控制土基永久变形的设计指标研究

第 3 9卷 第 6期 2 0 1 4年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 9 No 6 De c 2 0 1 4 控制土基永久变形的设计指标研究 高启聚 马 霞 孙兆云 1 苏州科技学院 道路工程研究中心 江苏 苏州2 1 5 0 0 9 2 山东省道路结构与材料重点试验室 山东 济南 2 5 0 0 3 1 摘要 以我国 1 9 7 8年柔性路 面设计规 范规定 的路 面结构破坏标准为基础 利用 弹性层状体 系计算程序计 算了典型粒料基层沥青路面的土基顶面压应变和路表理论弯沉值 并利用弯沉值修正公式对理论弯沉值进行修 正 在此基础上 首先建立 了路表实际弯沉值与土基 顶面压应 变之 间的 回归 公式 结合 1 9 7 8年柔 性路面结 构设计 规范中的弯沉值控制模型 初步建立了控制土基永久变形的土基顶面压应变控制模型 关键词 道路工程 土基 永久 变形 土基顶面压应变 粒料基层 沥青路面 中图分类号 U 4 1 6 2 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 2 0 1 4 0 6 0 1 5 2 0 3 Re s e a r c h o n De s i g n I n d e x f o r Co n t r o l l i n g Pe r ma n e n t De f o r ma t i o n o f S u b g r a d e GAO QU u MA Xi a S UN Z h a o y u n 1 R o a d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f S u Z h o u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S u z h o u J i a n g S u 2 1 5 0 0 9 Ch i n a 2 S h a n d o n g P r o v i c a i l Ke y L a b o r a t o r y o f Ro a d S t r u c t u r e s a n d Ma t e r i a l s J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 3 1 C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n d e t e r i o r a t i o n c r i t e r i o n e s t a b l i s h e d b y d e s i g n s p e c i fi c a t i o n s f o r fl e x i b l e p a v e me n t i n 1 9 78 a n d u s i n g c a l c u l a t i o n pr o g r a m s u i t a b l e f o r e l a s t i c l a y e r e d s y s t e m t h e c o mp r e s s i v e s t r a i n o n t o p o f s u bg r a d e a n d t he t h e o r e t i c a l v a l u e o f t h e r o a d s u r f a c e d e f e l c t i o n we r e c a l c u l a t e d i n t y p i c a l f e l e x i b l e p a v e me n t s t r u c t u r e s wi t h u n b o u n d g r a n u l a r b a s e a n d d e fl e c t i o n v a l u e r e v i s i o n f o r mu l a p u t f o r wa r d i n d e s i g n s pe c i fic a t i o n s f o r fle x i b l e p a v e me n t i n 1 9 78 wa s u s e d t o t r a n s f o rm r o a d s u r f a c e t h e o r e t i c a l de f e l e t i o n v a l u e s i n t o r o a d s u r f a c e f a c t u a l d e f e l c t i o n v a l u e s Ab o v e t h e 0 n r e g r e s s i o n f o r mu l a b e we e n t h e c o mpr e s s i v e s t r a i n o n t o p o f s u bg r a d e a n d t h e r o a d s u rfa c e f a c t u a l d e f e l c t i o n v a l ue s wa s c r e a t e d Co mb i n e d o n t he c o n t r o l l i n g mo d e l o f d e f e l c t i o n a d o p t e d b y d e s i g n s pe c i fi c a t i o ns for fle x i b l e p a v e me n t i n 1 97 8 t he c o n t r o l l i ng mo d e l o f c o mp r e s s i v e s t r a i n o n t o p o f s ub g r a d e wa s p r e l i mi n a r i l y s e t u p t o c o n t r o l pe r ma ne n t d e f o r ma t i o n o f s u b g r a d e Ke y w o r d s R o a d e n g i n e e r i n g s u b g r a d e p e r m a n e n t d e f o r ma t i o n c o mp r e s s i v e s t r a i n o n t o p o f s u bg r a d e u n b o u n d g r a n u l a r b a s e a s p h a l t p a v e me n t 1 概 述 永久变形是中轻交通粒料基层沥青路面的主要 破坏形式 许多国家把土基顶面压应 变作为主要 设计指标 利用限制土基顶面竖 向压应 变大小控制 粒料基层沥青路面结构的永久变形 土基顶面竖向压应变法是一种适应设计使用的 近 似方法 D o r mo n等 利 用 A A S H O试验 路的 观测 资料 5 0个 试 验 段 以现 时 服 务 能 力 指 数 P S 2 5时路面临界破坏状况 通过结构反算 建立 了标 准轴载 8 0 k N 作用次数与土基顶面容许竖向压应 变的经验关系式 s a N b 1 式中 B z 为路 基顶 面容许 压应变 N为标准轴载 累 计作用次数 0 b为统计 回归系数 这一压应变关系式 随后 成为壳牌设计方 法 收稿日期 2 0 1 3 1 2 1 l 基金项 目 山东交通科技计划项 目 2 0 0 9 Y 0 1 7 作 者简 介 高启聚 1 9 7 3 一 男 山东梁山人 工学博士 副教授 主要从事路面结构和材料研究 第 6期 高启聚 等 控 制土基永久变形 的设计指标研究 1 5 3 的一项设计指标 其经验回归系数经历了多次修订 于 1 9 8 7年 壳牌设计方法又利用 A A S H O试验路全 部试 验段 3 0 0个 的观 测 资 料 对 回 归公 式 进 行 了 重新整理 得到了不同保证率时的系数值 A I 法 则按照车辙量为 l 2 7 m m 的路况标准反算 出路基 顶面容许压应变关系式 我 国沥青路面设计指标 主要采用路表弯沉 但 弯沉设计指标仅能控制路面结构总变形 并不能完 全控制土基和粒料层的永久变形 因此 建立适应 我 国国情的土基顶面压应变设计指标是势在必行 2 土基顶 面压 应变设计指标建立基础 我 国 1 9 7 8年柔性路面设计规范首次采用 了容 许弯沉值设计指标 并在大规模的沥青路面调查和 弯沉值测定基础上 建立 了控制模型 在弯沉值调 查测定时 按路表外观特征将沥青路面划分为五个 等级 见表 1 并把第 四等级路面弯沉值 的低 限 第 三级和第四级路面弯沉值的交界面 作为路面处于 破坏临界状态的划界标准 对临界状态 弯沉值和相 应 的轴载作用次数进行统计 回归 得到如下容许弯 沉值控制模型 1 3 7 2 式中 为路面达到破坏临界状态时的标准轴载 累 计作用次数 A 为与路面类型有关 的系数 见表 2 表 1 沥青路面外观状况等级划分标准 Ta b l e I Cr i t e r i a f o r t h e c l a s s i f i c a t i o n o f a pp e a r a nc e s i t u a t i o ns o f a s ph a l t p a v e me n t z 等级 外观状况 路面表面外 观特征 一 好 二 较好 三 中 四 较坏 五 坏 坚实 平整 无裂纹 无变形 平整 无 变形 少量发裂 平整 有轻微变形 有少量纵 向或不规则裂纹 有明显变形 和较多纵横向裂纹或局部 网裂 连片的严重网 龟 裂或伴有沉陷 车辙 表 2路面类型系数 Ta bl e 2 Co e f f i c i e n t s o f p a v e me n t t y p e s 我国 1 9 7 8年路 面设计规范明确 了路面结构损 坏标准 而且是后续各版本设计规范的基础 因此以 此 为基 础进 行 土基顶 面压 应变设计 指 标 的研 究 3粒料基层沥青路面结构力学分析 3 1 选取 路 面结构 与材料 参数 调研了我国 1 9 7 8年沥青路面设计规范所推荐 的路面结构形式和材料设计参数 在此基础上拟 采用表 3所示典型路面结构 及其材料参数见表 4 表 3典型粒料基层路面结构 Ta b l e 3 Ty p i c a l Pa v e me n t S t r u c t ur e s wi t h Un b o u nd Gr a n ul a r Ba s e c m 路 面结 沥青粒料 粒料 路面结 沥青粒料 粒料 构编号 顽层基层底基层 构编号 面层基层底基层 l 4 l O l 5 6 8 l 5 l 5 2 4 l 5 l 5 7 8 1 O 2 O 3 4 l 0 2 O 8 8 l 5 2 O 4 4 1 5 2 O 9 1 2 l 5 l 5 5 8 l 0 l 5 l O l 2 l 5 2 O 表 4 路面结构层材料 参数 Ta b l e 4 Ma t e r i a l p a r a me t e r s o f pa v e me nt s t ruc t u r e l a y e r s 3 2路 面结构 计算 方 法和计算 结果 首先 利用 我 国双 圆均 布 荷 载 B Z Z 一 1 0 0和 弹 性 层状体系计算程序 b a s a r 3 0分 别计算各路面结构 的土基顶 面压 应变 和面 层表面 双轮 中心 连线 中点 处 的理论弯沉值 其次利用我国 1 9 7 8年弯沉值综合修 正系数公式 F 1 4 7 Z 2 对理论弯沉值 进行综合修正 将理论弯沉值转 化为实际弯沉值 其修正过程如下 J Z z R F 1 4 7 f E o 2 根 据上 述公 式进行 推 导 得 出 z 1 4 7 I R E 0 2 p t 3 此公式即为理论弯沉值修正后得 出的实际弯沉值计 算公式 式 中 I s 为实际弯沉值 z 为理论弯沉值 p 0 7 MP a 6 0 1 0 6 5 m 为土基模量 M P a 表 5为路面结构 1的力学分析结果 其余路面 结构与此相同 不再一一示出 表 S 计算 结果 结构 1 T a b l e 5 C a l c u l a t i o n r e s u l t s N o 1 l 5 4 公路工程 3 9卷 续表 5计算结果 结构 1 T a b l e 5 C a l c u l a t i o n r e s u I t s N o I 4 土基顶面压应变控制模型的建立 4 1 土基顶 面 压应 变与修 正 弯沉值 之 间 的 回 归关 系 把各路面结构的土基顶面压应变与路表修正弯 沉值计算结果 5 4 0组数据 按照幂指数形式进行数 学统计回归 回归结果如图 1所示 得到回归公式 如下 0 0 3 7 7 R 0 9 3 9 2 4 式巾 8 为土基顶面压应变 f 为弯沉修正值 i 础 陶 隧 埘 1 图 1统计 回 归结 果 Fi g u r e 1 St a t i s t i c a l r r e s s i o n r s u hs 4 2土基 永久 变形控 制模 型 的建立 把我国 1 9 7 8年弯沉值控制模型公式 2 代入 到统计 回归公式 4 中 推导后得到如下 土基 顶面 压应 变控制 模 型 8 z 5 8 5 8 1 0 N 勰 5 4 3不 同土基 顶 面压应 变控 制模 型 的比较 把 所建 立 的土基 顶面压 应变 控制模 型 与较有 影 响的 A I 设计法 S h e l l 设计法所采用的土基 顶面压 应变控制模型进行 比较 由于国外设计轴载为双轮 组单轴载 8 0 k N 首先把轴载作用次数统 一换算成 我国标准轴载作用次数 然后再进行土基顶面压应 变计算结果 的 比较 比较 结果见 图 2 轴载作用次 数换算公式 叫如下 N1 0 0 Na 0 x 0 4 1 9 5 6 出 陋 晤 回 O1 0 0 荷载 作用次数 l o g N 图 2 土基顶面压应变控制模型的比较 Fi g u r e 2 Co mp a r i s o n o f c on t r o l l i ng mo de l s o f c o mp r e s s i v e s t r a i n o n t o p o f s ub g r a de 下转 第 l 8 5页 第 6期 吴 晕 阻燃剂对 隧道 阻燃 沥青混合料技术性能 的影响 1 8 5 剂改性后 阻燃沥青混合料的浸水 马歇尔残留稳定 度 冻融劈裂强度均远大于规范 8 0 的要求 因此 采用复合阻燃剂改性方案在降低阻燃剂总掺量的同 时 提高 了阻燃沥青混合料的水稳定性 4 结论 通过本文的研究可以得到以下结论 阻燃剂的掺加质量 种类均对 S B S改性沥青 混合料的阻燃性能有显著影响 无机阻燃剂虽然有 较好的阻燃效果 但其掺量较大 阻燃沥青的制备较 为 困难 从不同阻燃剂掺量下的极 限氧指数 变化规 律来看 本 文 推 荐 无 机 阻燃 剂 A 的最 大掺 量 为 2 0 膨胀阻燃剂的最大掺量为 8 有机阻燃剂 的 最大掺量为 8 阻燃剂的添加在提高 S B S改性 沥青混合料 高温稳定性 的同时会对 S B S改性沥青混合料 的低 温抗裂性和水稳定性产生不利影响 相比单一阻燃剂与 S B S复合改性沥青 采用 复合阻燃 剂改性方案可有效改善 S B S改性 沥青混 合料的水稳定性和低温抗裂性 参考文献 I 谭 东 丛林 复合阻燃剂对花岗岩石料路用性 能的影响 J 公 路 工程 2 O l 1 4 2 李立寒 邹小 龙 陈春羽 阻燃 沥青混合 料阻燃 抑烟性 能及路 用性 能研究 J 建筑材料学报 2 o 1 2 1 o 3 王薪钢 毛朝军 浅谈公 路隧 道火灾 及其结 构 防火保 护措 施 J 消防技 术与产 品信息 2 0 0 5 3 4 李祖伟 陈辉强 陈仕周 等 沥青 阻燃改性技 术研究及其 阻燃 机理 J 长沙交通学院学报 2 0 0 2 1 8 4 4 4 4 7 5 陈辉强 陈仕周 沥青 阻燃改性技 术研究 J 公 路交通科 技 2 0 0 3 2 1 9 2 0 6 欧育湘 李建军 材料阻燃性能测试方 法 M 北京 化 学工业 出版社 2 0 0 7 7 陈春羽 沥青及其混合料阻燃性能评价方法 与性 能研究 D 上海 同济大学 2 0 1 1 8 徐婷 隧 道阻 燃抑 烟沥 青及 其 混合料 技 术性 能 与机 理研 究 D 西安 长安大学 2 0 0 9 9 黄刚 高温条件下抑烟改性 沥青开发及混合料性能研究 D 重庆 重 庆交通大学 2 0 1 4 1 O 杨群 郭忠印 蔺习雄 隧道路面阻燃多孔沥青混凝土性能研 究 J 同济大学学报 自然科学版 2 0 0 5 3 1 1 张厚记 沥青路 面的矿 物组分 阻燃机理 与技术 研究 D 武 汉 武汉理工大学 2 0 0 7 1 2 彭建 康 董瑞琨 苏胜斌 长大隧道沥青 路面阻燃剂及阻燃 机 理研究 现状 J 材料导报 2 0 0 9 7 1 3 剑英 罗小锋 吴少晨 阻燃 S B S改性沥青的制备及性 能 J 中国公路学报 2 0 0 7 2 1 4 邓学钧 路基路面工程 M 北京 人民交通 出版社 2 0 0 1 1 5 孙立军 沥青 路面结 构行 为理论 M 上海 同济大 学 出版 社 2 0 0 3 上接 第 1 5 4页 从上述 比较结果可以看 出 在相同荷载作用次 数下 所建立的土基顶面压应 变控制模型计算结果 大 于 A I s h e l l S O 保 证 率 s h e l l 8 5 保 证 率 和 s h e l l 9 5 保证率土基顶面压应变控制模型的计算结 果 这种状况与我国较大的设计轴载相适应 从而说 明 了建立 的 土基顶 面压应 变控 制模 型的适 宜性 5 结语 初 步提 出了控制粒料基层沥青路面结构土 基永久变形的土基顶面压应变设计指标 建立了土 基 顶 面压应 变控 制模 型 对 我 国沥 青路 面 结 构 设计 指标的修订具有参考价值 模型公式未进行现场修正与验证 有必要在 下一步的工作中对控制模型进行修正与验证 参考文献 1 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 2 林绣贤 柔性路面结构设计方法 M 北京 人 民交通 出版社 1 9 8 8 3 沈金安 国外沥青 路面设计 方法总 汇 M 北京 人 民交通 出 版社 2 0 0 4 4 D o r mo n K R T h e e x t e n s i o n