永久性沥青路面结构设计理念探讨

Probe into Design Concept of Permanent Asphalt Pavement Structure
REN Hongli Abstract: With the day to day increase of traffic in national highway transportation, upsizing of vehicles, serious heavy loads and overloads, the pavement structure of highways is facing severe test. In general the effective service time of existing highways cannot reach the designed service life, so the early damages such as large area ruts, cracks, bleedings and potholes, etc. frequently appear within 2~ 3 years after being open to traffic. On the contrast, the designed service life of asphalt pavements abroad becomes longer and longer, thus the design concept of permanent or long life pavement emerges, which acquires great success in prolonging the service life of the asphalt pavement. Based on the investigations on typical structures of some abroad asphalt pavements, this paper carries out the preliminary probe into the design concept of permanent asphalt pavement. Key words: permanent asphalt pavement; design concept; probe 近年来, 我国车辆大型化、 重载及超载现象比较 严重, 现有半刚性路面结构的有效服务时间普遍未 能达到其设计使用年限, 部分公路在通车 2~ 3 年就 出现大面积的车辙、 开裂、 泛油、 坑槽等早期破损现 象。相比之下, 国外柔性基层沥青路面及复合型基 层沥青路面的设计寿命越来越长。因此 , 需对我国 沥青路 面进行 系统 研究 , 一方 面应 对现 有的 半刚 性基层沥青路面结构及材料设计进行完善 , 另一方 1 国外高速公路沥青路面典型结构 在 20 世纪六七十年代, 欧美等一些国家在高速 公路上曾经采用过多种沥青路面结构类型, 主要分 为以下几种 , 见表 1。 面要借鉴国外长寿命路面的设计理念 , 研究长寿命 路面结构及材料设计 , 建立适合我国实际的沥青路 面设计体系。
高速公路沥青路面结构 , 可在各种交通量水平下使 用。这种 结构的 沥青层 相对 较厚 , 一 般为 30~ 50 cm, 这种结构在天然的 或经过适当处理的路 基上, 铺筑全部为沥青层沥青路面。 1. 2 柔性基层沥青路面 柔性基层沥青路面是以沥青类材料、 粒料等作 为柔性基层的沥青路面。最常用的结构型式为沥青 混凝土面层+ 沥青碎石基层或粒料基层 + 粒料底基 层。一种是基层以沥青稳定碎石为主, 沥青层较厚; 另外一种是基层以粒料为 主, 沥青层较薄 ( 小于 10 cm) 。但是薄沥青层直接下卧粒料基层的结构不适 合在多雨潮湿地区使用 , 国际上除了南非在高速公 路上使用外, 一般国家都用于中低交通量的道路。 1. 3 组合式基层沥青路面 组合式基层沥青路面是柔性基层与半刚性底基 层组合使用的路面。常用的结构型式为 : 结构 1, 沥青混凝土面层 + 沥青 碎石基层 + 半 刚性底基层; 结构 2, 沥青混凝土面层 + 沥青 碎石基层 + 粒 料过渡层 + 半刚性底基层。 设置碎石过渡层的结构也称为倒装结构。沥青 层是主要的承重层 , 为了提高对于不利条件土基的 适应性以及不同气候情况特别多雨潮湿地区的适应 性, 采用了半刚性底基层或加铺粒料过渡层。采用 半刚性底基层的目的主要是为了进一步分散荷载对 于土基的作用力, 降低路面结构产生结构性车辙的 可能性 , 减小土基顶面的压应变。结构 2 加入粒料 过渡层的目的主要是降低半刚性材料开裂对于沥青 层性能的影响, 另外也是改善路面结构内部的排水 性能 , 比较适合于多雨潮湿地区使用。 组合式结构沥青层的总厚各国稍有差别, 一般 要求为 20~ 40 cm 。半刚性材料仅仅作为下基层或 底基层 , 厚度一般为 10~ 30 cm, 不作为主要承重层, 且半刚性材料的强度设计不宜太高。当使用粒料层 时, 粒料层的厚度为 10~ 30 cm, 设置在半刚性材料 之上。沥青层和其它材料的厚度比为 1~ 2。 1. 4 半刚性基层沥青路面 半刚性基层沥青路面在 20 世纪六七十年代是 欧美国家沥青路面的主要结构形式。它以半刚性材 料作为基层和底基层 , 在其上铺筑较薄的沥青层 ( 一 般小于 18 cm) 沥青路面 , 如同我国普遍使用的那样。
公路交通技术
2009 年 6 月
第3期
Technology of Highway and Transport
Jun. 2009 No. 3
永久性沥青路面结构设计理念探讨
任红丽
( 邢台市高速公路管理处 , 河 北 邢台 054001) 摘 要 : 我国公路运输的交通量日 益增 大 , 车辆大 型化 、 重 载及超 载现 象比较 严重 , 致 使公路 路面 结构 面临严 峻考
表 1 沥青路 面结构类型分类 类型 面层 全厚式路面 沥青层 柔性路面 沥青混凝土 沥青碎石或 基层 各种沥青类 结构层 粒料底基层 半刚性底基层 半刚性底基层 粒料基层 半刚性路 面 沥青混凝 土 半刚性基 层 组合式路面 1 沥青混凝土 沥青碎石基层 组合式路面 2 沥青混凝土 沥青碎石基层 碎石过渡层 半刚性底基层 刚性路面 沥青混凝土 水泥混凝土
全厚式沥青混凝土路面是一定厚度的沥青混凝 土直接铺在经过加固处理或未经处理的路基土上。 这种路面结构 的优点是 : 1) 由于 不采用较 厚的基 层、 底基层 , 总的路面厚度比采用薄沥青层加厚粒料 基层的沥青路面薄 ; 2) 由于沥青层相对较厚, 传统 的疲劳开裂可能性大大降低, 路面的损坏主要位于 面层顶部 , 这样一旦路面表面损坏达到临界水平 , 其 经济的处理方法就是将损坏的顶层或面层磨掉, 并 重铺 , 且表面材料可以重新利用。 永久性沥青路面实际上是全厚式沥青路面的延 伸。它不仅具有上述 2 个优点 , 而且又通过在材料 选择、 混合料设计、 性能试验以及路面结构设计等方 面所做的大量研究而具备获得长年限路面的使用性 能。永久性沥青路面具有如下特点。 1) 总费用 : 初期修建费较高 , 但日常养护费较 少, 总费用效益比最大; 2) 设计年限: 30~ 40 年以上; 3) 损坏模 式: 路面 的损坏 仅限于 沥青层 的顶 部, 不会发生结构性损坏 ; 4) 养护维修 : 只需日常养护和 磨耗层的维修, 不需进行结构性大修。 2. 1. 2 永久性沥青路面的结构原理 永久性沥青路面的结构原理是基于厚沥青层路 面的受力特点和破坏模式。一方面沥青混合料类似 于一些材料所具有的耐劳极限强度 , 存在一个 耐劳 极限弯拉应变 , 当在交通荷载作用下 , 沥青层底产 生的弯拉应变小于抗疲劳层的 耐劳极限弯拉应变 时, 沥青混合料的抗疲劳层不会产生疲劳破坏 , 从而 达到长久使用的效果 ; 当抗疲劳层的弯拉应变小于 耐劳极限弯拉应变 时 , 再增加沥青层的厚度对于 延长沥青路面的使用寿命没有意义。另一方面在荷 载作用下 , 路基产生的竖向变形处于较小的水平 , 可 保证不发生结构性车辙。 为了使沥青路面达到耐久使用的效果, 使沥青 路面结构的使用寿命可以达到 30~ 40 年以上, 强调 沥青层由 3 层热拌沥青混合料组成: 可重复维修的 表面层、 性能良好的沥青中间层、 抗疲劳的底面层。 即首先通过沥青层的厚度设计、 材料选择, 控制沥青 混合料抗疲劳层的弯拉应变处于较小的水平, 保证 抗疲劳 层的 耐久性 和不发 生较大 变形 ( 结构 性车 辙) ; 其次中间层的沥青混合料是按抗车辙等设计的 沥青层材料 , 保证具有稳定、 良好的使用性能 ; 最上
各种类型的底基层
收稿日期 : 2008- 12- 03 作者简介 : 任红丽 ( 1971- ) , 女 , 山东省夏津县人 , 硕士 , 高工 .
2009 年 1. 1
第3期
任红丽: 永久性沥青路面结构设计理念探讨
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全厚式沥青路面 全厚式沥青路面是欧美发达国家现在最常用的
随着对这种路面结构使用性能认识的深入, 很多国 家都认识到在使用这种结构时需注意的一些问题和 使用的具体场合。在美国, 半刚性材料使用越来越 少 , 趋向于将其用作底基层 , 但在重交通量条件下不 推荐使用。法国在典型路面结构中虽然保留了半刚 性基层沥青路面这种结构, 但实际上在高速公路上 已经几乎不用了。澳大利亚、 日本、 瑞士、 波兰等国 如果使用半刚性材料 , 都采用低强度的水稳材料, 日 本水稳基层 7 d 抗压强度为 2. 9 MPa, 底基层仅 0. 98 MPa; 波兰的半刚性基层 7 d 抗压强度一般在 1. 6~ 2. 2 MPa。在德国、 丹麦等国家, 半刚性材料的强度 稍高一些, 要求采取一定措施来防止反射裂缝的发 生。一般国家则采取在半刚性基层中设置各种接缝 或要求锯缝 , 在沥青层与半刚性层之间设置防止裂 缝发展的隔离层等措施。 1. 5 刚性基层沥青路面 刚性基层沥青路面是以水泥混凝土结构( 通常 为贫混凝土) 作为基层, 上面铺筑较厚沥青层路面。 板下面也有不同的材料, 如半刚性材料、 粒料等作为 底基层。最常用的结构型式为沥青混凝土面层 + 半 刚性基层( 高强度的半刚性基层实际上属于贫混凝 土 ) 。对水泥混凝土路面上加铺沥青面层的路面, 如 果混凝土板彻底打碎的可归入柔性基层沥青路面, 如果混凝土板没有破碎直接加铺沥青层的可仍然视 作刚性路面。 2 永久性沥青路面结构设计 路面结构设计的目的是提供一个良好的路面结 构层, 保护路基 , 抵抗车辆荷载作用, 满足所选定的 服务水平, 并与路面维修和管理相结合, 达到尽可能 经济的效果。世界上沥青路面设计方法有多种, 但 无论采用什么方法, 服务目标、 道路类型、 设计策略、 交通条件、 可用 材料 和环 境等 都是 必须考 虑的 因 素。 2. 1 永久性沥青路面的结构原理研究 目前, 永久 性路 面 ( Perpetual Pavement ) 以 及 长寿命沥青路面 ( Long- life Pavement ) 的概念在美 国、 欧洲等地被广泛研究。真正意义上的 永久性路 面 的理念是: 设计的沥青路面至少能 够使用 30~ 40 年以上, 采用 较厚的沥青层, 路面损 坏仅限于沥 青路面顶部 , 只需定期进行表面洗刨、 罩面修复, 沥 青路面在使用年限内不需要大的结构性重建。 2. 1. 1 永久性沥青路面 和全厚式沥青混凝土路