路面力学和结构设计论文

沥青混凝土路面因其具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、易修补、易改造等特点，在国内、外公路建设中正得到广泛运用和迅猛发展。我国的高速公路，90%以上是沥青路面。但是社会和经济的高速发展,交通的发展也越来越迅速,伴随而来的重载、超载、大交通量等现象越来越普遍,致使沥青路面超负荷运行,从而使得沥青路面普遍在设计年限的早期便出现车辙、裂缝、坑槽等破坏,表面功能大幅度衰减,沥青路面普遍达不到设计寿命，有些公路甚至使用不到两三年就不得不进行大面积翻修。但从已建沥青路面的使用情况上来看，这其中的原因是多方面的。诚然沥青路面出现的早期破坏,有设计、施工、管理等多方面原因。但是我们也要分析一下沥青路面的力学性质，从中找出沥青路面破坏的本质所在。沥青路面属于多层体系,因此在研究沥青路面设计方法时,较为理想的力学模型当是层状体系理论。它较弹性半空间理论更能反映沥青路面的实际工作状况。就设计而言,我国现行的沥青路面设计规范是以层状弹性体系为基础。层状弹性体系假定沥青路面各结构层之间的接触面完全连续。但是路面钻芯取样发现,沥青混凝土层之间的粘结作用较弱,比较容易分开。这样沥青路面的设计理论工作状态与实际工作状态不相符合。沥青路面在这种工作状态下,其力学响应就会与原来的设计有所不同,从而直接影响到路面的力学响应。因此有必要研究沥青路面在层间接触不完全连续的情况下沥青路面的力学性能,并与现行沥青路面设计规范进行比较。在我国，现行沥青路面设计规范所采用的路面设计和控制指标也基本上只是反映路面整体强度的路表弯沉以及层底拉应力，而近年来交通运输日益繁重，特别是超载运输的盛行，造成了大量的早期破坏现象，并且这种路面的早期破坏通常发生于或起源于路面面层内的微小损害，此时的路面整体强度依然很高，光从路表弯沉是反映不出来的。随着交通运输业的发展，交通荷载作用造成的沥青路面自上而下裂缝也作为一种新型的早期破坏问题出现在了我国道路工作者的面前，而我国关于路面结构裂缝的研究大多也是陷于各种路面结构层次，认为结构疲劳破坏是由于层底的疲劳康力不足，采用的一般是传统的疲劳理论，对自上而下的疲劳开裂问题的研究涉及不多，尚未形成一致的认识。(一)路面结构的破坏模式沥青路面状况和使用品质由于环境的干、湿、冷、热的交替循环和行车荷载的反复作用而逐渐变坏，或完全丧失工作能力。为了保证路面结构性能在规定的使用年限内不恶化到某一程度。需要分析路面破坏的模式和产生的原因，并依此制定出相应的设计指标来控制路面设计。沥青路面在使用期开裂是世界各国普遍存在的问题，且不论其基层是柔性的还是半刚性的。路面裂缝的危害在于从裂缝中不断进入水分，使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、台阶、网裂等病害，从而加速路面破坏。沥青路面破坏形态各异，破坏的原因是错综复杂的，根据损坏现象的成因及对路面使用性能的影响，路面的破坏可分为以下几种主要模式。1.沉陷沉陷是路面在车轮荷载作用下，其表面产生的较大凹陷变形，有时凹陷两侧伴有隆起现象．如图2-7-1所示。当沉陷严重超过了结构的变形能力，在结构层受拉区产生开裂而形成纵裂，并有可能逐渐发展成网裂。引起沉陷的主要原因是路基水文条件差而过于湿软，承载力显著降低，在车轮荷载作用下出现沉陷并导致路面的开裂、变形和破坏。2.车辙车辙是路面结构层及土基在行车荷载重复作用下，以及结构层中材料的侧向位移产生累计永久变形。这种变形出现在行车带处，（特别在渠化交通的情况下）就形成路面的纵向带状凹陷。车辙是高级沥青路面的主要破坏形式。因为这种路面的使用寿命较长，即使每一次行车荷载作用下产生残余变形量很小，而多次重复作用累积起来的残余变形总和也将会很大，足以影响车辆的正常行驶。路面的车辙与荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性质有关。3．疲劳开裂开裂是沥青路面常见的破坏类型。开裂的种类和原因有几种，这里所说的开裂是路表无显著永久变形而出现的裂缝现象。疲劳开裂的特点是首先出现较短的纵向开裂，继而逐渐发展为网状开裂，开裂面积不断扩大。发生疲劳开裂的主要原因是：结构整体强度不足或在车轮荷载反复作用下，沥青结构层底面或半刚性基层底面产生的拉应力(或拉应变)超过材料的疲劳强度，底面便发生开裂，并逐渐扩展延伸到表面。4．推移推移是沥青路面材料沿行车方向发生剪切或拉裂破坏面出现推挤或拥起现象。如图2-7-2所示造成椎移的主要原因是：当沥青路面受到较大的水平荷载作用时(在车辆经常启动、制动的路段及弯道、坡度变化处等)，车辆荷载引起的竖向力和水平力的综合作用使结构层内的切应力或拉应力超过材料的抗剪或抗拉强度。低温缩裂路面中的一些整体性结构层在低温时候（负温度）由于材料收缩受到限制而产生的较大拉应力，当它超过材料相应条件下的抗拉强度时便产生横向间隔性的（间距为5~8m）裂纹，严重时发展为纵向裂缝(因为路面的纵向约束远大于横向约束)。在冰凉地区，沥青面层及用水硬性材料稳定的整体性基层。冬季可能出现这种裂缝。低温裂缝的产生与荷载无关。路面材料的干缩裂缝或半刚性基层上沥青面层的反射裂缝，均为横向裂缝，另外路基不均匀沉陷、冻胀也会产生横裂和纵裂。模型和纵裂进一步发展会扩展成网裂。沥青路面开裂的原因很多，主要由：沥青路面开裂裂缝分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝两大类。其一，荷载型裂缝主要由于交通荷载作用产生的疲劳裂缝，故又称为路面荷载疲劳开裂，即在交通荷载的循环作用下，路面结构产生随机、不规则的压力与应变，使沥青砼面层和其下的结构基层内部产生细微裂纹，随着交通荷载的持续作用，裂纹不断发展，使沥青砼面层出现疲劳裂缝。路面等级和面层类型应与公路等级和交通量相适应。确定路面等级和面层类型应以政治、经济、国防、旅游以及经济发展的需要和设计交通量为主要依据。此外，还应考虑使用需要、材料供应、施工机械设备、地区特点、施工养护工作条件等多方面的因素。具体确定时还可参考表2-4-7。各类沥青路面的路用特征见《公路沥青路面设计规范》表3．o．2。路面面层因直接承受行车和自然因素的反复作用，要求强度高(抗拉和抗剪切)、耐磨耗、抗滑、热稳性好和不透水，因而通常选用粘结力较强的结合料和强度高的集科作为面层材料。交通量越大，公路等级越高，则路面等级也应该越高，厚度也越大，相应的面层层次一般也越多。在选择面层类型时，特别应考虑当地的气候特征如在气候干旱地区，不宜采用砂砾路面，以免产生严重的搓板现象。在多雨地区，要特别重视路面结构层的水稳性和面层透水性问题；对沥青路面，还要考虑寒冷地区的低温抗裂性和高温地区的热稳性问题，同时还要考虑抗滑性能等问题。2．基层类型的选择基层是主要的承重层，应具有足够的强度、刚度和水稳定性。目前常用的基层类型有沥青、水泥及工业废渣稳定类、碎(砾)石嵌锁类和土、石级配类二种。每—类型都有各自的特点，沥青、水泥和二灰稳定类适用于交通量繁重的公路，其他类型可适用于—般交通道路。在选择基层类型时，首先要考虑充分利用当地材料这一原则。即使当地某些材料不能直接使用，也要从施工工艺、材料组成等方面采用适当措施加以改进，使之得到合理应用。如果所需基层厚度较大时，为了降低造价，可增设底基层，用成本较低、来源较广，性能稍差的当地材料(如砂、砾等)铺筑底基层。应重视沥青类路面的基层水稳性问题，以土作为结合料的基层，水稳定性较差．故在潮湿和中湿路段上，应选用碎石片石、块石、工业废渣、不含土的天然砂砾、石灰土、二灰土及水泥稳定砂砾等水稳性好的基层。对于泥结碎(砾)石和级配碎(砾)石属于水稳定性差的基层，仅限用于干燥路段，不得用于中、潮湿路段，否则将会引起基层含水量增大而导致沥青路面的严重破坏。三、沥青路面结构组合设计在路面等级、面层类型、基层类型都选定之后，就应考虑各结构层如何安排的问题。要使整个路面结构既能承受行车荷载和自然因素的作用，又能最大限度地发挥各结构层的效能，这是路面结构组合要解决的问题。路面结构层的组合设计，就是按行车和环境因素对不同层位的要求，结合各类结构层本身的性能，进行合理的安排。不同的结构组合会产生不同的结果，层次多、厚度大的路面结构，其使用效果不一定好。路基路面是一个整体结构，各结构层有各自的特性和作用，并相互制约和影响，结构组合不合理，所用材料再好，厚度再大也无济于事。根据实践经验和理论分析，结构组合应遵循下列原则：1．根据各结构层功能组合遵循路面耐久、基层坚实、土基稳定的原则、结合各结构层功能正确合理的选择面层、基层和垫层是组合设计的前提条件。就面层来讲，不仅要考虑高强、耐磨、热稳性好和不透水等性能，还应考虑设几层较为合适。如果交通量繁重的道路，应加设联结层作为面层下层，以抵抗水平力在面层底产生的切应力。采用空隙大的沥青混合料或沥青贯入式碎石做面层时，应在面上加设沥青砂或沥青表面处治做封层。基层要有足够的抗压强度，一定的刚度和水稳定性。交通繁重时，单层应选择沥青或水泥(或二灰)稳定类材料．并采用双层式基层，即加设底基层；如果土基水温状况不良时，应设石灰土及天然砂砾等垫层。要使路面有足够的整体强度．还应保证路基的强度和稳定性。否则，单靠加强或增厚面层或基层，并不能收到良好的效果，同时也不经济合理。稳定路基的一般措施，最经济最易办到的方法是，加强路基排水和使路基达到要求的压实度。2．强度组合轮载作用于路面表面，其竖向应力和应变随深度而递减，因而对各层材料的强度(模量)的要求，也可随深度而相应减小，见图2-7-7。因此，路面各结构层应按强度自上而下递减的方式组合。这样既能充分发挥各结构层材料的效能，又能充分利用当地材料充当底基层和基层，以降低造价。采用强度(模量)按深度递减的规律组合路面时，还应注意各相邻结构层之间的模量不能相差过大。上下两层模量相差过大时，上层底面将会因下层变形过大而产生较大的拉应变，导致上层被拉裂。因此，规范要求基层同面层之间的模量比不应小于0.35土基与基层的模量比应在0.08~0.40的范围内。不满足上述要求的应更换材料或增加结构层次。当然，在实际使用中，也有模量上小下大的倒装结构，如在模量较高的半刚性基层与沥青混凝土面层之间设置碎石过渡层等。这种结构可根据具体情况使用。层间结合应尽量紧密，避免产生层间滑移，以保证结构的整体性和应力分布的连续性。例如，为了保证沥青面层与基层的紧密结合，除了根据施工规范的有关规定，采取施工技术措施外，在设计高速公路和一级公路的沥青路面时，在沥青面层与半刚性基层之间应设置由沥青材料组成的联结层。4．考虑自然水温条件的不利影响在潮湿或某些中湿路段上修筑沥青路面时，由于在中湿和潮湿路基中的水分以液态或气态形式上升至基层，被不透水的沥青面层所隔离，不能蒸发而积聚在邻近面层的基层内。除此之外地面水的渗透和地下水的毛细水上升同样在基层内产生水分积聚。如果基层材料仅以土为结合料(如泥结碎石、级配砾石)，水稳性差，就会因湿度过大时变软、强度和刚度急剧下降而导致路面开裂破坏，因此，沥青路面的基层应选用水稳定性好的材料，特别是在中湿和潮湿路段更应如此。潮湿路段，为了改善路基的温度和湿度状况，防止冻胀和翻浆的出现，保证路面良好的使用品质，还必须设置垫层。垫层一般采用天然砂砾、粗砂、煤渣、矿渣等粒料以及水泥或石灰，煤渣稳定粗粒土，石灰粉煤灰稳定粗粒土等。垫层厚度一般为15~25cm左右。在季节性冰冻区有冻胀可能的中湿、潮湿路段，为丁防止产生导致路面开裂的不均匀冻胀，路面总厚度不应小于《公路沥青路面设计规范》中表5．2．5的规定，道路冻深应按条款5.2.4的计算公式执行，如按强度计算的路面总厚度小于表列厚度规定时，应加厚垫层补足。5．适当的层数和厚度沥青路面通常为多层结构，为了便于施工，路面结构层的层数不宜过多。根据材料的最大粒径并考虑有利于结构层应力分布，有利于压实成稳定的结构层次等因素以及结合施工经验；《公路沥青路面设计规范》提出了各类结构层最小厚度如友2-7-8所示。为了保证路面的使用质量，该规范还根据理论分析与使用经验，提出了沥青层最小总厚度如表2-7-9所示。每一结构层适宜厚度的确定除了考虑上述两项规定外，一般还要综合考虑下面二方面的因素：(1)结构层的造价。出于路面各层造价不同，面层比较贵，而基层、垫层相对比较便宜，因此面层厚度一般相对比较薄