通平高速公路大厚度基层沥青路面疲劳特性分析研究.pdfVIP

第 37 卷 第 6 期 2 0 1 2 年 1 2 月 公 路 工 程 H i gh w ay E n g i n ee ri n g V o 1 3 7 N o 6 D ec 2 0 1 2 通平高速公路大厚度基层沥青路面 疲劳特性分析研究 何 杰 湖南省通平高速公路建设 开发有 限公司 湖 南 岳 阳414500 摘要 结合通平高速公路的工程实践 通过 计算分析不 同层间粘 结状态下 的大厚度 基层沥青 路面与普通 半刚性基层 沥青路 面的力学特性 和疲劳特性 得出了总厚度相 同的大厚 度基层沥青路面要 明显 优于普通半刚性基 层沥青路 面的结论 关键词 大厚度基层 力学特性 疲劳特性 最大拉应力 最大剪应力 理论弯沉 中图分类号 u 4 16 217 文献 标识码 A 文章编号 1674 0610 20 12 06 0109 04 F a ti gu e C h arac teri sti c s A n alysi s of L a rg e T hi c k n ess A sp h alt P a vem en t o f T on g p i n g E x p ressw a y H E Ji e H unan Tongpi ng Expressway Construc ti on and D evelopm ent Co Ltd Y ueyang H unan 4 14500 Chi ha A bstrac t In thi s paper the author c om bi nes Tong pi ng expressway engi neeri ng prac ti c e through c alc ulati on and an alysi s 9f di fferent i nterlayer bondi ng state of th e large thi c kness of asphalt pavem ent of sem i ri gi d b ase asp halt p avem ent w i th ord i n ary m ec h ani c al p roperti es and fati gue c harac teri sti c s draw the total thi c kness of th e sam e thi c kness of asp halt pavem ent i s superi or to ordi nary asph alt pavem ent of sem i ri gi d base of the c on c lusi on K ey w ords large thi c kness base m ec hani c al c harac teri sti c fati gue properti es m axi m um tensi le st re s s 1 概述 半刚性基层 以其强度强 承载能力强 板结 性 好 经济等优点成为 目前我 国高速公路建设主要的 基层结构型式 目前 90 以上 的高速公路 均采用 半刚性基层沥青路面 高速公路的半刚性结构层包 括基层 底基层的总厚度达到 50 60 c m 厚 根据 公路基层施 工技术规范 JTJ 033 95 公路沥 青路面施工技术规范 JTJ 036 98 当半刚性基层 的厚度 达 到 一 定 厚 度 时 应 分 层 施 工 规 范 一 般 规 定 半刚性结构层最小施工厚度为 15 c m 最大施工 厚度为 20 c m 最适宜厚度 为 l8 20 c m 因此 目 前高速公路半刚层结构层一般分三层进行施工 目前半 刚性结构层 的施 方式 主要有 以下 2 种 分层间断施工 分层连续施工 分层间断施工是指先摊铺一层 压实到规定的 压实度 立即覆盖养生 7 14 d 后 再进行上一层半 刚性层的施工 这种施工方式在两层半 刚性之间的 层间结合不好 而且可能存在一个薄弱层 降低 了半 刚性层的整体性能 另外 上层半刚性层施工时 振 动压实机械会对下层半刚层产生扰动甚至破坏 分层连续施工是指对第一层进行摊铺 整平 碾 压 经快速检测压实度合格后 立即进行下一层半刚 性层的摊铺 整平 压实作业 并碾压到规定的压实 度 这两层施工是连续的 紧凑的 第一层拌和开 始时间到第二层碾压结束的时间不得超过水泥的初 凝时间 一般要控制在 3 4 h 之 内 由于施工 的 限制给分层连续施 工提高 了较大的难度 一般只有 小段落的才能采用这种施工方式 随着大功率的摊铺机和大功率的压实机的研制 收稿 日期 2012 09 16 作者简介 何 杰 1962 一 男 湖南长沙人 高级 程师 主要从事高速公路施 工与管理 1 作 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m ll0 公路工程 37 卷 成功及推广应用 让大厚度基层成 为了可能 通平 高速公路路面 l5 标将 3 层半刚性层分为 2 层施工 有效地提高了工期和质量 下面对其路面结构结合 的力学性能对 比分析如下 2 大厚度基层沥青路面 的结构组合设计及 优缺点分析 通平高速公路路面 l5 标采用了大厚度基层 其 路面变更设计与原设计结构组合对比见表 1 从上述结构组合对比来看 将大厚度基层沥青 路面将 56 c m 厚半刚性层分为两层 28 c m 半刚性层 进行施工 该项结构变更具有以下的优点 提高底基层 的承载能力 目前我 国高速公 路普通缺少施工便道 大量的运料车在新建高速公 表 1通 平高速公路大厚度基层 沥青 路面 的结构组 合 T able l La rge thi c k ness base asph ah pavem en t stru c ture c om bi nati on of T ong pi ng E xpressw ay 路上行驶 由于半刚性底基层水泥用量少 厚度薄 在大型运原材料 混合料车辆的碾压下 常常出现早 期微裂缝 其结构承载能力降低 作为一层半刚性承 载层在高速公路运营过程 的使用功能大打折扣 从 而降低 了沥青路面结构的实际使用寿命 经济性显著提高 减少 了一层半刚性 层的 施工工期 加快了工程进度 同时节省了一层半刚性 层相关机械摊铺 碾压费用 也减少了一层水泥浆粘 结层 同时将 8 c m 厚的水泥稳定碎石的水泥用量 从 5 降至了 4 也节省 了部分造价 为进一步 比较两种结构组合对路面使用性能的影响 我们对 于结构力学性能和疲劳性能进行 了较全面的分析 较厚的半刚性层抗裂性能显著强于较薄 的 半刚性层 可降低半刚性层 自身的干缩和温缩裂缝 由于减少了一层层间粘接层 也就是减少了 一 层薄弱环节 3 分析模型及计算 参数 3 1 分析模 型 沥青面层在力 学性质上属于非线性 的弹一 粘一 塑性体 但考 虑到行驶车辆作用的瞬时性 百分 之 几秒 在路面结构 中产生的应力数量很小 所 以对 于厚度较大 强度较高的高等级路面 将其视作线性 弹性体并应用弹性层状体系理论进行分析计算是合 适的 我国与大部分国家的现行 沥青路面设计方法 均 是以该 理论 为基础 的 在进行 弹性层状体系理论分析时 一般引入以 下的假设 与规范设计理论的相 同 即假设研究对 象为弹性半空 间体 各层均是连续 的 完全 弹性的 在进行损坏分 析时考虑非线性 因素 均匀 的 各 向同性的 以及位移和形变是微小的 且无限远处其 应力 形变和位移均为零 荷载采用设计规范中的标准荷载型式 即单轴一 双轮 组 轴 重 P 100 kN 轮 胎 接 地 压 强 P 0 7 M Pa 单轮传压面当量圆直径 d 28 21 3 c m 两轮中心距 为 1 5 d 为 了分 析的可 比性 都采用 相同的轮胎接地压强 当量圆直径 两轮中心距 研 究路面的位置作用点为 A B D E F 以及其纵向不 同位置的点 记为 A D E F z 表示距地表 的深度值 c m 其平面位置见图 1 采用壳牌公 司 开发的弹性层状体系计算分析软件 BISA R3 0 L E l h I 2 2 E 一 1 n I E 轴 E 一 Z 轴 a h 图 1 力学计算 图式 F i gu re 1 Mec h ani c al c alc ulati on 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6 期 何杰 通平 高速公路大厚度基层 沥青路面疲劳特性分析研究 111 3 2 计算参数 根据 公路沥青路面设计规范 JTG 一 2006 结 合通平高速公路的实际情况 拟定 各结 构层 的回弹 模量和泊松比等计算参数见表 2 表 2 各结构层的计算 参数 表 T able 2 C alc u lati on param eters of eac h laye r 序号 结构层 名称 厚度 4 c a 改性沥青 SM A l3 6 c a 改性沥青 A C 20 8 c a 普通石油沥青 A C 一 2 5 28 c m 5 水泥稳定碎石基层 28 c m 4 水泥稳定碎石底基层 18 c a 5 水泥稳定碎石基层 20 c ln 4 水泥稳定碎石底基层 土基 4 层 间粘结状态分析 半刚性基层沥青路面的层间粘接一直是一个值 得探讨的问题 目前大多数的关 于层间粘结 的研究 主要集 中于面层 与基层 之间 的结合 在结构 设计 时 往往将路面各层间的联接假设为层间连续状态 实际施工 中按洒透层油方式来实现 事实上大多数 透层油无法渗透进密实 刚度大的半刚性基层 面层 与基层间往往处于半连续半滑动状态 局部施工不 良 未进行层问粘接处治 脱空等路段 甚至处于完 全 滑动 状态 从 施工 现 场的钻 芯取 样 即可 看 出 许 多路段难 以取出上 下 底基层连接完整 的芯样 即 便是取出了完整的芯样 其层 间结合部也是整个结 构中最薄弱的环节 目前许多高速公路包括通平高 速公路在半刚性层层间设置了 1 5 kg m 水泥用量 的水泥浆连接层 但仍难 以达到完全连续状态 因 此 在本项 目研究结构理论分析计算 中 为了进一步 分析各种层间粘结状态 2 种路面结构组合的力学特 性 分为 5 种工况进行 了计算分析 其 中沥青面层与 基层间 半刚性层 间均取完全连续 半连续半滑动状 态 滑动系数取 0 5 半连续半滑动状态 滑动系数 取 0 7 半连续半滑动状态 滑动系数取 0 9 完 全滑动等 5 种工况 其余 面层与面层 间 底基层与 土基均按完全连续考虑 5 沥青层最大拉 应力和剪应 力分析 5 1 沥青层最大拉应力计算 分析 比较大厚度基层沥青路面与原设计 2 种结 构型式 一般沥青层 的最大拉应力 出现在表面或底 面 分别计算其沥青层顶面和底面最大拉应力结果 见 表 3 表 3 不 同工况条件下的沥青层最大拉应力计算结 果 T able 3 M axi m u m ten si le stress c alc ulati on results of the asph alt layer un der di fferen t w orki n g c on di ti ons 5 种工况下的 滑动系数取值 沥青层最大拉应力 M Pa 结构一 大厚度基层 结构二 原设计 沥青层顶 面 沥青层底面 沥青层顶面 沥青层底面 从表 3 可以看出 当采用大厚度基层沥青路面 结构一 时 除完全连续工况条 件下外 其沥青层 表面拉应力均大于普通半刚性基层沥青路面 结构 二 其底 面的最 大拉应 力则小 于原 设计 的结构 二 特别是处于完全滑动状态时 结构一 比结 构二 的沥青层最大拉应力应小 23 3 5 2 沥青层最大剪应力计算 计算不 同工况条件下结构一 结构二不同深度 处的沥青层剪应力 当计算其沥青层内最大剪应力 见表 4 从表 4 可见 当 2 种结构均处于完全连续或滑 动系数较小的半滑动半连续状态 滑动系数为 0 5 0 7 时 其最大剪应力位于 C 点 2 c m 厚度 两种结 构的最大剪应力计算结果相等 当两种结构处于半 连续半滑动状态 滑动系数为 0 9 时 两种结构的 最大剪应力差不多 大厚度基层沥青路面 结构一 略 大 当两种 结构 处 于完 全 滑 动状 态 时 大 厚 度 基 层沥青路面结构 结构一 比结构二 原设计 要小 不 少 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m l l2 公路工程 37 卷 表 4 不 同工况条件 下的沥青 层最大剪应力计算结果 T able 4 Maxi mum shear stress c alc ulati on results of the as phalt layer un der d i fferent w orki ng c ond i ti ons 5 种工况下的 滑动系数取值 塑童星星 堕堕 结构一 结构二 大 厚度基层 原设计 6 半刚性层最大拉应力分析 考虑不同工况条件下 计 算结构一 大厚度基 层沥青路面 和结构二 原设计 半刚性层底的最大 拉应力见表 5 表 5 不同工况条件 下的半刚性层 最大拉 应力计算 结果 T ab le 5 M axi m um ten si le stre ss c alc u lati on results of th e sem i ri gi d layer un der d i fferent w orki n g c o ndi ti on s 5 种工况下 的滑动系数取值 型丝星墨 垫堕 结构一 结构二 增JJu 减少 大厚度基层 原设计 从表 5 可以看出 除 了完全连续状态下 大厚度基层沥青路面由 于有 8 em 厚水 泥稳定 碎石的水泥用量 由 5 减少 到 4 强度略有降低 造成其最大拉应力 比原设计 略大 大约 1 其他工况条件下 采用大厚度基层 沥青路面 结构一 的半 刚性层最大拉应力均小于 结构二 7 结构疲劳性能分析 根据 公路沥青路面设计规范 JTG 2006 计 算结构一和结构二在不同工况条件下的理论弯沉和 计算疲劳寿命 理论弯沉计算结果见表 6 计算疲劳 寿命计算结果见表 7 从表 6 中可 以看 出 除了完全连续状态下 大 厚度基层沥青路面 结构一 由于有 8 c m 厚水泥稳 定碎石的水泥用量 由 5 减少到 4 强 度略有 降 低 造成结 构 一 的理 论弯 沉 比原设 计 略大 大 约 0 34 在其他工况条件下 结构一的理论弯沉均 小于原设计的结构二 完全滑动状态下 结构一的理 论弯沉要远小于结构二 从 表 7 中可 以看 出 除 了完 全连 续 状 态下 大 厚度基层沥青路面 结构一 由于有 8 c m 厚水泥稳 表 6 不同工况条件下的理论弯沉计 算结果 T able 6 T heoreti cal defl ec ti on c alc ulati on resuh s und er di ffer ent w orki ng c ond i ti ons 5 种工况下的 滑动系数取值 变 竺 竺 增加 结构一 结构二 减少 大厚度基层 原设计 表 7 不同工况条件的计算疲劳寿命的计算结果 T able 7 F ati gue li fe c alc ula ti on resu lts und er d i fferent w orki ng c on di ti ons 注 当 面 层 与 基 层 同 基 层 与基 层 I司处 于 元 全 滑 动 状 态 时 其 疲 劳寿命 由半刚性层最大拉应力控制 其他状 态其疲 劳寿命均 由弯沉 控制 定碎石 的水 泥用量 由 5 减少到 4 强度略有 降 低 造成结构一 的计算疲劳寿命 比原设计 略小 小 约 2 66 在其他工况条件下 结构一的计算疲劳 寿命要远大于变更前的原设计 结构一 特别是滑 动系数为 0 9 的半连续半滑动状态 其计算疲劳寿 命增加 58 4 完全滑动状态下 其计算疲 劳寿命 增加 5 倍多 8 结语 通 过对 总厚 度相 同 的大 厚度 基 层 沥 青路 面 结 构一 与普通半刚性基层沥青路面 结构二 进行力 学特性及疲劳特性分析 得出了如下的结论 对于沥青面层厚度相同 半刚性层总厚度相 同的沥青路面结构 由于其半刚性层厚度分层不一 致 在结构处于完全连续状态时 其力学特性和疲劳 特性也差不多 仅由于其胶结料用量不同 有较小的 差异 当结构的面层与基层间 基层与基层间处于 半连续半滑动状态时 其力学特性和疲劳特性出现 了较大的差别 采用大厚度摊铺技术的大厚度基层 沥青路面其各项力学特性和疲劳特性均优于采用较 薄厚度的普通半刚性基层沥青路面 下转 第 121 页 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 6 期 傅强 微 型抗滑桩在 分化岩高边坡加 固中的应用研究 121 上 接 第 112 页 当结构的面层与基层间 基层与基层间处于 完全滑动状态时 采用大厚度摊铺技术 的大厚度基 层沥青路面其各项力学特性和疲劳特性要大大优于 普通半刚性基层沥青路面 其计算疲劳寿命 是普通 半刚性基层沥青路面的 5 倍多 由于 目前 高速公路技术条件和施工条件 的 限制 面层与基层 间 基层 与基层间 的层 间粘接状 态 不可能处于完全连续状态 绝大多数层间处于半 连续半滑动状态 少数施 工不 良 未进行层间处理 层间脱空等甚 至处 于完全滑动状态 因此 采用 大 厚度基层沥青路面不但节省工期 经济可靠 而且其 力学特性和疲劳特性也要明显优于普通半刚性基层 沥青路面 参考文献 1 沈金安 高速公路 沥青路面早期损坏分析与防治对策 M 北 京 人 民交通 出版社 2004 2 JTJ 034 2000 公路路面基层施 工技术规范 S 3 JTG D50 2006 公路沥青路 面设计规范 S 4 刘世武 闻开军 彭 德潭 整体大厚度 半刚性 基层沥青路 面的 结构性 能分析 J 林业建设 2000 6 78 81 5 李炜 光 范文东 韩 庆 大激振力作 用下厚 层水稳碎 石压实 特性研 究 J 武 汉 理 工 大 学学 报 交 通科 学 与 工 程 版 201l 35 2 241 245 上接第 115 页 47 62 90 事 故 原 因 违 章 变 更 车 道 同 向 刮 擦 14 28 75 事 故 原 因 违 章 装 载 翻 车 9 52 100 通过调整算法的最小支持度 最小置信度的阈 值 可以发现更多的关 联规则 通过对关联规则 的 分析 可以得 出一系列有参考意义的结论 例如尾随 相撞在事故 中占据相 当大的 比例 而当雨类 天气 和 未保持安全距离 同时发生时 极易导致尾随相撞 事 故 的发 生 当交通数据 量十分庞大时 关联规则挖掘技术 将更加体现 出它在关联性发现方面的强大优势 5 结语 运用基于经典频集算法对交通事故数据进行了 关联规则数据挖掘 挖掘出一系列有用的潜在规则 与实际情况相符合 所得 出的高速公 路事故 的发生规则 可 为交通 事故预警提供理论依据 和数据支撑 从而协助高速 公路交通管理者在预警管理过程中采取更有针对性 的措施 有效的降低交通事故率 改善交通安全环境 参考文献 1 陈晨 高嵩 吴超仲 等 我国高速公路 交通 安全现状及对