榮烏高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

陳 曉 娟

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

榮烏高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

陳 曉 娟

(寧夏建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 750021)

為了延長(zhǎng)路面的使用壽命，對(duì)榮烏高速瀝青路面結(jié)構(gòu)方案分別采用半剛性基層和復(fù)合式基層進(jìn)行了計(jì)算分析，指出ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)受力條件好，耐疲勞，推薦作為路面實(shí)施方案。

路面結(jié)構(gòu)，半剛性基層，復(fù)合式基層

在我國(guó)已經(jīng)建成的高等級(jí)公路中，采用的路面結(jié)構(gòu)形式以瀝青路面為主。瀝青路面結(jié)構(gòu)約占總量的80%～90%，在瀝青路面中95%采用的是半剛性基層瀝青路面。半剛性路面其反射裂縫是不可避免的，這些反射裂縫的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了汽車的行車安全及路面的長(zhǎng)期服務(wù)性能，從而致使瀝青路面在遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命前就要進(jìn)行大修，特別是需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性的大修。為了解決半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的這種病害，結(jié)合道路沿線的自然環(huán)境及交通水平，借鑒國(guó)外長(zhǎng)壽命瀝青路面的設(shè)計(jì)理念，針對(duì)榮成至烏海高速公路山西境內(nèi)山陰至平魯段擬定兩種路面結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行對(duì)比分析，選擇一種受力條件好、耐疲勞的路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工。榮烏高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為平原微丘區(qū)雙向四車道高速公路，路基寬28 m，計(jì)算行車速度采用120 km/h。路面結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)圖1，圖2。

1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算說(shuō)明

1.1 設(shè)計(jì)材料參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中各種材料的抗壓回彈模量的取值參照現(xiàn)行JTG D50-2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范取推薦的中值。在我國(guó)推薦路基的泊松比定為0.35，其余各材料沒(méi)有規(guī)定明確的推薦值，建議其余各材料的泊松比取值范圍定在0.2～0.5之間。本文根據(jù)瀝青混凝土路面泊松比的國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)資料，最終確定瀝青混凝土的泊松比定為0.35，半剛性基層的泊松比定為0.25，土基的泊松比定為0.35。具體的材料參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)表

1.2 設(shè)計(jì)車輪荷載

鑒于如今車輛軸重的逐漸增大，本文采用以下方式進(jìn)行超載計(jì)算：貨車超載時(shí)，輪胎的充氣壓力和作用面積均有所增加。計(jì)算時(shí)考慮了5個(gè)軸載等級(jí)，具體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同軸載作用下輪胎的壓力與作用圓半徑

本文采用的具體的力學(xué)計(jì)算圖示如圖3所示。

1.3 層間計(jì)算條件

沈金安在《高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對(duì)策》一文中對(duì)瀝青路面的層間接觸條件提出了如下觀點(diǎn)：

1)瀝青層各層與各層之間完全連續(xù)；2)瀝青層與級(jí)配碎石層之間按滑動(dòng)來(lái)計(jì)算；3)瀝青層或級(jí)配碎石與無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料之間的層間條件，一般認(rèn)為在半剛性基層材料未損壞之前可按連續(xù)來(lái)計(jì)算，在半剛性基層材料損壞以后按滑動(dòng)來(lái)計(jì)算。

2 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 半剛性基層材料層底拉應(yīng)力

現(xiàn)行規(guī)范采用限制半剛性基層的層底底面拉應(yīng)力作為路面結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算指標(biāo)，用以控制半剛性基層的疲勞開(kāi)裂破壞。一方面，瀝青面層與半剛性基層之間其模量相差較遠(yuǎn)，此時(shí)半剛性基層的層底拉應(yīng)力比較大，必須進(jìn)行半剛性基層的層底拉應(yīng)力指標(biāo)的驗(yàn)算,用以控制半剛性基層的疲勞開(kāi)裂破壞。另一方面，在車輛超載條件下，重交通車輛的軸載會(huì)致使瀝青路面整體結(jié)構(gòu)層的彎拉應(yīng)力增大，可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)各設(shè)計(jì)材料的極限抗彎拉強(qiáng)度，從而引起瀝青路面整體結(jié)構(gòu)層的開(kāi)裂，致使路面的承載能力迅速下降，造成路面一次性破壞。尤其是對(duì)于半剛性基層瀝青路面來(lái)說(shuō)，半剛性基層通常先于瀝青面層發(fā)生疲勞開(kāi)裂，所以，半剛性基層的層底彎拉應(yīng)力的驗(yàn)算極其重要，有必要對(duì)重載作用下半剛性基層的層底彎拉應(yīng)力進(jìn)行研究。

本文在計(jì)算時(shí)，采用Bisar3.0軟件，取單圓荷載中心處為計(jì)算點(diǎn)(見(jiàn)圖3中D點(diǎn))，各材料的抗壓模量采用15 ℃的取值，通過(guò)計(jì)算得出，X方向(垂直道路行進(jìn)方向)的拉應(yīng)力大于Y方向(沿道路行進(jìn)方向)的拉應(yīng)力，故在比較分析時(shí)選取較大的拉應(yīng)力進(jìn)行比較研究，即X方向(垂直道路行進(jìn)方向)的拉應(yīng)力。具體計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的半剛性層底拉應(yīng)力水平明顯高于ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)，這主要是由于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的路面總厚度較薄，因此，在同樣的荷載條件下，應(yīng)力消散的程度較其他結(jié)構(gòu)少。ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)的半剛性層底拉

應(yīng)力水平較低，這主要是得益于其結(jié)構(gòu)上的設(shè)置是基于路面只發(fā)生自上而下的破壞模式，因此其基層發(fā)生疲勞開(kāi)裂的可能性遠(yuǎn)較半剛性基層路面小。

隨著軸載的增大，各結(jié)構(gòu)的半剛性材料層彎拉應(yīng)力呈現(xiàn)出不同幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，可見(jiàn)重載使半剛性基層產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂的可能性進(jìn)一步增大。

綜上所述，ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)在抵抗半剛性材料層的疲勞開(kāi)裂具有較大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 最大剪應(yīng)力及層間剪應(yīng)力

路線所在段的氣候以高溫為主。在高溫條件下，瀝青面層極易由于抗剪能力不足而產(chǎn)生推移、壅包和轍槽等，重載條件更會(huì)加劇這些破壞的產(chǎn)生。因此，有必要對(duì)各結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大剪應(yīng)力進(jìn)行分析對(duì)比。此外，面層與基層的結(jié)合處是結(jié)構(gòu)的一大受力薄弱處，如果面層與基層之間的剪應(yīng)力過(guò)大，很可能導(dǎo)致面層由于抗剪能力不足而發(fā)生滑移，加速結(jié)構(gòu)的損壞，因此，本研究將重點(diǎn)研究面層與基層的層間剪應(yīng)力。采用Bisar3.0軟件，考慮140 kN的軸載，計(jì)算中Z取各結(jié)構(gòu)層底部深度值，并在面層范圍內(nèi)加密取值。在道路橫斷面方向上取17個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，具體見(jiàn)表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算取點(diǎn)的Y坐標(biāo)分布

計(jì)算后得各結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力基本出現(xiàn)于輪跡處附近的中面層深度范圍內(nèi)，具體數(shù)值見(jiàn)圖5。

由圖5可知，在軸載140 kN的重載條件下，兩個(gè)路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力水平相差較大。半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力水平相對(duì)較高，并且出現(xiàn)在輪跡處中面層層底，ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力水平較低。

此外，各結(jié)構(gòu)面層與基層結(jié)構(gòu)處的剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，就結(jié)構(gòu)受力較為薄弱的面基結(jié)合處而言，半剛性

基層路面結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力水平依然最高，而ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)在該處的剪應(yīng)力水平仍然較低。因此，就面層與基層的層間剪應(yīng)力而言，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)優(yōu)于ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)?？梢?jiàn)，ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)的高溫抗車轍能力優(yōu)于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)。

由以上分析可知，從路面力學(xué)響應(yīng)的角度上看，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的半剛性層底拉應(yīng)力水平相對(duì)較高，基于該結(jié)構(gòu)在面層與基層結(jié)合面處的剪應(yīng)力水平也較高，在高溫與重載條件下極易產(chǎn)生直剪滑移，進(jìn)一步導(dǎo)致瀝青層底拉應(yīng)變水平驟增，結(jié)構(gòu)的整體性發(fā)生破壞，壽命將大大減小。

3 結(jié)語(yǔ)

從路面的破壞模式及結(jié)構(gòu)組合上深入分析，半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力水平較高，半剛性層底拉應(yīng)力水平也不亞于ATB復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，因此其破壞不僅可能由于基層發(fā)生疲勞開(kāi)裂而產(chǎn)生，亦會(huì)由于面基結(jié)合處應(yīng)力、應(yīng)變水平高度集中而發(fā)生整體的結(jié)構(gòu)性破壞。因此半剛性基層路面結(jié)構(gòu)的破壞從本質(zhì)上看屬于自下而上的結(jié)構(gòu)性破壞，維修養(yǎng)護(hù)較為困難，壽命較短；此外，由于該結(jié)構(gòu)屬于傳統(tǒng)的半剛性路面，基層由于干縮及溫縮效應(yīng)，不可避免地要產(chǎn)生反射裂縫。相比之下，ATB復(fù)合式基層路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力水平較低，半剛性層底拉應(yīng)力水平相對(duì)較低，因此，為了保證路面結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)久壽命，即將路面破壞僅限于路面表層范圍內(nèi)。因此，推薦優(yōu)選ATB復(fù)合式基層作為路面實(shí)施方案，以發(fā)揮其巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

Comparison on Rong-Wu highway asphalt pavement structure design scheme

CHEN Xiao-juan

(NingxiaVocationalTechnologyCollegeofConstruction,Yinchuan750021,China)

In order to extend the pavement life expectancy, the paper calculates and analyzes Rong-Wu highway asphalt pavement structure with semi-rigid base and compound base, and points out that: the mechanical condition of pavement structure with ATB compound base is good with great fatigue resistance, which can be recommended as pavement implementation scheme.

pavement structure, semi-rigid base, compound base

1009-6825(2014)07-0151-02

2013-06-17

陳曉娟(1985- )，女，碩士，助教

U416.217

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