长寿命路面结构

长寿命路面结构（精选七篇）

长寿命路面结构 篇1

目前路面结构设计指标多样, 我国常规的沥青路面采用层底弯拉应力和弯沉指标作为设计标准。国外采用的长寿命沥青路面的设计指标大多为单轴载为80k N时沥青层底的弯拉应变为70με, 路基顶面的压应变<200με[1]。有人提出了适用于中国长寿命路面结构设计的控制指标:沥青层底拉应变不大于120με, 土基顶面压应变不大于280με[2]。有必要对长寿命沥青路面的力学指标做进一步研究。

本本文文利利用用AANNSSYYSS软软件件, , 建建立立典典型型的的长长寿寿命命路路面面结结构构三三维维模模型型, , , 进行应力应变分析。

1 沥青层的力学特性分析

1.1 路面结构及参数[3]

本文选用全厚式长寿命沥青路面结构。结构层取5cm SMA面层、20cm AC中间层、15cm HMA基层、40cm粒料基层、路基取600cm;模量分别取1400MPa、1200MPa、1000MPa、300MPa、45MPa;泊松比土基取0.4, 其余各层取0.35。

1.2 模型的建立[4]

路面结构尺寸为:x方向为路面宽度取4m, y方向为行车道取6m, z方向为路面深度取6m。边界条件:模型左右两侧没有x方向位移, 底面没有z方向位移, 层间完全接触。采用矩形荷载, 作用面积18cm×20cm, 两轮中心距为30cm, 标准轴载100k N, 接地压强0.7MPa。

1.3 力学指标和计算点位

本文重点分析路面结构的疲劳力学特性, 因此采用应力和应变指标作为分析的力学指标。计算点位选取最不利点位为轮中心和轮隙中心处。

2 计算结果分析

2.1 轮中心处应力应变分析

轮中心处得应力应变趋势图如图1 (a) 所示。图中三个应力曲线的走势基本相同, 延伸度方向由压应力变为拉应力。y方向和第一主应力重合且大于x方向应力, 在0.37m处y方向应力达到最大值。三个应变曲线的走势基本相同, 延伸度方向由压应变变为拉应变。y方向应变和第一主应变重合且大于x方向应变。三条曲线都有两个极大值, 第一个极值位于深度0.08m处, 第二个极值位于沥青层底。拉应变的最大值为沥青层底y方向的应变, 其值为ymax=93.9με。

2.2 轮隙中心处应力应变分析

轮隙中心处的应力应变趋势图如图1 (b) 所示。三个应力的大体走势相同, 沥青层顶面x和y方向为压应力, 第一主应力在沥青层表面为拉应力。三个应力在深度为0.37m左右处拉应力达到极大值。沥青层顶面x方向为拉应变, 在沥青层底拉应变达到最大值xmax=73.5με。在沥青层顶面y方向为压应变, 在沥青层底拉应变达到最大值ymax=101με。第一主应变延伸度方向全为拉应变。出现了两个极大值ε1 (0.02) =118με和ε1 (0.4) =101με。

2.3 沥青层底应变沿路面宽度方向的分布

在荷载作用下, 沥青层底x方向的应变在双轮外边缘以外为压应变, 在外边缘以内为拉应变, 且在轮隙中心处达到最大值。y方向应变和第一主应变重合, 且在整个路面宽度内为拉应变, 说明最大拉应变为轮隙中心处的y方向的拉应变, 最大值约为100με。

3 结论

综合分析得最大应力产生在y方向上, 其在深度为0.37m左右达到最大值。应变存在两个极大值, 一个位于表面功能层附近, 一个位于沥青层底, 这符合长寿命沥青路面的设计理念。允许表面层破坏, 只需定期进行铣刨处理。所以确定长寿命沥青路面的控制指标为沥青层底的拉应变。导致最大拉应力和最大拉应变不一致的原因可能有两个:a.级配碎石应力吸收层改善了整个沥青面层应力分布, 导致最大拉应力不在沥青层底。b.路面结构是一个复杂的应力状态, 应变由X、Y、Z三个方向决定, 所以导致应力应变状态不一致。

可以得到如下结论:

a.长寿命沥青路面应以沥青层底Y方向拉应变来控制路面疲劳损坏。

b.最大拉应变和拉应力都产生在Y方向上, 所以在保证施工质量的前提下, 容易产生横向反射裂缝。

c.目前国际上采用的长寿命沥青路面沥青层底弯拉应变设计指标大约为100με是合理的。

以上结论可为长寿命沥青路面的实践、设计理论与设计方法的研究提供参考。

参考文献

[1]T.Nishizawa, et al.Fatigue Analysis of Asphalt Pavement with ThickAsphalt Mixture Layer[J].IS-AP8TH Conferences, 1997, 8.

[2]崔鹏, 等.长寿命沥青路面设计指标研究交通运输工程学报[J].2008, 6.

[3]黄文雄, 等.长寿命沥青路面结构厚度变化时的力学响应分析[J].城市道桥与防洪, 2009, 3.

浅谈长寿命沥青路面 篇2

关键词：长寿命；抗剪性；功能层；磨耗层

中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：1000-8136(2009)35-0061-02

建国至今，中国高速公路通车里程6.03万km，位居世界第二位。2008年，美国经济危机冲击着全球经济体系，中国为抵御经济环境的不利影响，提出加大基础设施建设，促进经济平稳较快增长的计划。因此，中国高速公路还将持续且迅猛的发展。

但是在中国公路事业迅猛发展的同时，一些新建公路的早期路面损坏现象也十分严重。主要原因为传统的路面结构在一定程度上还不够完善，甚至存在着一定的问题。

1概念、技术及特点

1.1概念

长寿命路面在美国被称作长效性或永久性路面。美国沥青路面协会(APA)关于永久性路面的定义为：路面使用年限至少为35年，并且在使用年限内确保路面不发生结构性破坏，只需进行周期性养护，平均罩面时间不小于12年。但各国长寿命沥青路面结构设计年限规定并不一致，具体情况见表1。

1.2技术

长寿命路面是通过周期性地更换沥青面层来获得沥青路面结构更长的服务性能，其技术核心：路面材料的选择和路面结构层的设计，长寿命路面不仅适用于大交通量道路，经适当的调整后也可用于中、低等级交通量道路。

1.3特点

长寿命路面沥青主要特点：厚度较传统沥青砼路面厚度大，服务周期长(表面功能层寿命应达到8年以上；主要承重层寿命应达到40年以上)。维修方便且费用低。

2原理、功能分析和选材

2.1原理分析

长寿命沥青路面是基于力学的长寿命路面结构设计的一种设计方法，其实质在于运用力学的方法来分析路面结构对自然气候和行车荷载等因素的响应。

中国目前采用的设计方法为抗剪性概念的长寿命沥青混凝土路面设计方法，其設计原理见图1。 长寿命路面结构设计要达到3个目标：①不出现结构性破坏，包括结构性裂缝和结构性车辙；②路面破坏仅发生在路面表层且能迅速修复；③定期的路面表层养护、检修和更换，使路面结构达到长寿命(超过50年)。

2.2功能分析

抗剪性概念的长寿命沥青混凝土路面设计方法是一种基于路面结构分层及各层功能特点的长寿命路面结构设计方法。在路面设计时，将上面层设计为功能层，将中、下面层及基层设计为路面结构的承重层(结构示意见图2)。长寿命路面的破坏主要是磨耗层自上而下的功能性破坏。因此，为确保路面结构的完整。各结构层需各行其职，发挥其各自功能。

磨耗层：抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗；磨耗层受到自然条件(雨水、气温、日照)和行车荷载的作用频繁，其具体要求依赖于交通条件、环境因素、当地的经验和经济条件。中间层：抵御车辙。传递、分散荷载。基层：该结构层为路面承重层，抵抗层底弯拉应变。

2.3选材

2.3.1磨耗层

磨耗层材料应选择SMA(沥青马蹄脂碎石混合料)、密级配混合料或OGFC(开级配沥青磨耗层)等材料。在一些对抗车辙性能、耐久性、抗渗性、抗磨损性要求高的地区，可以选择SMA。这在交通量大且载重车多的城市区域尤为适用。在交通量小且载重车比例较少的情况下，使用密级配混合料更为适合。与SMA一样，密级配混合料也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的要求。OGFC具有优良的抗滑性能、排水性能以及减少噪声等优点。可用于对排水有特殊要求的情况。

2.3.2中间层

中间层最有可能出现剪切破坏，因此要求有较好的抗车辙性能。材料设计时可采用改性沥青、塑料隔栅，混合料采用骨架嵌锁结构。可采用碎石和砂砾以确保形成集料骨架，选择之一就是采用最大公称直径较大的集料。对最大公称直径达到37.5mm的混合料，可以使用Superpave(Superior Performing Asphalt Pave-ment.高性能沥青路面)混合料设计方法。只要集料间保持接触，使用小粒径的集料也可以达到同样效果。

2.3.3基层

基层设计为结构的承重层，要求具有一定的抗车辙能力。路面结构中，基层层底出现的弯拉应力最大，在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大，因此，要求基层具有很好的耐久性，优良的抗疲劳性能。

3结束语

长寿命路面结构 篇3

关键词：长寿命路面,组合式基层,沥青碎石,有限元

1 辽宁省半刚性基层沥青路面使用经验总结

1.1 沈大高速公路半刚性基层应用情况

沈大高速公路到2002年开始改扩建施工,大部分路面服役期超过了12年,个别路段服役达到了16年。沈大高速公路改扩建前典型路面结构及承载能力如表1所示。

2000年春融期,全线弯沉调查结果(每500m为一个段落计算代表弯沉值)见表2,其中弯沉小于50的路段有170.8km(单幅),约占总长度的22.4%。

全线路面状况PCI指数评价结果见表3。

通过弯沉统计结果可以看出,虽然沈大高速公路经过十多年的运营,但有些路段路面的整体强度还是比较好的,路表弯沉小于50。PCI指数评价结果也有相同的结论,路面状况评价指数达到良以上的路段占全线的26%。

1.2 京沈高速公路(辽宁段)半刚性基层应用情况

京沈高速公路(辽宁段)自建成通车以来,交通量很大。2007年京沈高速公路(辽宁段)大客车及中型以上各种货车日交通量为3805辆/(d·车道),交通等级属于特重交通(>3000辆/(d·车道))。

京沈高速公路(辽宁段)路面中修后2008年评定路段弯沉评价结果见表4。

由表4可见,京沈高速公路(辽宁段)承受重载最多的边行车道弯沉评定为优的占58.6%以上。实际上,京沈高速公路(辽宁段)自建成通车以来,根据交通量换算得到的边行车道累计标准轴载作用次数已经超过6000万标准轴次。然而,路面弯沉检测结果仍然较好。

由沈大、京沈高速公路弯沉评价结果可知,在辽宁省,半刚性基层在一定程度上也表现出了良好的使用性能和轴载适应性,具有成为长寿命路面结构的潜力。

2 半刚性基层对长寿命结构适用性分析

半刚性基层为无机结合料处治材料,在国外普遍用于交通量不是很大的公路。半刚性基层的最大优点是板体性强,有很高的承载能力,但一般认为也有明显缺点:存在反射裂缝;透水性差;强度、模量会在环境和荷载作用下衰减;对重载敏感;没有愈合能力。南非otte的研究表明当无机结合料处治层所产生的拉应力(或拉应变)低到一定限度(弯拉强度的35%以下或断裂应变的25%以下)后,材料内部便不会产生微裂隙,即无机结合料处治材料也存在疲劳极限。在基层或底基层中,无机结合料处治材料的状态不同于试件。在开放交通前或开放初期,由于温度和湿度引起的收缩受到约束,无机结合料处置层在尚未使用或使用初期即会出现收缩裂缝,基层或底基层开裂成板块状,荷载作用于板块边缘(裂缝两侧)处产生的弯拉应力或弯拉应变偏小。Otte应用有限元法分析了带裂缝的无机结合料处治层的裂缝边缘应力,得到了平行边缘处的层底水平向拉应力要比无裂缝结构层增大40%以内的计算结果。

3 沥青混合料长寿命设计理论基础

一般认为,对于沥青混合料存在一个弯拉应变临界点,当路面结构弯拉应变低于此值时,HMA层底就不会产生疲劳损伤,这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限。疲劳极限的适用性成为确定沥青层厚度的一个关键问题,这是永久性路面设计理念的重要理论依据。从这一观念出发,一些文献建议沥青混合料疲劳极限对应的应变为60～100με。

美国俄亥俄州运输部对疲劳极限进行了室内试验验证,结果证明针对于室内梁式疲劳试验存在疲劳极限,永久性路面的结构性能与交通水平没有关系。2002年AI协会的试验也证明了这一结论。因此永久性路面结构设计一般不考虑交通量,对于柔性路面而言,设计标准为控制沥青层层底弯拉应变小于极限应变值,路基土垂直压应变小于200με。所采用的荷载为在道路上行驶所能预测的最大荷载的实际车辆荷载,并考虑一定量的超载下的荷载。沥青层底极限应变值现在还没有统一,一般非改性为60～70με,改性沥青可以提高到100με。

4 长寿命路面结构组合形式确定

因此,本文以半刚性基层底弯拉应力、沥青层弯拉应变作为设计指标,采用疲劳极限原理进行长寿命路面的设计。初拟组合式长寿命路面结构如图1所示。

5 有限元建模

假设各层材料为各向同性完全弹性体,各层间完全连续,采用有限元法对各结构进行线弹性力学分析。采用SOILD45单元,考虑对称性,有限元模型尺寸长×宽×高为6m×3m×(3m土基+结构厚度)。有限元模型如图2所示。

6 设计荷载

选用重型车辆普遍使用的双排11.00～20轮胎,轮胎间距实测为120mm,假设轮胎接地压力均匀分布,考虑不同轴重和胎压,则计算荷载参数如表5所示。

我国沥青路面设计规范采用的标准轴重为100kN,而长寿命路面设计一般采用路面所可能承受的最大荷载,调查表明,高速公路采用计重收费后,超载30%对于运输者是最经济的,因此采用设计轴重为130kN。

7 材料模量

综合国内外沥青路面设计方法,沥青混合料模量的类型大致分5种,分别是压缩回弹模量、动态压缩模量、弯拉模量、动态弯拉模量、劲度模量等。我国沥青路面设计规范采用的是压缩回弹模量,但推荐使用弯拉模量;AASHTO2002设计方法、AI法采用动态模量;壳牌设计方法采用劲度模量;法国设计方法采用动态弯拉模量。

研究结果表明,沥青混凝土的弯拉模量约为抗压模量的2倍,沥青混凝土的弯拉强度约为劈裂强度的2倍;半刚性基层的弯拉模量为抗压回弹模量的2～3倍,半刚性基层的弯拉强度为劈裂强度的1.1～1.7倍。本文对辽宁省两条典型半刚性基层高速公路的使用情况进行分析,认为通过适当的改进,半刚性基层路面可以实现长寿命化。在此基础上,结合使用经验,按照不同层位的功能分布,初拟了采用高模量中下面层和ATB上基层的组合式长寿命路面结构形式。利用有限元法建立模型,采用130kN轴载,对推荐的路面结构进行了力学分析。在国内外长寿命理论综合分析的基础上,推荐了不同材料的长寿命疲劳阀值。考虑不同材料参数与指标特点及结构的最不利状态,最终确定了辽宁省高速公路组合式长寿命路面结构。

综上,结合已经进行的室内试验数据,参照对应的设计规范,结合不同模量类型间的换算关系,分别采用回弹模量、动态模量、弯拉模量、动态弯拉模量进行结构计算,如表6所示。

8 长寿命设计标准确定

依据前面的分析,以沥青层的拉应变、半刚性层的拉应力为设计指标,验算土基压应变,各指标对应的疲劳极限分别为高模量沥青混凝土:70με;ATB:60με;水泥稳定碎石:弯拉强度×0.35/1.4;土基:200με。

9 设计结果

注1:0.24对应15℃时模量,0.35对应高温时模量。

由表7可知,无论采用何种模量,组合式结构在基层厚度变化范围内,均可设计出达到预定标准的长寿命结构;采用高模量沥青混合料后,沥青层的弯拉应变和土基顶面压应变在不同基层厚度条件下均小于各自对应的疲劳极限;组合式结构长寿命设计的控制指标为基层底面的拉应力,通过改变基层的厚度,可以显著影响基层底拉应力的变化。最终,从偏安全的考虑,取基层的厚度为0.51m,最终确定的长寿命结构组合和厚度为:4cmSMA+6cm高模量+6cm高模量+8cmATB+51cm水泥稳定碎石+15cm垫层。

10 结论与建议

谈长寿命沥青路面 篇4

关键词：长寿命沥青路面,应用

1 长寿命沥青路面的提出

进入20世纪90年代以后, 交通量的迅速增长, 原有的沥青路面结构已经不能满足路面的长期使用要求, 各国通过调查与总结沥青路面的经验与教训, 推荐使用长寿命沥青路面结构。

研究表明, 在重交通道路上, 当设计使用寿命40年时, 因为不需进行结构补强, 减少了道路维修和因维修而带来的交通延迟, 从而大大地提高了其效益。因此, 英国建筑材料协会和沥青协会委托TRL 集成最新的路面使用性能信息, 对现行沥青路面设计理论加以评述, 以期获得不需结构性维修而使用期至少长达40年的道路即长寿命道路。

2 欧美国家对长寿命沥青路面的研究和应用

英国在20世纪50年代初期修筑了多条设计寿命为20年的试验路, 在分析这些试验路的路面性能基础上, 根据Powell等人的设计理论提出了目前的沥青路面设计方法。Powell主张道路使用20年后, 通过对原路面补强来实现40年的设计寿命。详细的40年费用效益分析 (包括建设费用、结构性维修引起的交通延误费用和其他费用) 表明这种设计方法非常经济。

在英国, 对设计寿命为20年的道路展开的调查和研究主要内容如下:

(1) 车辙调查

通过对英国51条道路的车辙情况进行调查发现, 对于施工良好的沥青路面, 当沥青层厚度大于18cm时, 车辙的产生速率会迅速降低。这说明, 当沥青层厚度小于18cm时, 增加沥青层厚度会显著增加车辙量, 但当沥青层厚度超过18cm后, 增加沥青层厚度对车辙影响不大。对45条密级配沥青碎石基层道路的调查认为, 当沥青面层与沥青碎石基层的总厚度在18～36cm之间时, 车辙率与沥青层厚度无明显关系, 热碾压的沥青碎石基层路面与水泥稳定基层路面的车辙率相近, 对于厚的沥青层道路, 车辙的大部分主要发生在沥青层的表面。

(2) 疲劳调查

调查没有发现在主要的结构层上检测到任何疲劳开裂和疲劳损坏, 这表明交通量等级不是影响沥青稳定基层剩余寿命的主要因素;90%以上的残余寿命差别是由于沥青用量和沥青硬度的不同而引起的, 沥青的老化是疲劳寿命差异的主要影响因素。

(3) 推荐典型结构

为三层式路面结构, 上层为2～3cm的磨耗层, 中层为20～40cm的高模量沥青稳定基层, 下层为一定厚度的底基层。这样可以保证路面不会出现基层的疲劳开裂, 保证了路面的长久使用性能。

美国近几年也用长寿命路面的概念设计修建了多条道路。道路设计年限、交通量, 路面结构见表1。

美国伊利诺斯州大学在研究低应变下沥青混合料的疲劳寿命及富油沥青混合料疲劳性能的提高时得出结论:实际发生的变形低于100微应变时, 沥青混合料的疲劳寿命格外长;富油基层和低于100微应变均能提高疲劳性能。俄勒冈州交通局研究认为, 当沥青混合料实际发生的变形低于70微应变时, 疲劳寿命将可看做无限。伯克利大学在I-710长寿命路面设计时, 分别进行了排水沥青混凝土和基层沥青混凝土在油石比4.7%和5.2%下的疲劳试验, 采用应变控制, 试验结果表明:提高油石比以后, 沥青混合料的疲劳寿命均有不同程度的提高。Samuel H. Carpenter. Khalid A. Ghuzlan和Shihui Shen通过室内试验研究认为在实际发生的变形低于70～90微应变下的沥青混合料疲劳变得无限, 这一点对沥青路面结构设计意义重大。

3 长寿命沥青路面在我国的研究和应用

长寿命沥青路面设计理念还是近几年才从国外吸收引进, 目前国内还没有真正意义上的长寿命路面。沥青路面的抗车辙能力主要取决于沥青混合料的高温变形性能, 只要对厚沥青混凝土路面中间高模量抗车辙层沥青混合料进行级配设计, 其抗车辙性能将进一步提高, 同时面层水损坏也可很少。

目前, 国内对沥青稳定基层研究较多, 铺筑了多条试验路。东南大学于 2001年在河南省开封市境内的商开高速公路兰祀连接线上铺筑的试验路, 在2003年204国道山东段改造工程中铺筑的试验路, 交通部公路科学研究所在青海省铺筑的马平高速公路沥青路面试验路。这些沥青稳定基层研究, 为长寿命路面研究提供了很有价值的参考。之后, 许多高速公路实体工程和国道主干线养护工程采用沥青稳定基层, 均取得了良好的使用效果。

山东省也请美国专家设计了永久性路而结构, 各层厚度如表2所示。

4 结束语

在重交通道路上, 当设计使用寿命40年时, 虽然, 道路的先期建设投入较大, 但因为不需进行结构补强, 减少了道路维修和因维修而带来的交通延迟, 费用效益分析的结果将是非常经济的, 因而长寿命沥青路面将会有很好的发展前景。

参考文献

[1]JTG D50-2006, 公路沥青路面设计规范[S].

浅谈长寿命沥青路面 篇5

1 长寿命沥青路面

1.1 长寿命沥青路面结构特点

长寿命沥青路面是当前世界各国沥青路面最热门的研究内容,是国际沥青混凝土路面界提出的新技术、新理念,其设计根本理念是实现路面损坏模式由“自下而上”的损坏转变为“自上而下”的损坏。长寿命路面的主要特点是:1)沥青面层厚度大;2)服务周期长(超过50年);3)维修方便且费用低。

长寿命沥青路面按功能合理设计结构层,其基本前提是HMA路面足够厚,以消除自下而上的路面破坏。其结构特点是路面必须有合适的厚度和刚度以抵抗变形,且具有足够厚度和良好性能以抵抗自基层底的疲劳开裂。长寿命沥青路面设计时考虑其功能特点是:1)上面层设计主要考虑抗车辙能力和抗磨耗能力;2)中间层设计时考虑须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能;3)基层设计主要考虑抗疲劳能力。

1.2 长寿命沥青路面结构设计

长寿命沥青路面结构设计要达到三个目标:1)不出现结构性破坏,包括结构性裂缝和结构性车辙;2)路面破坏仅发生在路面表层,且能迅速修复;3)定期的路面表层养护、检修和更换能使路面结构达到长寿命(超过50年)。

长寿命路面的破坏主要是磨耗层自上而下的功能性破坏。路面设计时,将上面层设计成功能层,将中下面层、基层设计为结构的承重层。路基顶面向上长寿命沥青路面由HMA基层、HMA中间层和磨耗层三部分组成。

长寿命沥青路面结构要点是:1)轮载下100 mm～150 mm区域是高受力区域,也是各种损坏(主要是车辙)易发区域;2)磨耗层(面层)为40 mm～75 mm厚高性能沥青混凝土,其为车辆提供良好的行驶界面,应具有足够的表面构造深度,且抗车辙、水稳定性要好;3)中间层为100 mm～175 mm厚高模量抗车辙沥青混凝土,起到连接和扩散荷载的作用,应具有高模量(刚度)、抗车辙特性;4)HMA基层为75 mm～100 mm厚高柔性抗疲劳沥青混凝土,起到消除疲劳破坏的作用,最大拉应变产生在HMA基层底部,该区域最易发生疲劳破坏,所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点;5)路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面,而且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。

1.3 长寿命沥青路面结构损坏模式

1.3.1 传统沥青路面结构损坏模式

传统的沥青混凝土路面损坏类型最主要的是疲劳开裂和永久变形这两类。

疲劳开裂是指在荷载重复作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂,并且由下而上发展直至贯穿整个沥青混凝土面层,造成路面损坏。数据统计分析表明:90%多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的,沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。计算表明:基层弹性劲度随沥青的老化增加,扩散荷载的能力也逐渐提高,从而减小了车辆荷载引起的、导致路面疲劳的基层拉应变。

永久变形是指在荷载重复作用下路基顶面压应变产生的不可恢复的变形量的积累。其包括固结和剪切两部分,通常在路面设计中处理。

1997年英国Nunn等人发现,沥青路面面层存在一个厚度上限,超过这个限值,自下而上的疲劳开裂和永久变形都不会发生,即沥青混凝土面层层底存在一个极限弯拉应变水平,此应变称疲劳极限应变(一般为εr≤60 με),处于这个水平以下时疲劳损坏就不会产生,无需再增加沥青路面厚度。永久变形的防治,通过有效的筑路机械,填筑材料,修筑高强、稳定和均匀的路基,使路基顶压应变εz≤200 με,从而保证结构性的永久变形不再发生。

1.3.2 长寿命沥青路面结构损坏模式

长寿命沥青路面通过增加底面层混合料的沥青含量来提高底面层材料抗疲劳性能,再加上以合适的沥青混凝土层厚度,就能确保源于底部自下而上的疲劳开裂不发生。

长寿命沥青路面主要的破坏形式是一般始于面层车辙和自上而下的裂缝。

车辙有两种,一种是车辙只发生在沥青面层,为表面车辙;另一种车辙产生于土基,为结构性变形。对道路的车辙产生速率的调查表明:当沥青层厚小于180 mm时,车辙率较大;当沥青层厚度大于180 mm时,车辙速率会迅速降低。对厚沥青面层道路,调查表明:车辙的大部分主要发生在沥青层表面。

裂缝普遍存在于养生成熟的厚沥青路面上,通常以一条或多条纵向裂缝的形式存在。表面裂缝不一定会削弱路面的强度,对道路并不造成结构性损坏,是长寿命路面设计的一项重要理论依据。由于沥青材料的粘弹性,路面内部所出现的微小裂缝往往能够自愈,而不至于像半刚性材料那样,在出现裂缝后,将迅速进入裂缝扩展阶段。这种功能性破坏,可以通过沥青罩面或铣刨加铺的方法来保证路面的行车舒适性和良好的服务性能。

2 长寿命沥青路面经济效益分析

路面综合效益的比较应包括寿命周期费用和其他费用的比较。

寿命周期费用指路面寿命期内全部的施工和养护费用以及和养护活动相关的施工场内的交通费用。其影响因素有:分析期、材料价格、折现率、交通量的预测、使用性能控制标准、不同养护和改建策略、评价指标的选取。

其他费用包括:1)路面改建现场由于乘客和货物运输所产生的费用;2)施工现场道路使用者和施工人员较高的事故发生率有关的费用;3)道路维修中造成路面无法正常使用,延误费用;4)路面损坏,车速降低,车辆磨损增加、耗油量增加费用;5)路面破坏,行驶不畅,交通阻塞,延时误工费用;6)路面使用状况不佳,交通事故率增加造成费用。

长寿命沥青路面经济效益分析:长寿命沥青路面由于采用沥青稳定基层,初期建设费用较高;长寿命沥青路面裂缝减少,疲劳破坏、车辙等病害较少,能够为道路使用者提供优良持续的服务;永久性沥青路面无需大规模的翻修,只要定期检测更换磨耗层,维护修复方便快捷,缩短维修时间;长寿命沥青路面路用性能良好,高强度加厚沥青路面比普通沥青路面使用周期更长并且养护费用更少。

国外研究指出,若一个重载交通道路的路面能够运营50年且不需要任何改建措施,那么它就会使公路建设总体投资减少而又有较高的投资效益。美国使用的长寿命路面,其使用年限一般为20年～40年,若按照总的全寿命成本效益计算,则长寿命沥青路面更加经济。据纽约一些采用50年设计使用寿命的道路统计资料,长寿命沥青路面与传统的路面平均每公里的造价之比,对30 cm厚度的面层为1.24,对25 cm厚度的面层为1.4。这一比率随着承包商对建造长寿命沥青路面所需的新施工工艺的熟悉以及需要新增设备费用的折旧将会进一步下降。长寿命沥青路面无论从性能价格比还是从寿命周期费用方面分析,较传统沥青路面都具有明显的优势。

3 结语

伴随重载交通和交通量的急剧增加,长寿命沥青路面将成为我国未来主要的路面结构,特别是在高速公路、重载交通中。我国正处于高速发展中,道路交通基础建设也发展迅猛,特别是高等级公路发展迅速。长寿命沥青路面无论从性能价格比还是从总费用比,较传统沥青路面都具有明显的优势,因此在我国开展长寿命沥青路面研究对于提高道路使用性能,节约道路建设、养护、维修综合费用都具有重要的现实意义。

摘要：指出长寿命路面是目前高等级公路路面结构选择和设计的新趋势,从结构特点、结构设计和结构损坏模式等方面对长寿命沥青路面进行了详细介绍,并对其进行了经济效益分析,从而促进长寿命沥青路面的研究和应用。

关键词：长寿命沥青路面,结构设计,损坏模式,经济效益

参考文献

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[2]沙庆林.高速公路沥青路面早期破损现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].上海:同济大学出版社,2003.

[4]陈小庭.长寿命沥青混凝土路面结构特点与设计研究[J].公路,2005(8):11-12.

长寿命沥青路面设计方法研究 篇6

关键词：长寿命,沥青路面,设计方法

1 前言

随着我国经济建设的飞速发展, 公路建设事业得到了迅猛发展, 由于我国的公路建设起步晚, 专业技术人才缺乏, 经济投入还不能满足现实需求, 再加上不断增加的交通量等原因, 很多铺筑的公路路面在通车一、二年内就出现不同程度的损坏现象, 严重的还影响到路面的正常使用和寿命。这不仅造成恶劣的交通影响, 也带来经济上的严重损失, 因此, 如何延长公路的使用寿命, 防止公路的早期损害已经得到全社会的广泛关注。长寿命沥青路面是指设计使用寿命大于四十年的沥青路面, 其优点是在使用期内不会路面结构性的破坏, 维修时只需要把表面层沥青混合料更换成新的混合料, 维修经济、方便。近年来, 一些新材料、新工艺和新技术在长寿命沥青路面设计上得到了比较成功的应用, 为了提高长寿命沥青路面的工程质量、完善使用性能、提高使用寿命和节约投资, 我们应该放眼未来, 改变观念, 借鉴国外的先进技术, 设计出符合我国国情的长寿命沥青路面。

2 长寿命沥青路面破坏模式研究

我国公路沥青路面主要存在两个类型的破坏, 第一类是发生在通车不久的1~3年内, 该类破坏主要是局部表现为车辙、坑槽和松散, 第二类是深层次原因引发的破坏, 该类破坏是即使设计合理、管理严格、材料合格, 仍然是使用不到设计年限时就需大修。由于长寿命沥青路面的设计理念是建立在对路面破坏模式的假定上, 因此我们首先要展开对长寿命沥青路面设计指标和破坏模式的研究。

2.1 长寿命沥青路面结构设计指标

由于长寿命沥青路面结构的破坏都是由应力、应变和位移累计产生, 以前, 大家一般都是以路表弯沉作为设计指标。该指标主要反映路面结构整体的抗变能力, 对于同一个路面结构而言, 该指标越小路面结构的承载能力越强, 使用寿命越长。随着路面结构新材料和新类型的出现, 把路表弯沉作为主要的设计指标已经不能满足实际的需要, 目前我国主要采用基底拉应变作为长寿命沥青路面设计控制指标的疲劳公式。

2.2 不同连续状况下应力应变分析

在长寿命沥青路面的结构中, 基层一般都是半刚性基层, 各类材料之间的层间接触具有一定的连续性, 而沥青面层中各层的材料都是沥青混凝土, 不具有很好的连续性。本文只对沥青层和半刚性基层之间的层间不连续性进行分析, 通过分析得出:随着不连续程度的增加, 沥青层的层底拉应变的变化速度最快, 而其他层中底层拉应变的变化则不是很大。

2.3 沥青路面结构破坏临界状态确定

对于由不同材料类型和结构层组合的路面结构而言, 其路面结构破坏的临界状态的确定方法也多种多样, 目前, 在长寿命沥青路面的结构设计中常考虑的临界破坏情况主要有以下三种情况:

⑴沥青面层的疲劳开裂。疲劳开裂是一种主要的结构损坏形式, 它是指在载荷不断作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂, 长寿命沥青路面设计时在使用年限内疲劳开裂是允许出现的。通常情况下, 路面结构疲劳开裂的临界状态由混合材料的疲劳极限决定, 沥青混合材料的疲劳寿命方程为:

其中k、n是和混合材料有关的常数。

⑵半刚性基层的开裂。目前, 半刚性基层的开裂是沥青路面结构破坏的一个主要的临界状态。基层开裂是指路面结构的半刚性基层底面的拉应力超过其容许值时出现的裂缝, 半刚性基层具有强度大, 有利于荷载的分布的特点, 但是由于其柔韧性能差, 一旦超过其容许拉应力, 容易出现裂缝, 并造成整个路面结构的严重破坏。一般情况下, 半刚性材料的疲劳方程用荷载作用次数表示:

其中k2, n2为疲劳参数。

⑶车辙。车辙是路面结构层在车辆载荷的不断作用下产生的永久变形。车辙又分为只发生在沥青面层的表面车辙和发生于土地基础的结构性变形两种。在进行长寿命沥青路面结构设计时我们首先考虑的是结构性车辙, 在85%的置信水平和标准载荷作用下, 路基容许的垂直压应变的计算公式如下:

通过上述公式可以计算出长寿命路基可以承受的最大作用次数, 当实际车辆通行次数超过该数值时, 则判定该路基产生破坏。

3 长寿命沥青路面设计方法研究

目前我国公路建设的观念、设计、施工和维护等还不能与实际需求相适应, 长寿命沥青路面的建设存在设计不合理、建设不规范和养护不到位的情况, 因此要想改变这样不利局面, 首先要从理念上解决长寿命沥青路面的设计问题。

3.1 长寿命沥青路面的定义

长寿命沥青路面结构由多个复杂的层状组成, 由于其具有良好的设计、施工表现, 早在20世纪60年代在北美地区开始广泛修建。该路面与普通柔性路面相比具有全新的设计理论, 就是在保证路面厚度的基础上把病害限制在路面的表层, 通过定期的维修保证路面在50年内的设计年限内不发生结构性损坏。长寿命沥青路面和传统路面相比就有显著的特点:路面裂缝减少, 维修方便;路面结构总厚度比用粒料基层薄;使用寿命长, 经济价值高。

3.2 长寿命沥青路面设计指标确定

在借鉴国外设计理念的基础上, 结合我国路面结构多采用半刚性基层的实际情况把半刚性基层层底拉应力指标确定为长寿命沥青路面设计指标。

半刚性基层材料一般有疲劳破坏和压碎破坏两种形式, 压碎破坏一般通过对材料性能的检验进行避免, 一般很少发生在路面结构中, 因此在进行长寿命沥青路面设计时主要考虑疲劳破坏。根据我国《公路沥青路面设计规范》的规定, 以半刚性基层的层底拉应力指标来控制半刚性基层底面的开裂破坏, 因此, 在长寿命沥青路面设计时, 应满足半刚性基层的层底拉应力小于材料的容许拉应力值。

3.3 长寿命沥青路面设计方法

长寿命沥青路面设计方法可以分为经验法和力学经验法两种, 由于设计人员的经验有限, 再加上新材料的层出不穷, 伴随着计算机水平的提高, 目前力学经验法中力学分析的比重越来越大, 在具体设计一般按照以下步骤进行:

⑴结构设计。进行结构设计时一般采用采用弹性层状体系理论作为理论基础, 即各层材料均匀、层间接触连续、土基在深度和水平方向均无限等。为了保证长寿命沥青路面结构的安全、稳定和足够的使用寿命, 为了能够客观反映路面结构的真实情况, 需要对现行规范中提供的双圆均布垂直荷载进行改进。

⑵结构层材料设计。由于长寿命沥青路面的损坏只发生在沥青面层, 因此, 结构层材料的选择和混合料的设计就至关重要。其中沥青面层应该具有较高的稳定性, 为了抵抗车辆载荷带来的变形, 还应该具有较高的强度。混合料的设计方法应该和路面损坏模式相结合, 按照路面的实际性能进行设计。

4 结束语

通过本文的分析可以看出, 长寿面沥青路面设计的理论是, 在设计寿命的使用期限内, 限制路面可能发生的破坏主要在路面结构上部。目前我国大规模公路网沥青混凝土路面的损坏给交通带来了严重的影响, 因此为了减少路面的损坏和维修造成的损失, 开展对长寿命沥青路面的研究是非常必要的

参考文献

[1]白琦峰, 王静, 陈荣生.长效性沥青路面结构设计[J].中外公路, 2005 (02) .

[2]李江, 封晨辉.永久性沥青路面[J].石油沥青[J].2005 (06) .

长寿命路面结构 篇7

关键词：青藏高原,道路,沥青路面,材料

我国很多路面在建成通车后两年甚至更短的时间内就会出现病害[1]。我国西部地区地形起伏大, 广泛分布着许多地质不良的地段, 所以道路的工程病害较多。在青藏高原地区, 冻土广泛分布, 昼夜温差大、强紫外线辐射, 道路工作环境比较恶劣。尤其藏东南高山深谷的地貌形态, 丰富的降水补给[2], 给道路建设和养护提出了严峻挑战。再加上由于条件所限, 施工、养护方面存在不足, 青藏高原道路沥青路面的早期破坏格外严重。

因此, 针对青藏高原地区特殊的地质和气候条件, 研究道路建设所需的材料及其工程措施具有重要意义。

1 青藏高原自然和气候条件

1.1 冻土

冻土是一种成分、结构、热物理及物理力学性质均特殊的土体, 每年活动层发生季节性融化和冻结, 伴随各种冻土问题[3]。冻土在青藏高原广泛分布, 对道路建设和养护造成一定问题。

1.2 雨雪

不同海拔低的地区, 青藏高原的降雪多发于春秋两季, 降温降雪天气会导致部分公路路段结冰积雪, 对路面沥青材料的低温稳定性和抗滑性提出了更高的要求。青藏高原东南部降水较多。

1.3 气温

青藏高原冬春季特别是冬末春初, 冷空气入侵频繁, 最大降温幅度可达17℃~22.6℃。昼夜温差大、冬季极端气温低等问题对路面材料的低温抗裂性提出了严峻考验。

1.4 辐射

随着海拔的升高, 阳光穿过的大气层厚度大大减少, 太阳辐射被吸收和散射的幅度就大大减少, 因此青藏高原是全国紫外线辐射最强且辐射量最大的地区。

2 沥青路面早期破坏主要因素

2.1 冻土

在多年冻土地区修建的道路, 每年都要发生一些破坏[3]。该地区的地基沉陷病害普遍, , 不不均均匀匀的的变变形形则则出出现现大大量量路路基基纵纵向向裂裂缝, 这些裂缝不仅规模巨大、数量繁多, 而且发展迅速、难以养护, 会对路面使用造成危害, 导致路面行驶质量每况愈下。

2.2 雨雪

降雪结冰使得交通受阻, 同时使得路面抗滑性能受到巨大考验。尤其是沥青路面, 有必要对其改性, 提高其抗滑能力。

藏东南等降水多的地方要注意水损害的问题。如果路面裂缝不及时修补, 水渗入基层甚至路基, 容易造成坑槽等严重病害。

2.3 气温

气温下降, 特别是急骤降温时, 沥青层受基层的约束, 不能迅速收缩产生很大的温度应力, 累计温度应力超过沥青混合料的极限抗拉强度时路面就会开裂。每年第一次寒潮来临时, 容易造成沥青路面裂缝的产生和发展。气温昼夜温差大, 使沥青路面反复的膨胀和收缩, 导致物质内部的组织结构发生变化。随着气温的降低, 沥青的粘滞度增高, 变形能力降低, 易出现脆性破坏。

2.4 紫外线辐射

由于沥青混合料有一定的空隙, 在沥青路面长期的使用过程中, 青藏高原的强紫外线时刻作用沥青膜, 引起沥青中的轻质成分转化成胶质, 胶质又转化成沥青质, 使沥青变硬变脆。沥青老化导致路面龟裂等病害, 因此需要对路用沥青改性, 提高其抗老化能力。

3 工程对策

3.1 推广废胶粉改性沥青

用废胶粉改性沥青铺设的公路, 与普通路面相比, 可延长使用寿命1倍~3倍, 提高路面的耐热性、耐寒性, 增强防滑性[4]。对于提高青藏高原的道路材料低温、抗滑等方面要求非常有帮助。废旧轮胎是固体废弃物中最难处理的, 采用焚烧的方法处理将带来新的污染, 采用堆放、填埋占用土地资源, 而且容易滋生蚊虫、传播疾病[4]。高原生态脆弱, 废胶粉改性沥青有着显著的环保和社会效益。废胶粉改性沥青变废为宝, 经济好, 适合经济技术发展水平有限的青藏高原。

3.2 应用改性乳化沥青稀浆封层

改性乳化沥青稀浆封层是冷拌冷铺技术, 造价仅为热拌沥青的1/2左右[5]。改性乳化沥青技术具有十分广阔的推广应用前景和良好的社会经济效益[6]。对于青藏高原的道路, 由于冻土、气温和降雪等因素, 沥青路面面层开裂多, 仅仅依靠沥青混合料面层防水不能满足要求。尤其是藏东南等降水多的地方, 乳化沥青稀浆封层可以减少水损害, 推广应用很有必要。改性乳化沥青稀浆封层能延长施工季节, 改善施工条件, 减轻环境污染。对于夏季短暂、生态环境脆弱的青藏高原, 非常有意义。

3.3 加强预防性养护

预防性养护是在路面状况良好的情况下就开展的有计划的养护, 减少大修和重建昂贵费用, 延长路面使用时间[7]。青藏高原, 道路早期病害多, 预防性养护非常有必要。预防性养护把养护工作转变到在路面出现损坏之前就积极采取措施的主动状态[8]。由于我国西部地区养护资金欠缺, 养护往往是疲于应付的被动养护, “哪里坏了修哪里”, 往往是“钱也花了, 路也坏了”, 浪费了有限的养护资金。美国研究结果表明有效的预防养护能延长一倍的道路寿命。如果养护不及时, 就会出现路面寿命受损, 达不到预期寿命的问题。青藏高原东缘某二级路, 2008年刚建好时曾经作为灾后援建工程的样板工程, 供各省市援建代表参观。但是由于地处高原加之基层刚度过大出现了反射裂缝, 预防性养护要花几百万元。由于经营权问题, 公司不敢投入资金进行预防性养护, 错失了时机。现在7年的病害积累起来, 大修费用需要5亿元。因此, 要在青藏高原的道路积极推行预防性养护。

4 结语

青藏高原的自然和气候条件特殊, 道路沥青路面早期病害多, 道路使用寿命受到多种不利因素影响。为了实现长寿命沥青路面, 可以从材料、结构、养护等方面入手。采用废胶粉改性的沥青路面材料, 增加乳化沥青封层, 及时采取预防性养护措施对于延长道路使用寿命很有帮助。

参考文献

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[5]谢建立.改性乳化沥青稀浆封层在公路工程施工中的应用[J].交通科技, 2014 (2) :128-130.

[6]王文奇, 谢远新, 文龙, 等.乳化沥青稀浆封层混合料路用性能与铺装工艺研究[J].施工技术, 2014 (sup) :256-258.

[7]吕镇锋, 李金明, 何剑星.佛山一环沥青路面预防性养护技术实施探索[J].华东公路, 2014 (4) :60-62.