基层能将水迅速、有效地排除到路面和路基结构外，不仅 有利于改善路面的使用性能，并将大大提高其使用寿命。 1 2 1 国内研究概况 最近几年，针对半刚性基层沥青路面水损害比较严重的情况，国内对排水基层也 进行了一系列的研究。 同济大学谢洪斌通过大量室内试验，针对有较大空隙的沥青稳定碎石混合料的排 水性能进行影响因素分析，并在此基础上建立了混合料组成和空隙率等因素与材料渗 透系数的经验关系，可以用于指导大空隙沥青稳定碎石排水层材料的组成设计，并且 预估了沥青稳定碎石排水基层材料空隙率与渗透系数的公式，以上结论都是在大量的 试验数据基础上得出的。 东南大学杨群通过对排水基层的强度要求和功能要求进行深入分析，提出了满足 这两方面的沥青稳定碎石排水基层厚度的设计方法，从经济角度出发探寻了满足这两 者要求的最小厚度。 北京交通大学梁亮用a n s y s 对沥青稳定排水基层进行线弹性断裂力学分析，通过a n s y s 软件的后处理程序进行沥青稳定排水基层断裂力学参数的计算，预估了它的疲劳 寿命，并对沥青稳定排水基层抑制反射裂缝的作用进行了深入分析。 同济大学于在上海浦东新区远东大道、迎宾大道、罗山路分别铺筑了多空隙沥青 稳定碎石排水基层试验路段，探讨了沥青路面结构内部设置沥青碎石排水基层的布设 方案，并对施工工艺进行了总结。 长安大学杜顺成老师提出了三种沥青稳定碎石排水基层级配，研究了沥青稳定碎 石排水层混合料沥青用量的确定方法，为未来此方面的研究做好了基础研究。 4 长安大学硕士学位论文 1 3 课题主要研究内容 根据国内外的研究现状，针对浙江地区的实际情况和项目合同的要求，沥青稳定 碎石排水基层研究的主要内容分为以下5 个部分： ( 1 ) 浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 ( 2 ) 沥青稳定碎石排水基层混合料配合比设计 ( 3 ) 沥青稳定碎石排水基层抑制反射裂缝的力学分析 ( 4 ) 沥青稳定碎石排水基层使用性能研究 ( 5 ) 试验路工程 1 4 研究技术路线 本文在借鉴己有研究成果的基础上，采取理论和实践相结合的方法，对浙江地区 沥青路面的早期损害情况进行了调查分析，给出了设置沥青稳定碎石排水基层预防路 面早期损害的方法，并对a t p b 混合料进行了配合比设计。同时，针对浙江地区路面 病害以及交通状况，采用a b a q u s 有限元分析软件对沥青稳定碎石排水基层抑制反射 裂缝的作用进行了力学分析，并对其使用性能进行了研究。同时，将实验研究成果进 行转化，结合浙江省交通状况、气候、材料供应条件等，以丽龙高速公路为依托工 程，研究了沥青稳定碎石排水基层的施工工艺及质量控制方法。见图1 2 。 5 第一章绪论 图1 2 沥青稳定碎石排水基层在浙江丽龙高速公路应用研究技术路线框架图 6 长安大学硕士学位论文 第二章浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 为了使排水基层在浙江丽龙高速公路上的应用研究更具针对性和实用性，课题组 专门赴浙江对该地区现有高速公路沥青路面损害情况及外部使用条件进行了深入调 查，分析了沥青路面早期损害的特点及原因，为沥青路面结构设计提供依据。 2 1 路面损害情况调查 据资料显示，路面损害在世界范围内是普遍存在的，特别是在某些发展中国家， 道路路面往往在使用初期就发生了严重破坏，如路面局部开裂、凹陷、车辙、唧浆 等。在我国，尤其是近年来，随着国民经济和公路交通事业的蓬勃发展，车辆超载现 象的日益严重，它导致了我国很多道路路面出现早期损坏现象，其性能明显衰减，使 用寿命大大缩短。这些问题的出现不仅大大增加了公路管理部门对于道路维护的资金 投入，而且造成了较大的经济损失和不良的社会影响。 2 1 1 路面损害形式 课题组对浙江省现有路面结构的损害状况进行了大量的现场调查。表2 1 为其中几 条高速公路路面损坏情况调查表。 表2 1 浙江省现有高速公路路面状况调查表 项目名称病害描述 行车道病害严重，主要为路面松散、坑洞、拥包、翻浆和裂缝，有的已经进 沪杭高速 行过大修处理。 沈海高速整条路面泛油较为严重，路面的构造纹理已经被泛出的沥青填满。 有较严重的坑洞，最大的坑洞直径约为2 0 c m ：有车辙和裂缝，部分路段出 申苏浙皖高速 现了翻浆、沉陷病害。 有较多横向裂缝，局部出现了龟裂现象，且呈网状。部分区域的松散和坑 杭浦高速 槽较为严重，路面修补很多。 以沉陷、网裂、翻浆桥梁伸缩缝损坏为主要病害，且有较多连续坑洞，坑 沪杭甬高速 洞多发生在主行车道上。车辙程度比较严重，辙槽为2 - 4 c m ，部分路段甚至达到 7 c m 。 整条道路桥面破损较为严重，桥面坑洞不同程度的存在，翻浆在个别路段 杭长高速 较为严重。 分析表2 1 中各条高速公路的损坏情况，归纳出浙江地区高速公路的主要病害有以 下几种形式： 路面出现各种裂缝 7 第= 章浙旺地区路面损坏担交通状况调壹与分析 从调查情况来看，大部分高速公路均不同程度出现裂缝损坏，如图2l 23 所示。 中浙江地区最为严重的裂缝为反射裂缝，这主要是由于半剐性基层开裂后向路面延 j 而引起。如图2 4 所示，在开裂处进行钻芯取样，可以看出基层已经发生了开裂。图 5 为开裂处取出的芯样，可以明显看出裂缝已经反射到了面层上。 而由于调查的浙江地区属于高温多雨地区，夏季雨水量大，当雨水沿着裂缝进入 湎结构层内，由于基层不能够排水，所以雨水积在半刚性基层与面层之间，不仅影 0 了基层和面层的粘结，而且在行车荷载的作用下形成的动水会反复冲刷半刚性基 ；，最后在重载的作用形成了唧浆，如图26 所示。 图23 罔裂 图2 2 般、横向裂缝交织獭 黻； 0 ： 、 。 ，一蔓 圈24 在裂缝处跨缝取芯 混合辩松散田2 8 坑洞 0 路面出现车辙和拥包现象 从调查情况看，车辙病害在被调查高速公路上还是比较普遍的。车辙是影响沥青 路面使用性能最直接的病害之一，这主要是因为沥青是一种典型的流变材料，它的强 度和劲度模量随着温度升高而降低，所以在夏季高温，在重交通的重复作用下，沥青 酊 第= 章浙地e 路面损坏驶交通状m w 盎与分析 路面抗剪强度不足或塑性变形过剩产生的堆积 的车辙和在车辙处取芯的芯样。从图可以看出 图29 、图21 0 即为调查路段中出现 车辙的谷底与谷顶相差甚多。 圈2 9 调查路鱼的车辙圈2 1 0 车 t 处取出的茜样 2 12 路面损害的特点 通过对浙江地区高速公路的调查研究，图21 图2l o 示出了浙江地区高速公路沥 青路面出现的破坏类型，大致呈现以下两大特点： l 、损坏的发生与水密切相关 不管是反射裂缝的发生，还是路面混合料松散、坑洞现象，抑或是路面车辙损 害，甚至是道路唧浆病害都与水密切相关，特别是像本文依托工程所在地浙江地区， 夏季高温多雨、春天存在冻融，水对路而的损害便显得尤为突出。水渗入路面导致半 刚性基层开裂，裂缝向上延伸到路面造成了路面的早期损坏；路面混合料松散、坑洞 现象是由于路面孔隙率过大渗水所致；而路面的车辙除了由于高温引起外，很大程度 上也是由于行车荷载作用、路表开裂后的渗水引起的不可恢复的永久变形：哪怕是路 面凹陷、唧泥现象也多发生在车辙位置，经荷载反复作用，雨水侵入造成。 2 、损坏形式大部分都与重载有关 一方面，在重载作用f 路面中积压的水容易形成动水，对路面混合料进行冲刷， 破坏混合料结构，从而影响性能，导致路面损坏；另一方面，很多路面损坏往往是在 行车道首先发生而且行车道比超车道损坏严重，这说明路面损坏与重载车有密切关 系。 长安大学硕上学位论文 2 1 - 3 路面损害原因浅析 通过调查我们可以看到，许多高速公路在使用初期即出现了不同程度的病害，这 不仅对公路使用性能和经济效益产生了严重影响，而且有损公路管理部门的形象。因 此，探究路面发生损害的原因对于我们找到防治路面早期损害的方法是十分有益的。 沥青路面是在行车荷载和自然因素的共同反复作用下逐渐出现损坏，损坏的形态 因荷载、环境、材料组成、结构层组合、施工和养护条件不同而产生差异，其原因大 致可以分以下几方面： 1 、原材料质量 沥青路面的早期损坏就其自身原因而言，与沥青混合料的性能有直接关系。而从 沥青混合料来说，其原材料的质量对于混合料的性能又有很大影响。原材料之一沥 青，由于某些路段采用的沥青品牌不同，导致这些路段的性能存在较大的差异。原材 料之一集料，由于多采用就地取材，基本是小范围作坊式生产，没有统一的生产设 备，因此集料进场时往往出现型号相同，但内部级配相差甚大的情况。诸如此类原材 料质量的不稳定，加重了沥青混合料的离析和变异，而且存在路面混合料上下孔隙贯 通的情况，导致局部渗水严重，影响了沥青混合料的固有性能。此外，由于原材料质 量原因，会使沥青与集料的粘附性不足，在路域内积水较多而无法迅速有效排除时， 会在荷载作用时产生的动水压力下发生沥青剥落等水损害。 2 、道路设计 我国高速公路的设计，长期以来很少在封水和排水设施上下功夫。对于传统的半 刚性基层而言，因其在超载和水的共同作用开裂而引发的路面反射裂缝是导致路面早 期损坏最为普遍和最为严重的病害之一。路面排水结构设计的缺乏，会引发路面很多 水损害。沥青面层配合比设计不周，导致混合料的级配不合理，沥青用量过大或过 小，使得路面要么泛油要么渗水。 3 、道路施工 路基分层碾压不够规范，由于缺乏预压，往往没有达到要求的残余沉降就开始铺 筑路面，严重的不均匀沉降导致路面开裂：在摊铺时的摊铺宽度过宽，使得由于机械 原因导致原来较为均匀的混合料产生离析；在摊铺时路面厚度的不均匀导致了路面结 构层在实际使用状态下的受力的不同，较早的产生了破坏。同时，沥青路面的层间施 工污染成为目前突出的问题，通过取芯可以看出中上面层粘结不良，容易分开，使得 实际的路面成为滑动状态，这与设计时所假设的连续状态完全不符。 第二章浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 4 、超载影响 在我国，由于国民经济和公路交通运输事业的发展，运输车辆中大型货运车辆的 比重不断增加，载货汽车的超载现象变的越来越严重，汽车超限、超载己是普遍存在 的问题。然而在路面设计时往往还是以交通调查数据作为依据，使得按正常交通设计 出来的道路上行驶着惊人的超载交通，因此当路面上出现特重车辆时，路面整体性结 构层底所产生的弯拉应力，可能远远超过材料的极限抗弯拉强度，从而引起整体性结 构层开裂，并很快反映到面层，使路面承载能力迅速降低，造成一次性破坏。 5 、其他原因 半刚性基层水泥剂量过大，出现局部的拱胀和严重的开裂，由此产生了较多的反 射裂缝，从而影响到路面的使用；桥面铺装层的防水粘结层施工不良，沥青层与桥面 板脱离，沥青层只进水不出水，导致沥青铺装层与桥面板之间积水，出现唧浆、网 裂、坑槽等。 2 2 交通状况调查 路面是保障交通运行的基础设施，他的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平 稳、舒适地通行。路面的损坏不仅会影响车辆通行的速度和舒适性，过于严重的损坏 还会阻碍交通，甚至对车辆通行安全产生影响。众所周知，车辆超载在我国非常普 遍，超载率十分严重，车辆荷载已经成为造成路基路面结构损伤的主要原因之一，据 不完全统计，1 9 9 5 年至1 9 9 9 年5 年间，浙江省因车辆超限运输造成1 7 万平方米水泥 路面、1 1 万平方米沥青路面严重破损，3 6 道涵洞遭到彻底破坏，3 6 座危桥不同程度损 坏。因此，对车辆交通特性进行实际调查和分析，对于我们分析掌握路面结构内的实 际受力状况是十分必要的。 由于不同道路的交通特性不尽相同，本文调查收集了浙江地区干线公路的车辆装 载称重调查资料，对车辆类型、轴载谱和胎压进行了分析。 2 2 1 车辆类型调查 在进行交通量统计分析时，一般将车辆分成1 3 类即：小型货车、中型货车、大型 货车、小型客车、大型客车、拖挂车、集装箱车、小型拖拉机、大型拖拉机、自行 车、人力车、畜力车和摩托车。考虑到本文依托工程路面上实际行驶的车辆，所以在 统计分析时主要统计汽车数量而未统计自行车、人力车、畜力车、和摩托车的数量。 1 2 长安大学硕士学位论文 国内外的研究成果表明，对路面造成损坏的主要是2 轴4 轮以上的货车，2 轴4 轮 和4 轮以下的车辆对路面损坏很小，可以不考虑这部分车辆的影响。2 轴4 轮以上的货 车可分为整车类、半挂车类和全挂车类。进行车辆状况调查时，主要考虑了对路面有 明显力学损耗效果的2 5 吨以上的中型以上货车及座位数大于4 0 的大客车。从浙江地 区公路货运车辆的情况来看，载重量在2 5 - - 4 吨的中型货车车辆基本为东风、跃进、 北京类；载重量在4 - - 8 吨的中型货车以国产解放、东风类为主，这也是公路货运车辆 的主流；载重量在8 吨以上的车辆包括斯太尔、黄河、红岩、三菱等重型货车，现 代、大宇、三菱等工程用水泥混凝土泵车、自卸车，以及斯太尔、沃而沃太脱拉等进 口车头牵引的各种轴型半挂列车。由于对拖车的行驶有所限制，公路上基本没有此类 车行驶，偶尔有少量拖车也是在中型重型货车的基础上经过改装，因此本次调查研究 并没有列出拖车类。 车辆的轴型可以分为单轴、双联轴和三联轴，观测中发现对路面损坏影响较大的 重载车辆主要是二轴类、三轴类、四轴类、五轴类和六轴类的货车，其基本车型见图 2 1 l 。轴型分布分别用1 1 、1 2 、l + l + s 1 、l + l + s 2 来表示，其中数值1 代表单 轴，2 代表双联轴，3 代表三联轴：字母s 代表半挂车型，( 1 + 2 + s 3 代表总轴数大于 等于6 轴的半挂车辆，各轴之间以加号分开) 。按轴型分类的车辆类型见表2 2 。 车辆的轮型可分为单轮和双轮组，由于此次调查车辆的前轴全部为单轮组型式， 其余各轴全部为双轮组型式，因而对轮型没有进行分类。 二轴类重载费车 三轴类重载货车 四轴类重载货车唾挈匡三三三手刍羁 五轴类重载货车 六轴类重载货车 图2 1 1 按轴型分类的车辆基本类型 表2 2 按轴型分类的车辆类型 第二章浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 1 中型货车( 载重2 5 1 0 吨) 跃进、解放、东风等 1 + 1 整车类 黄河、罗曼、斯太尔等 1 + 1 2重型货车( 载重 1 0 吨) 大通、太脱拉等 1 + 2 3 3 轴半挂车解放、东风等国产牵引车l + l + s 1 4 4 轴半挂车1 + l + s 2 斯堪尼亚、沃尔沃、斯太尔 半挂类 1 + 2 + s 2 55 轴半挂车等进口牵引车或红岩、黄河 l + l + s 3 等引进技术生产的牵引车 6 6 轴半挂车1 + 2 + s 3 2 2 2 车辆轴载谱分析 由于被调查道路各种车型中4 轴以上的多轴半挂车辆数量较少，因此本次调查主 要分析小于等于4 轴的车辆后轴及中轴轴重分布情况。表2 3 和图2 1 2 2 1 5 为被调 查道路车辆单轴轴载分布情况，表2 4 和图2 1 6 - - - 2 1 8 为被调查道路车辆双联轴轴载 分布情况。 表2 3 被调查道路车辆单轴轴载谱汇总表 按轴型分类车型 轴载 总轴数 频率1 + 11 + l + s 1 l + l + s 2 中轴 ( 吨) 轴数频率轴数频率轴数频率 l - 2 81 7 1 82 5 0 2 _ 31 53 2 0 92 8 1 67 3 2 3 一42 96 1 8 2 2 6 8 8 44 8 8 34 4 8 3 77 8 9 2 99 0 6 33 6 6 57 4 5 5 一63 26 8 2 1 85 6 3 89 7 6 68 9 6 6 _ 一7 4 91 0 4 5 3 2l o 0 0 91 0 9 8 81 1 9 4 7 - 一8 4 59 5 9 3 31 0 3 l 78 5 4 57 4 6 3 98 3 2 2 88 7 5 89 7 6 34 4 8 9 _ 一l o 3 2 6 8 2 1 75 3 1 91 0 9 8 68 9 6 1 0 - 一l l 3 06 4 0 2 26 8 8 56 1 0 34 4 8 1 l 一1 2 3 47 2 5 1 85 6 3 91 0 9 8 71 0 4 5 1 2 1 32 65 5 4 2 06 2 5 22 4 4 45 9 7 1 4 长安大学硕士学位论文 1 3 1 44 08 5 3 2 78 4 4 56 1 0 81 1 9 4 1 4 一1 5 3 37 0 4 2 06 2 5 44 8 8 91 3 4 3 1 5 1 61 22 5 6 9 2 8 1 33 6 6 1 6 _ 一1 7 51 0 7 51 5 6 17 - 一1 830 6 4 30 9 4 合计 4 6 93 2 0 8 2 6 7 1 2 1 0 一8 g 一6 静 臻4 2 0 1 2 1 0 8 一6 锝 爆4 2 0 23456789i o1 11 21 3 1 41 51 61 71 8 轴载( 吨) 图2 1 2 被调查道路单轴轴载谱 一 _ l 蠢 一 - 。 一 一 ： 幼 h t 蕊。j 趣 i i j 嗣| 娥黪，琏i跪 i 驻涮l 缓i 崩 23456789l o1 11 21 31 41 5 轴载( 吨) 1 2 1 0 8 一6 硼 爆4 2 o 1 矾 “ 1 2 一1 0 一8 篓6 4 2 o 23456789l o 1 11 21 3 1 41 51 61 71 8 轴载( 吨) 图2 1 31 + 1 型车辆后轴轴载谱 。 一 _ 一一 _ 一 v 一 一 计 一 1 | _ j 球苷荔i 黝i 躺缓糍窈。搿 么 45 6 7 891 0l l1 21 31 41 5 轴载( 吨) 图2 1 4l + l + s 1 型车辆后轴轴载谱图2 1 5l + l + s 2 型车辆后轴轴载谱 表2 4 被调查道路车辆双联轴轴载谱汇总表 l 轴载( 吨)总轴数频率 按轴型分类车型 1 5 第二章浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 l + l + s 2 后轴 1 + 2 轴数 频率轴数频率 l - 2 2 - 3 3 4 1 0 9 12 5 5 _ 632 6 11 3 25 0 每一7 54 3 33 9 2 5 0 7 - 一865 2 22 6 41 0 0 8 943 4 41 0 0 9 - 1 043 4 22 6 2 5 o 1 m 一1 l 32 6 22 6 l2 5 l l 1 276 o 56 6 25 o 1 2 一1 3 5 4 3 3 3 9 25 0 1 3 一1 4 76 o 45 3 37 5 1 年一1 5 l0 9 l1 3 1 5 1 632 6 33 9 l 昏一1 7 65 2 22 6 41 0 0 1 7 1 8 8 6 9 4 5 3 4 1 0 o 1 8 1 943 4 22 6 25 0 1 h 054 3 33 9 25 0 2 咐12 1 7 l1 3 1 2 5 2 1 _ 2 221 7 22 6 2 2 - 2 332 6 33 9 2 3 2 44 3 4 45 3 2 4 - 2 597 8 81 0 5 i2 5 2 5 - 2 686 9 67 9 2 5 0 2 6 - 2 7 21 7 22 6 2 m 865 2 67 9 2 8 - 2 92 1 7 l1 3 l 2 5 2 蝴o21 7 22 6 3 043 4 45 3 合计 11 6 7 64 0 1 6 长安大学硕上学位论文 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 0 1 2 o 1 0 o 8 0 6 0 4 o 2 o 0 o 弼 一 蓼 固 曩 匝且皿且叫 4 6 81 01 21 4 1 61 82 02 22 42 62 83 0 轴数( 吨) 图2 1 6 被调查道路车辆双联轴轴载谱分布 “ 一 一 一 一一 _ n 囵， ，翻，童。 门口口 厂 ， z i，日，r 藏 施 弱。j 7，忻二儿蜀，。 k 白岛 咿秒护护杪 轴载( 吨) 1 2 0 1 0 0 8 0 长 蕃6 0 嚣 4 0 2 0 o 0 图2 1 7 双联轴车辆i + 1 + s 2 轴型车辆后轴轴载谱分布 kb 喝秒移护 轴载( 吨) 图2 1 8 双联轴车辆1 + 2 轴型车辆后轴轴载谱分布 1 7 乎v d 落爨 第二章浙江地区路面损坏及交通状况调查与分析 从轴载谱汇总表可以看出：在单轴类车辆中，有3 9 0 2 轴载超出路面设计标准轴 载b z z 1 0 0 ( 即1 0 0 k n ) 的规定，最大的达到1 8 t ，超载达到8 0 ，在双轴类车辆中， 有8 0 2 的轴载超出路面设计标准轴载b z z 1 0 0 ( 即1 0 0 k n ) 的规定，最大的达到2 8 t ，超载达到18 0 ，这说明双轴类车辆的超载现象比单轴类车辆严重很多，成为导致 道路重载损坏的主要车型。在双轴类车辆中，1 + 2 轴型车辆后轴5 6 5 的轴载集中在1 2 - - 一2 8 t ，即超载2 0 - 1 8 0 ；1 + 1 + s 2 轴型车辆后轴7 1 的轴载集中在1 4 2 8 t ，其超 载幅度为4 0 - - 1 8 0 。 2 2 3 胎压调查分析 我国的超载现象十分严重，随着超载范围的逐步增大以及超载率的不断提高，轴 重也随之增加，因此为了使超载车辆的使用效益得到提高，减少行车阻力，越来越多 的车辆大量采用了高强轮胎和加大胎内压强来保证轴重的增加不致影响车辆正常行 驶。 我国现行沥青路面设计规范中所使用的计算荷载图式为双轮双圆、圆中心距等于3 倍接地半径、接地压力为o 7 m p a 的标准荷载图式，但是道路上行驶车辆的实际胎压却 远不止0 7 m p a 。如图2 1 9 所示为调查获得的轮胎内压力情况分布图。 3 0 2 5 主2 0 丑1 5 求 妞1 0 5 o 1 5 01 0 0 软化点( 环球法) 不小于 ( )4 6 84 5 密度( 1 5 。c ) ( g c m 3 ) 1 0 2 3 实测记录 溶解度( 三氯乙烯) 不小于 ( )9 9 8 39 9 5 质量变化不大于 ( ) o 0 1 8 5 0 8 薄膜加热试验( 1 6 3 ，5 h ) 残留针入度比不小于( )7 2 55 7 残留延度( 1 5 ) 不小于( c m ) 8 72 0 长安大学硕士学位论文 由测试结果可以看出，选用的s k 沥青各项指标均满足a h 一9 0 # 技术标准，达到a 级沥青标准。 3 1 2 集料的选择 沥青稳定碎石排水基层是典型的骨架一空隙型结构，它处于路面结构层内部，除 了发挥排水的功能外，还需要承担行车荷载的反复作用，因此混合料应具有足够的强 度和刚度。鉴于此，沥青混合料的粗集料应该选择坚硬、韧性好，颗粒形状尽量接近 于正方体的棱角丰富的碎石或碎砾石。 本文中，试验所用粗集料为临潼产石灰岩，细集料为同样岩性的石屑，矿粉为石 灰岩磨制而成，集料的各项性能指标见表3 2 ，均符合规范要求。按公路工程集料试 验规程( j t j 0 5 8 1 0 0 0 ) 实测各档集料密度见表3 3 。 表3 2 集料技术指标 沥青与矿料的针片状颗粒含量 含泥量细集料砂当量 试验项目压碎值( ) 粘附性 ( ) ( )( ) 试验结果 1 7 3 四级 8 9 70 2 96 2 3 规范要求2 8不小于四级1 516 0 表3 3 集料密度试验结果 筛孔尺寸( m m )3 1 52 6 51 91 61 3 29 54 7 5 表观密度( g c m 3 ) 2 7 2 6 42 7 3 2 72 7 2 7 12 7 2 8 62 7 3 5 12 7 3 6 82 8 1 9 2 毛体积密度( g c 3 ) 2 7 1 4 32 7 2 12 7 1 1 92 7 0 8 32 7 0 9 82 6 9 0 32 7 3 6 4 筛孔尺寸( m m ) 2 3 61 1 8o 60 3o 1 50 0 7 5 矿粉 表观密度( g c m 3 ) 2 7 8 7 62 7 7 6 82 7