基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)新思想

黃 振 林

(朔州路橋建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)

基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)新思想

黃 振 林

(朔州路橋建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)

基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義，從層底拉應(yīng)力指標(biāo)及近表面的應(yīng)力狀態(tài)兩方面，對(duì)瀝青路面破壞源進(jìn)行了探究，并提出了耐久性瀝青路面的設(shè)計(jì)新思路。

瀝青路面，結(jié)構(gòu)層，壽命，拉應(yīng)力

1 進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)意義

到目前為止，我國(guó)在高速公路的建設(shè)方面已經(jīng)達(dá)到了11萬(wàn)km，同時(shí)根據(jù)我國(guó)在高速公路建設(shè)方面的規(guī)劃目標(biāo)來(lái)看，至2020年，我國(guó)將會(huì)建設(shè)有超過(guò)15萬(wàn)km的高速公路。而在實(shí)際情況中，大部分的高速公路都是由瀝青來(lái)鋪設(shè)路面，因此瀝青路面的施工質(zhì)量就顯得十分重要。根據(jù)我國(guó)對(duì)于瀝青路面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，要求瀝青路面的使用壽命為15年，而普通公路在使用壽命方面的要求為7年～15年。同時(shí)，在實(shí)際情況中，往往需要高速公路的瀝青路面與基層在使用壽命方面的情況相同。因此，根據(jù)這一要求，我們可以預(yù)測(cè)在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)每年都會(huì)有接近1萬(wàn)km的瀝青高速公路面臨著改造困難的情況。這就要求我們重視起高速公路瀝青路面使用壽命的延長(zhǎng)工作。

2 瀝青路面破壞源探究

2.1 瀝青面層層底拉應(yīng)力指標(biāo)分析

在過(guò)去的高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)思路中，往往認(rèn)為瀝青面層的破壞源存在于瀝青路面結(jié)構(gòu)層的層底，而在瀝青路面使用過(guò)程中造成瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因是層底的拉應(yīng)力作用。但是根據(jù)目前的研究表明，這一思路與實(shí)際情況中路面結(jié)構(gòu)的受力情況存在比較大的差異。在研究中，我們利用彈性層狀的相關(guān)理論來(lái)對(duì)雙圓垂直均布荷載影響下的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行具體的應(yīng)力分析中發(fā)現(xiàn)以下情況。首先，半剛性道路基層的模量往往比較大(在研究中我們將模量取值分為瀝青道路面層1 800 MPa、基層1400 MPa、底基層700 MPa以及土基45 MPa)。其次，瀝青路面面層地面產(chǎn)生的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)，具體情況如圖1所示。

2.2 瀝青面層近表面的應(yīng)力狀態(tài)分析

在完成對(duì)瀝青路面的鉆芯取樣工作后，根據(jù)路面的開裂情況，我們可以推測(cè)路表面可能是瀝青路面破壞源的存在位置。為了驗(yàn)證這一推測(cè)，我們將在單圓垂直荷載p作用下的彈性層狀空間中劃分出厚度為Δz的層面，那么這一層面受到的作用力狀況如圖2所示。根據(jù)彈性力學(xué)中的疊加原理，我們可以將圖2中的模型劃分為圖3中于等號(hào)右邊的兩個(gè)力學(xué)模型的疊加。

應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)原理，由位移的連續(xù)條件，我們可以解得關(guān)于圖3中內(nèi)圓與外環(huán)在相互作用力方面的計(jì)算為：q(r)=-μp/2。從而我們可以得到圖3中第2部分的作用力公式為:

(1)

(2)

(3)

圖3中第3部分的作用力情況公式為：

(4)

(5)

(6)

其中，當(dāng)r=a時(shí)，公式變化為:

(7)

(8)

(9)

根據(jù)在式(3)、式(6)與式(9)中的表現(xiàn)，我們做出徑向與切向應(yīng)力的分布圖，在荷載作用區(qū)域內(nèi)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而在作用區(qū)域之外，徑向力為壓應(yīng)力而切向應(yīng)力為拉應(yīng)力。此外，最大拉應(yīng)力與最大拉應(yīng)變都發(fā)生在荷載作用的邊緣位置。因此，根據(jù)以上分析，我們可以得出以下結(jié)論。在路面圓荷載作用區(qū)邊緣的外側(cè)，同時(shí)存在拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，因此這一區(qū)域?yàn)楦咚俟窞r青路面的破壞源所在位置。

3 耐久性瀝青路面的設(shè)計(jì)新思路

3.1 耐久性瀝青路面疲勞壽命設(shè)計(jì)的新理念

在目前的高速公路路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命設(shè)計(jì)中，主要有兩種常見的設(shè)計(jì)思路。一種是等壽命設(shè)計(jì)思路，就是指在設(shè)計(jì)方案中將組成瀝青公路的各個(gè)部分的使用壽命都按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)預(yù)期中，當(dāng)存在某一部分的結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)損壞時(shí)，那么其他部分的結(jié)構(gòu)部件也將接近或正處于使用壽命的末期。這一設(shè)計(jì)思路的目的主要在于要實(shí)現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的同一時(shí)間報(bào)廢，從而實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一翻修統(tǒng)一重建。另一種設(shè)計(jì)方案是變壽命設(shè)計(jì)思路，就是指在設(shè)計(jì)方案中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部件在重要性、修復(fù)與重建難度為重要考慮因素，將不同結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)成不同的使用壽命。一般情況下，主要是按照以下原則。首先，處于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)部件修復(fù)與重建難度高，在設(shè)計(jì)中使用壽命要求高，處于外部的結(jié)構(gòu)部件修復(fù)與重建難度低，設(shè)計(jì)中使用壽命低。其次，較為重要性的結(jié)構(gòu)部件在設(shè)計(jì)中使用壽命較高，重要性較低的結(jié)構(gòu)部件則在使用壽命上要求較低。目前，我國(guó)主要使用的是等壽命的設(shè)計(jì)思路，但是這種思路在實(shí)際情況中往往存在著忽略了日常維修對(duì)于高速公路瀝青路面功能與結(jié)構(gòu)方面的恢復(fù)功能。因此，在事實(shí)上，我們根據(jù)瀝青路面的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)該選擇變壽命的設(shè)計(jì)思路。

3.2 重新認(rèn)識(shí)瀝青路面的設(shè)計(jì)使用壽命

目前，我國(guó)在進(jìn)行高速公路瀝青路面的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要以《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》來(lái)作為基本的指導(dǎo)思想。其中對(duì)于高速公路瀝青路面的底基層、基層、下面層等的使用壽命要求為15年，一級(jí)公路的設(shè)計(jì)要求與高速公路相同。因此，在設(shè)計(jì)要求中，對(duì)于高速公路與一級(jí)公路來(lái)說(shuō)，當(dāng)使用壽命達(dá)到15年之后，在公路結(jié)構(gòu)中的不同部分的結(jié)構(gòu)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。但是在實(shí)際情況中，我國(guó)目前有許多公路已經(jīng)達(dá)到了15年的使用壽命，在使用過(guò)程中雖然有部分公路經(jīng)歷了翻修處理，但是大部分公路都沒(méi)有進(jìn)行翻修，并且在使用上還處在良好狀況。

同時(shí)，在實(shí)際情況中，高速公路瀝青路面在使用過(guò)程中出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象有一部分是車轍造成的，與瀝青路面的疲勞開裂并無(wú)關(guān)聯(lián)。在目前的高速公路使用狀況中，在設(shè)計(jì)工作中按照基層與面層等壽命的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是在實(shí)際情況中，往往出現(xiàn)的情況都是瀝青路面的面層損壞而基層沒(méi)有問(wèn)題。這一現(xiàn)象的原因是由于在基層的設(shè)計(jì)中，關(guān)于參數(shù)與抗力模型方面的設(shè)計(jì)比較保守。因此，我們需要重新認(rèn)識(shí)高速公路的使用壽命情況，從而更新設(shè)計(jì)思路。

3.3 路基的設(shè)計(jì)壽命

在高速公路的設(shè)計(jì)工作中，我們對(duì)于路基設(shè)計(jì)壽命的要求應(yīng)當(dāng)以永久性路基為設(shè)計(jì)方向。這是因?yàn)椋趯?shí)際情況中，除了由于自然災(zāi)害造成的部分高速公路路基損毀現(xiàn)象之外，一般情況下我們并不會(huì)將高速公路的路基路面全部翻修，一方面這樣需要耗費(fèi)大量的人力物力，另一方面也需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，這對(duì)于我國(guó)緊張的公路運(yùn)輸狀況是一個(gè)極大的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，也不會(huì)出現(xiàn)由于高速公路在預(yù)期使用壽命達(dá)到之后，將這一段公路廢棄的情況。但是，在高速公路的運(yùn)行過(guò)程中，由于各種外界因素的影響，路基的變形狀況是不可避免的。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要對(duì)路基的變形有一定的預(yù)測(cè)，這一容許變形的量要與基層的設(shè)計(jì)壽命相一致。這樣一來(lái)，就能夠?qū)崿F(xiàn)，在高速公路的基層進(jìn)行翻修時(shí)，同時(shí)對(duì)路基的變形進(jìn)行修復(fù)。這就要求我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中重視路基的使用壽命，同時(shí)要與瀝青工作的其他部分相統(tǒng)一。路基的設(shè)計(jì)是高速公路整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮功能的重要基礎(chǔ)，在實(shí)際情況中，我們需要立足于整體結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況來(lái)做好設(shè)計(jì)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

在實(shí)際情況中，高速公路瀝青路面在使用過(guò)程中往往會(huì)面臨著十分復(fù)雜的應(yīng)力作用，往往會(huì)存在著拉力與壓力的共同作用，同時(shí)這兩種作用力也處于一個(gè)不斷變化的過(guò)程。因此，在過(guò)去我們根據(jù)層底拉應(yīng)力來(lái)作為瀝青路面面層結(jié)構(gòu)破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)是不夠科學(xué)的。我們應(yīng)當(dāng)將拉應(yīng)力與拉應(yīng)力的變化情況來(lái)作為高速公路瀝青面層疲勞破壞的主要影響因素。此外，我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力加載的速度對(duì)于高速公路瀝青路面施工中使用的瀝青混合料的強(qiáng)度有著直接影響。因此，為了保證我國(guó)高速公路瀝青路面的設(shè)計(jì)合理，我們需要根據(jù)實(shí)際情況中的車輛行駛速度來(lái)進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的加載速度。從而根據(jù)實(shí)際情況中當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、公路等級(jí)、公路標(biāo)準(zhǔn)行車速度來(lái)進(jìn)行瀝青公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1] 黃 慧.不同瀝青路面結(jié)構(gòu)反射裂縫產(chǎn)生與擴(kuò)展影響因素分析[J].公路與汽運(yùn)，2017(2)：114-117.

[2] 高 爽.大粒徑瀝青碎石結(jié)構(gòu)路面和常規(guī)結(jié)構(gòu)路面的加速加載試驗(yàn)分析[J].北方交通，2017(2)：52-54.

[3] 許新權(quán).廣東省高速公路典型結(jié)構(gòu)瀝青路面使用性能調(diào)查與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2016(4)：689-693.

The new idea of durability asphalt pavement design based on structural layer life increasing

Huang Zhenlin

(ShuozhouRoadandBridgeConstructionLimitedLiabilityCompany,Shuozhou036000,China)

Based on the practical significance of durability asphalt pavement design of structural layer life increasing, from the bottom layer tensile stress index and near surface stress state two aspects, explored the asphalt pavement damage source, and put forward the new design method of durability asphalt pavement.

asphalt pavement, structural layer, life, tensile stress

1009-6825(2017)20-0156-02

2017-04-17

黃振林(1980- ),男,工程師

U416.217

A