足尺路面加速加载试验系统在我国的应用.pdf

2010 年 12 期 总第 72 期 截至 2007 年底 中国约拥有 6 台路面加速加载试 验设备 系统 约占世界上全部路面加速加载试验系统 的 10 左右 目前中国所拥有的加速加载试验设备 系 统共有 6 台 分别隶属于 5 个单位 其中室内圆形环道 两个 ALF 一套 室内直线式加速加载试验系统 1 台 MMLS3 两台 详细的资料如表 1 所示 在过去的 20 多年中 加速加载试验系统在沥青路 面结构设计 参数研究以及使用性能评价方面做了大量 研究工作 1ALF 应用情况汇总 交通运输部公路科学研究所于 1986 年从澳大利亚 新南威尔士州公路局购进了足尺路面加速加载试验系 统 并从 1990 年 3 月开始试验研究 至今已连续运行 了 18 年 并分别在北京 河北省 山西省和浙江省进 行了试验 图 1 为 ALF 试验位置图 截至 2007 年底 利用 ALF 设备已经完成了约 9 个 项目的研究工作 这些项目分别来自于国家科技部 交 足尺路面加速加载试验系统在我国的应用 梅芳 1 李 琳 2 孟书涛3 徐全亮3 1 杭州市交通工程集团有限公司 浙江杭州310007 2 北京市政建设集团有限责任公司 北京100044 3 交通运输部公路科学研究院 北京100088 摘要 近年来 我国的高等级公路建设得到了快速发展 需要我们对路面结构性能进行深入的研究 在各种研 究手段中 野外的足尺路面加速加载试验是一个身份有效的试验研究手段 在过去的 20 多年中 我国的加速加载 试验系统 ALF 在沥青路面结构设计 参数研究以及使用性能评价方面做了大量研究工作 特别是在沥青路面的承 载能力评价与预估 路面结构破坏机理 车辙变化规律研究 荷载 路面结构动力响应研究以及半刚性沥青路面 设计参数衰变规律研究等方面取得了一定的研究成果 关键词 加速加载试验 足尺路面 路面性能 中图分类号 U41文献标识码 B 表 1 中国 APT 设备汇总 169 2010 年 12 期 总第 72 期 通运输部和 3 个省交通厅 9 个研究项目投入的总费用 约为 761 万元 折合美元约 100 万元 其中加速加载 试验费用每年约 30 万元 约占研究总费用的 40 至 今应用加速加载试验设备已经进行了 36 次试验 试验 的路面结构 48 种 包括三级路 二级路 一级路和高 速公路路面结构 累计加载次数达 1663 万次 图 1 ALF 试验位置图 目前 RIOH 的 ALF 没有专门的经费来源进行研究 只是在申请项目时把 ALF 试验作为其中的一个试验手 段使用 见表 2 2ALF 应用试验研究成果汇总 在过去的 20 年中 半刚性基层沥青路面结构设计 施工技术成为中国公路建设的最主要技术成果 在对半 刚性基层沥青路面结构设计 破坏机理 车辙损坏等方 面 ALF 发挥了巨大的优势 ALF 应用研究在两个大的 方面取得了成果 一个是半刚性基层沥青路面破坏机 理 另一个是对半刚性基层沥青路面结构车辙的研究 2 1半刚性基层沥青路面结构设计理念与典型结构 20 世纪 80 年代以前 由于交通量很小 中国的等 级公路均采用薄沥青层的路面结构 沥青层的厚度一般 在 5cm 左右 对于交通量大的公路 沥青层的总厚度一 般为 10cm 20 世纪 80 年代以后 随着经济的快速增长 交通 量增长迅速 原有的沥青路面结构不能适应交通发展的 需求 在这种情况下 为了提高沥青路面的承载能力 半刚性基层沥青路面开始被研发 半刚性基层材料具有较好承载能力 其抗压强度一 般可以达到 3 5MPa 标准条件养生 6 天 浸水 1 天 因此 路面结构的承载能力可以由半刚性基层承担 这 样沥青层的厚度可以适当减薄 对于沥青匮乏 价格昂 贵的中国来说 半刚性基层的应用显得非常必要 对于半刚性基层沥青路面结构来说 沥青层的主要 作用一是保护基层不直接承受交通荷载的作用 第二是 保证行车舒适性 按照这种理念 沥青层的厚度根据经 验推荐 3 15cm 之间 对于交通量大的高速公路 其厚 度推荐在 12 15cm 中国半刚性基层沥青路面典型结构 如表 3 所示 2 2半刚性基层沥青路面结构破坏机理 为了检验这些结构的实际使用效果和破坏机理 运 用 ALF 试验系统 分别在河北正定 河北涿州和北京 通州进行了试验研究 试验的路面结构如图 2 图 3 所 示 图 2 1990 年河北正定和 1991 年河北涿州 ALF 试验路面结构图 这些试验路面均按照中国交通运输部同意发布实施 的沥青路面设计和施工规范的要求进行建设 其原材 表 2 ALF 设备研究工作汇总 截至 2008 年底 道路工程 170 2010 年 12 期 总第 72 期 料 混合料的技术要求均满足设计和施工要求 以上路 面结构形式涵盖了不同等级公路的各种结构形式 图 3 1993 1995 年河北涿州 ALF 试验路面结构图 2 3半刚性基层与沥青层的层间粘结问题 半刚性基层沥青路面结构的层间粘结非常重要 层 间粘结状况会由于交通荷载和降雨的作用而发生改变 当沥青层与半刚性基层层间界面由连续变为滑动后 沥 青层承受较大剪应力导致沥青层产生剪切疲劳破坏 1 唧浆 1990 年在河北正定进行第一次 ALF 试 验时发现 由于雨水通过沥青层的空隙或者裂缝进入到 路面结构内 导致沥青路面表面形成唧浆 该路面结构 为 6cm 沥 青 混 凝 土 AC 12cm 二 灰 稳 定 碎 石 FLSCR 45cm 石灰稳定土 LSS ZD1 这些唧浆 是由于进入到路面结构内的水和二灰稳定碎石中的细集 料在交通荷载作用下产生磨蚀作用后形成的 唧浆的产 生导致沥青层与半刚性基层之间成为滑动 随着唧浆的 不断泵出 沥青路面表面出现沉陷和坑槽 由于这次发现 当中国南方多雨潮湿地区在使用半 刚性基层沥青路面结构出现大面积水损坏时 对沥青层 的 压实度 空隙率的控制成为施工的关键控制指标 2 滑动 1991 年在河北涿州进行试验时沥青层出 现滑动的情况 该沥青路面结构为 4cm 沥青混凝土 AC 20cm 石灰稳定土 LSS ZZ1 在沥青层与 石灰稳定土基层之间没有撒铺粘层沥青 在采用 80kN 的半轴轮载加载到 3 4 万次时 沥青层出现了整体推移 破坏 对推移破坏的路面结构进行挖掘后发现 在沥青层 与石灰稳定土之间的层间界面上含有大量水分 由于没 有撒铺粘层沥青 沥青层与石灰稳定土基层之间处于滑 动状态 当这种路面结构承受较大的交通轴载作用时 路面结构的破坏极易发生 3 层间粘结的良好状态 1994 年在进行撒铺粘层 沥青加强层间结合的试验结果 沥青结构为 6cm 沥青混 凝土 AC 0 1cm 粘层沥青 25cm 水泥稳定碎石 CTB 基层 在沥青层与半刚性基层间撒铺粘层沥青 一提高层间粘结能力 试验仍然采用 80kN 的半轴轮载 在加载到 36 5 万 次以后 除了出现约 15mm 的车辙外 沥青路面没有出 现开裂 推移等损坏 表明粘层沥青起到了加强层间粘 结的作用 路面结构承受交通荷载的能力大大加强 与 1991 年的试验相比 其推移损坏的能力至少提高了 10 倍以上 因此在沥青层与半刚性基层间撒铺不同形式的 粘层油成为一个关键技术措施 4 沥青层的剪切疲劳破坏 在交通荷载作用下 沥青层表面会出现沿轮迹行驶方向的裂缝 这些裂缝一 般是由于荷载剪切作用形成的 有些专家称之为为 TOP DOWN 裂缝该沥青路面结构为 6cm AC 30cm 水 泥碎石 6cm 未筛分碎石 ZZ4 试验采用 160kN 轮载 在加载了 30 多万次 80kN 半轴轮载后 在路面表面轮迹 带上出现了纵向裂缝 当路面表面出现沿加载方向的纵向裂缝后 一般认 为是路面结构出现了结构性疲劳破坏 按照现行的沥青 路面设计规范 路面表面纵向裂缝的生成是由于半刚性 表 3 中国半刚性基层典型路面结构 171 2010 年 12 期 总第 72 期 基层发生了疲劳破坏而反射上来的 ALF 试验结束后 对该路面结构进行了开挖 并发现 沥青路面表面的纵 向裂缝只产生在沥青层内 30cm 水泥稳定基层没有发 生疲劳开裂破坏 但在水泥稳定基层顶面发现了因荷载 作用而产生的磨蚀现象 表明在荷载作用下 沥青层和 半刚性基层的层间粘结状态由连续逐渐变为滑动 从而 导致沥青层的剪切疲劳破坏 2 4半刚性基层沥青路面的破坏机理 经过大约 5 年多的 ALF 试验研究 对半刚性基层沥 青路面结构的破坏机理得到深入认识 对于 强基薄 面 的半刚性基层沥青路面结构 在交通荷载作用下 首先在沥青路面结构各结构层间产生磨蚀作用 而 沥青面层与半刚性基层之间由于喷洒了粘层沥青层间粘 结状况得到加强 其次 随着交通荷载的继续作用 沥青层与半刚性 基层间的层间结合状态逐渐由连续变为滑动 其他半刚 性基层与底基层间的滑动加剧 半刚性基层的干缩裂缝 逐渐扩展 形成第一阶段 第三 随着交通荷载继续作 用 伴随着沥青层车辙的出现 轮迹带下的沥青层逐渐 变薄 路面结构各层间的磨蚀进一步加剧 半刚性基层 的开裂迅速发展 半刚性基层沥青路面的破坏自沥青层 开始向下扩展 形成如图所示的第二破坏阶段 这个发现对于多雨潮湿地区的半刚性基层沥青路面结 构的改进具有重要意义 加厚沥青层的厚度以及严格控制 沥青混合料的空隙率成为提高使用性能的关键技术手段 2 5沥青层厚度的确定 随着对半刚性基层沥青路面使用性能与破坏机理的 研究 较薄的沥青层 小于 15m 虽然能解决公路建设资 金 但其长期使用性能不能够满足快速增长的交通量的 需求 基于 ALF 试验对半刚性基层破坏机理的研究结果 在重载交通地区和多雨潮湿地区加厚沥青层的厚度成为 提高沥青路面长期使用性能的一种迫切的技术需求 2000 2006 年 采用 ALF 试验系统分别在山西省和 浙江省开展了高速公路沥青路面合理厚度的研究 山西省 是中国重载交通最多的地区之一 而浙江省是南方多雨 高温地区的代表 为了提高高速公路沥青路面的使用性 能 采用加厚了的半刚性基层结构进行了验证试验 在两个不同地区采用的路面结构基本相同 均为高 速公路等级 半刚性基层结构沥青层的厚度为 18cm 级配碎石柔性基层上沥青层的厚度为 24cm 在浙江省的 ALF 试验是在模拟降雨的条件下进行 按照设计年限 15 年的降雨量进行连续撒水 试验轮载采 用半轴双轮 80kN 轮胎压力为 0 8MPa 共对路面结构施 加了 264 5 万次 折算当量标准轴次约为2000 万次 图 4 不同路面结构路面表面弯沉随加载次数增加的变化曲线 图 4 为四种路面结构路面表面弯沉随加载次数增加 的变化曲线 从试验结果看 在承受了约 2000 万次当 量标准轴载后 路面结构的整体承载能力仍然保持原有 的水平 满足设计年限的使用要求 图 5 为四种路面结构表面车辙随加载次数变化的关 系曲线 从图中可以看到 在施加的 2000 万次当量标 准轴次后 四种路面结构的车辙均小于 15mm 表明这 四种结构具有良好的适应重载交通的能力 图 5 各结构最大平均车辙与累计加载次数的关系 通过ALF试验验证 对改进的半刚性基层沥青路面结 构在多雨 高温地区以及重载条件下的试验充满信心 3结论 ALF 试验在中国已经进行了 20 年 在对半刚性基层 沥青路面结构设计与施工技术的研究和应用中 ALF 试 验起到了巨大的作用 特别是在以下几个方面 1 路面 结构承载能力评价与预估 2 沥青路面破坏机理 3 沥