級配碎石過渡層瀝青路面結構設計方法研究

劉皓琨

(京臺高速公路廊坊建設管理處　廊坊　065000)

級配碎石過渡層瀝青路面結構設計方法研究

劉皓琨

(京臺高速公路廊坊建設管理處廊坊065000)

摘要基于級配碎石過渡層瀝青路面結構典型病害——車轍和疲勞開裂，確定控制級配碎石過渡層瀝青路面4個設計指標：瀝青層底彎拉應變、級配碎石層頂面豎向剪切應力、半剛性基層層底彎拉應力與路基頂面豎向壓應變，給出推薦容許值和路面結構設計流程圖；在不同土基強度和交通量分級下，給出級配碎石過渡層瀝青路面的合理結構。

關鍵詞瀝青路面級配碎石過渡層結構設計

1　級配碎石過渡層瀝青路面設計指標

車轍和疲勞開裂是級配碎石過渡層瀝青路面結構的主要破壞類型。在設計典型路面結構時，根據其內部的受力特性，應確定路面結構控制設計的主要因素，即瀝青面層層底彎拉應力及土基頂面豎向壓應變，并同時考慮半剛性底基層彎拉應力及級配碎石頂面豎向剪切應力。

1.1永久變形

路面結構的永久變形由路面各個組成部分的永久變形組合而成，包括面層、基層、底基層、墊層和路基。這些并不是規范要求的設計控制指標，而主要是是通過采用控制材料動穩定度或其他指標達到減少車轍的目的[1]。

為限制過量永久變形，在路面結構設計中提出：

(1) 路基頂面豎向壓應變。控制路表永久變形量簡單方便，因此它是限制路基頂面豎向壓應變指標的方法。路表永久變形包括面層、基層和路基在內的總永久變形，為使在重復荷載作用下的永久變形穩定在有限容許范圍內，確保路基土不發生剪切破壞，用路基土應力水平指標來評價。

在我國交通部西部交通建設科技項目中[2]，建立了推薦作為我國柔性路面設計指標之一的路基土頂面豎向壓應變設計方程：

(1)

(2) 分層應變總和。分層應變總和法分析計算路面結構永久變形，按式2計算：

(2)

式中：N為荷載重復作用次數；n為路面結構分層數；εpi(N)為作用N次時第i層的豎向塑性壓應變；hi為第i層的厚度。

(3) 瀝青層永久變形。在工程實踐中，由于瀝青與瀝青混合料粘滯性和塑性的性質及復雜的應力應變、溫度與作用時間的依賴性，通常通過瀝青混合料組成設計保證混合料抵抗永久變形的能力。

(4) 級配碎石塑性變形量。推薦選用我國交通部西部交通建設科技項目[2]中提出的典型柔性路面結構粒料基層永久變形量的回歸公式：

(3)

式中：δ為粒料永久變形量，mm；N為當量軸載作用次數；h1為面層厚度,cm；E1為面層模量，MPa；h2為基層厚度，cm；E2為基層模量，MPa；E0為土基模量，MPa。

1.2疲勞開裂性能

(1) 瀝青層底彎拉應變。為控制瀝青路面疲勞開裂的性能，本文采用瀝青層層底彎拉應變。彎拉應變相對于彎拉應力而言，其便于測試，并能有效評價路面性能；柔性基層瀝青路面瀝青層疲勞狀態接近常應變疲勞狀態；其指標更便于同國外方法進行比較。

(2) 半剛性底基層的彎拉應力。深入研究半剛性基層材料的疲勞損壞和疲勞性能，對路面結構設計有著重要意義。半剛性底基層的疲勞應力與路面壽命之間的關系式：

(4)

式中：σr為半剛性底基層材料彎拉應力；fr為次荷載下的極限彎拉應力；Nf為路面結構設計年限內累計當量軸次；a,b為系數。

2　路面結構設計指標容許值的計算

2.1設定指標容許值

含級配碎石過渡層的瀝青路面結構其路面與路基的響應值有：瀝青層層底水平彎拉應變；級配碎石粒料層頂面豎向剪切應力；無機結合料穩定材料層底水平彎拉應力；土基頂面豎向壓應變[3-4]。

控制以上響應值發生破壞的設計指標有：

(5)

式中：εr為單圓荷載中心處瀝青層底彎拉應變；εRr為瀝青層底容許彎拉應變。

(6)

式中：σm為單圓荷載中心處級配碎石層頂面豎向剪切應力；σRm為級配碎石層容許剪切強度。

(7)

式中：σr為輪隙中心處半剛性層底彎拉應力；σR為半剛性層底容許彎拉應力。

(8)

式中：εs為輪隙中心處路基頂面豎向壓應變；εRs為路基頂面容許豎向壓應變。

2.2設計指標容許值的計算

設計指標容許值的計算是國外設計方法的核心也是最難以確定的問題，需要區別不同路面結構特點與當地環境因素與交通狀況綜合考慮，各設計指標計算如下。

(1) 級配碎石層容許剪切強度通過對級配碎石材料進行剪切試驗確定。

(2) 路基頂面容許豎向壓應變與路面壽命之間的關系通過路基頂面豎向壓應變設計方程式(1)確定。

(3) 半剛性底基層的容許彎拉應力與路面壽命之間的關系通過無機結合料穩定類基層疲勞方程即方程(4)確定。

(4) 瀝青層底面容許彎拉應變與路面壽命之間的關系采用我國交通部西部交通建設科技項目中所用的瀝青混合料動態預估模型確定。

3　級配碎石過渡層材料要求與設計參數的確定

3.1材料要求

對級配碎石材料的要求如下。

(1) 級配碎石過渡層的作用是有效地防止和減緩半剛性基層瀝青路面反射裂縫，因此級配碎石應具有高密度、高強度及良好的透水性。

(2) 應采用強度較高，且壓碎值<26%，液限<25%，細料并無塑性的優質軋制碎石作為級配碎石。

(3) 采用集料顆粒分布相對較粗的密實級配碎石為宜，最大粒徑宜取40mm，通過5mm篩含量≤40%，通過0.5mm篩含量≤15%，通過0.075mm篩含量≤5%的級配為宜。

3.2設計參數的確定

級配碎石材料的設計參數取表1中級配碎石回彈模量的推薦值。其他材料層設計參數同現行規范。

表1　級配碎石回彈模量推薦值

3.3結構設計流程

含級配碎石過渡層的瀝青路面結構及其厚度的確定見圖1[5-6]。

圖1　路面結構設計流程圖

4　推薦合理結構

根據《公路瀝青路面設計規范》，交通量以累計當量軸次劃分為4個等級，見表2，土基強度劃分為3個等級：S1(30～45 MPa)，S2(45～65 MPa)，S3(≥65 MPa)。考慮到不同土基強度分級與交通量分級，參照國外柔性基層瀝青路面結構設計經驗，并按照設計原則通過理論計算分析，初擬級配碎石過渡層瀝青路面結構見表3。

表2　交通量等級

表3　級配碎石過渡層瀝青路面合理結構

表3中推薦的路面合理結構適用于：

(1) 擬定的含級配碎石過渡層的瀝青路面結構主要針對二級或二級以上高等級公路瀝青路面設計，其設計年限內一個車道的累計當量軸次為200萬次以上。

(2) 土基回彈模量E0<30 MPa 時，應采取設置墊層或改善層的方法對路基進行工程技術處理，直到E0>30 MPa 后再用該表中的路面合理結構。

(3) 具體的設計需結合當地氣候、材料及經濟水平等因素，結合本路面合理結構進行設計。

5　結論

(1) 級配碎石過渡層的瀝青路面結構破壞類型主要是車轍和疲勞開裂，因此，將瀝青層底彎拉應力或應變及土基頂面豎向壓應變作為控制路面結構設計的主要因素。

(2) 確定控制級配碎石過渡層瀝青路面發生破壞的4個指標，并給出推薦的容許值。同時根據級配碎石層材料要求，給出設計流程圖。

(3) 根據不同交通量分級和土基強度分級，初擬路面合理結構，供實際應用參考選取。

參考文獻

[1]沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中交公路規劃設計院有限公司.瀝青路面設計指標和參數研究報告[R].北京：中交公路規劃設計院有限公司，2007.

[3]謝軍,曹彬.剛性基層復合式瀝青路面層間剪應力分析[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2013(6):1165-1168.

[4]袁峻.級配碎石基層性能與設計方法的研究[D].南京：東南大學，2004.

[5]袁峻,黃曉明.級配碎石夾層半剛性底基層瀝青路面結構分析[J].中南公路工程，2006(10):43-47.

[6]孟書濤.瀝青路面合理結構的研究[D].南京：東南大學，2005.

收稿日期：2015-04-23

ApplicabilityResearchoftheMicro-surfacingMixturetoAnti-slidingTreatment

Wang Guozhong

(ShanxiProvincialResearchInstituteofCommunications,

keylaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceinLoessRegion,Taiyuan030006,China)

Abstract：For further research on the relationship between texture depth and asphalt content of Micro-surfacing pavement, the paper selected 6 representative insufficient anti-sliding performance index sections, measured the texture depth and anti-sliding performance before and after the treatment, researched the applicability of the Micro-surfacing mixture to anti-sliding performance treatment. The results show that texture depth have a good correlation with aggregate gradation and asphalt content; texture depth and anti-sliding performance index had no obvious relationship；Micro-surfacing mixture can only improve the anti-sliding performance of pavement temporary, but cannot have a long-term effect.

Key words:MS-2 micro-surfacing mixture; anti-sliding performance; texture depth; decay law

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.016