柔性基层与半刚性基层组合结构在高速公路中应用的探讨

层位
面层
基层
中间层 底基层 垫层 路基 控制弯拉应力 (MPa) 计算弯沉 (0. 01mm )
材料名称
沥青混凝土
沥青稳定碎石 (ATB - 30) 级配碎石
水泥稳定砂砾 级配砂砾 土基
结构一 设计层 结果 < 10. 5cm
10 cm 30 cm 15 cm
0. 25 40. 2
表 2 路面结构厚度计算
AASHTO 柔性路面设计基本方程为 :
logW t18 = ZR S0 + 9. 36 log ( SN + 1 ) - 0. 20 + log [ (4. 2 - pt ) / ( 4. 2 - 1. 5 ) ] / [ 0. 4 + 1094 / ( SN + 1) 5. 19 ] + 2. 32 logM r - 8. 07
第 1期 辽 宁 交 通 科 技
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柔性基层与半刚性基层 组合结构在高速公路中应用的探讨
高立波
(辽宁省交通科学研究院 ,沈阳 110015)
摘 要 结合辽宁省交通厅重点科研项目“沥青稳定碎石和级配碎石的研究 ”,采用我国 现行规范设计方法和美国现行规范 AASHTO 设计方法 ,进行沥青路面结构设计 ,将沥青稳定 碎石基层 、级配碎石基层与半刚性基层组合结构应用于沈阳绕城高速公路沥青路面中修工程 , 取得了良好效果 。 关键词 高速公路 柔性基层 半刚性基层 AASHTO 设计方法
大 ,宜造成路面反射裂缝 。而沥青稳定碎石基层作 为一类柔性结构层 ,比半刚性基层具有更好的水稳 定性 (密实型沥青稳定碎石 )或排水能力 (排水型沥 青稳定碎石 ) ,而且沥青碎石基层与沥青混凝土层 粘结牢固 ,并且模量接近 ,路面结构的受力 、变形更 为协调 ,起到应力消散的作用 ,可以有效的减少路面 结构中的应力集中现象 ,大大延缓路面裂缝的产生 。 因此沥青碎石基层在国内的路面结构中具有很大的 潜力 。级配碎石基层具有较强的排水能力 、应力消 散 、防止反射裂缝能力 。随着厂拌机摊的实现 、大吨 位压实机具的使用等施工技术和水平的提高 ,级配 碎石基层已不同于传统的级配碎石层 ,在国内多条 高速公路上已铺筑了试验路 。
1 前言 沈阳环城高速公路于 1995 年建成通车 ,使用 8
年后 ,路面普遍出现车辙 、网裂 、龟裂 、坑槽等路面病 害 ,已严重影响路面的使用性能 ,于 2003 年经设计 部门设计对全线进行中修 。其中西环内侧 K76 + 800～K78 + 000,长度 1200m ,路面出现严重网裂 、纵 裂 、车辙 、坑槽等路面病害 ,中修方案是对该路段进 行翻修 。经现场挖验和检测 ,发现该路段半刚性基 层强度已严重衰减 ,主要原因是该段为不填不挖路 段 ,且自然水位较高 ,路基路面排水不畅 ,半刚性基 层材料水稳定性差 、结构排水性差 ,遇水后易产生浮 浆 ,导致承载力下降 ;同时半刚性基层温缩和干缩易 产生反射裂缝及半刚性基层模量与沥青面层相差较 大 ,存在应力集中现象 ,更加速了路面病害的产生 。 通过以上分析并经专家论证 ,对该路段的翻修拟从 沥青路面结构上进行改进 ,采用柔性基层与半刚性 基层组合结构 。 2 柔性基层与半刚性基层结构组合设计
提供强度和隔水 ,沥青稳定基层提高了整个路面结 路面设计弯沉值为控制指标 ,通过大量的公路调查
构的水稳定性 ,级配碎石层可以排除渗入路面的水 , 资料统计分析 ,提出了不同公路 、不同面层 、基层类
同时减少路面反射裂缝 。当然 ,该段路应该提高路 型的路表容许弯沉值 ,通过引入路面整体刚度衰减
基填土高度 、设置完善的排水系统以彻底解决路面 病害 ,延长路面使用寿命 。
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按我国现行路面设计程序计算 ,在厚度设计方 面虽然引进了基层类型系数 ,但基层类型的分类概 念模糊 ,系数取值幅度过大 。基层类型系数以 15cm 厚度为突变点 ,从 1. 0突变到 1. 6,这对柔性基层的 设计影响较大 ,设计结果与工程实际相差较远 。由 以上计算结果可知 :基层类型系数取 1. 6偏大 ,设计 厚度偏小 ,结构设计不合理 ; 如采用半刚性计算方 法 ,基层类型系数取 1. 0,设计厚度偏厚 ,不符合实 际。 3. 2 按《AASHTO 路面设计指南 》(1993年版 )设计
国际上许多国家普遍采用以沥青稳定碎石和级 配碎石作为基层的柔性路面 ,并且有较为成型的路 面设计计算方法 、设计指标 。总结美国 、英国 、法国 、 德国 、澳大利亚和我国路面设计技术规范关于柔性 基层沥青路面的规定 ,柔性基层沥青路面典型结构 形式主要有两种 。 ( 1) 柔性基层沥青路面 :面层和 上基层采用沥青混合料 ,下基层采用级配碎石或砂 砾基层 ; (2) 柔性组合式路面 ,即柔性基层与半刚性 基层组合结构 :面层和上基层采用沥青混合料 ,下基 层采用水硬性稳定处理基层 (水泥或二灰 ) ;或在半 刚性基层与沥青面层之间设置级配碎石上基层 。
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辽 宁 交 通 科 技 2006
向裂缝 。同时该段路基土含水量较大 ,路基强度较 验收弯沉值 ( 0. 251mm )估算设计年限内设计车道
低 ,而超载 、重载车辆较多 ,若采用级配碎石 +沥青 上累计当量标准轴载 (BZZ - 100)为 900万次 。
稳定碎石基层 +沥青路面结构形式 ,很难保证强度 。
( 1 )设计基本参数的确定 ①我国高速公路标准轴载 100kN ,将轴次 9 × 106次换算成 80kN 下的标准轴次 W 为 t18 22. 0 ×106 次; ②高 速 公 路 的 可 靠 度 水 平 取 95% , ZR 为 1. 645, S0取 0. 35, pt取 3. 0, △PSI = 1. 2; ③路基土设计模量取 30M Pa。 ④按国外通常做法 ,排水系数取 1,即 m4 = m3 =m2 = 1;级配碎石垫层通常取 m5 = 1. 2。 ⑤各层材料层位系数
结构二
9cm 设计层 结果 < 1. 5cm
30 cm 15 cm
0. 25 40. 2
结构三 10 cm
设计层 结果 < 1. 5cm
35 cm 15 cm
0. 25
层位
面层
基层
中间层 底基层 垫层 路基 设计弯沉 (0. 01mm ) 最大弯拉应力 (MPa) 容许弯拉应力 (MPa)
材料名称
沥青混凝土
①设计年限 : 15年 ;
(Ab = 1. 6) ,计算结果如表 1,以路面弯沉指标作为
②交通量参数 :因为该工程是路面中修工程 ,未 柔性基层设计控制指标 (Ab = 1. 0 ) ,计算结果如表
作详细交通量调查 ,根据高速公路管理局提供交通 2。
量资料 (该路段重载超载车辆较多 )和原路面设计
表 1 路面结构厚度计算
③土基回弹模量 30M Pa。
同时较厚的级配碎石基层无法排水 。根据实际情况 3. 1 按我国沥青路面设计规范进行厚度设计
采用半刚性基层 +沥青稳定碎石或级配碎石上基层
我国现行《沥青路面设计规范 》( TJT014 - 97 )
+沥青路面的结构形式是合理的 ,半刚性基层用来 沥青路面设计以多层弹性连续体系理论为基础 ,以
A s - 面层类型系数 ,沥青混凝土面层为 1. 0;
面层 (三层 ) ,级配碎石上基层 ,水泥稳定砂砾底基
Ab - 基层类型系数 ,对半刚性基层 、底基层总
层的组合结构 。
厚度等于或大于 20cm 时 , Ab = 1. 0;若面层与半刚
3 路面结构层厚度设计
性基层之间设置等于或小于 15cm 级配碎石层 、沥
该段高速公路 ,路面为不填不挖 ,路基路面排水 不畅 ,若采用半刚性基层沥青路面结构 ,在干缩裂缝 和水的作用下基层强度将迅速衰减 ,造成路面横 、纵
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美国 AASHO 沥青路面设计方法是目前应用最 为广泛的沥青路面经验设计方法 。该方法是以试验 路行车试验结果为依据的方法 。试验路修筑于美国 伊利诺斯州 ,规模巨大 。AASHO 设计方法的特点 为 : ① 路面服务水平提出了路面耐用性和工作状态 的概念 ,对路面使用状况提出了评价的标准 ( PSI) ; ② 沥青路面设计基本方程式提出了现时服务指数 (路面的工作状态 ) —荷载 —路面各因素之间的关 系 ; ③ 路面结构数与荷载作用次数的关系 ; ④ 基于 设计方程的车辆当量换算方法 ,其中包括单轴和双 轴的等效关系 ; ⑤ 可靠度概念考虑了路面设计过程 的不确定性 ; ⑥ 排水系数考虑了水对路面结构和材 料的影响 。
沥青稳定碎石 ATB - 30 级配碎石
水泥稳定砂砾 级配砂砾 土基
结构一 设计层 结果 = 21. 3cm
10 cm 30 cm 15 cm
25. 1 0. 12 0. 25
结构二 9cm
设计层 结果 = 18. 7cm
30 cm 15 cm
25. 1 0. 13 0. 25
结构三 10 cm
设计层 结果 = 12. 2cm
a) AASHTO 设计方法中密级配沥青混凝土的回 弹模量 (21℃)按 ASTM D 4123方法测定 (单位为 p si) ,其层位系数按下式求得 : a1 = 0. 394 log ( E1) -
1. 7877 对 SMA13、SMA16、AC - 20、AC25,按照 AASH2
TO 方法 , a1取为 0. 42,回弹模量为 2760M Pa;对沥青 稳定碎石基层 ATB30,按照 AASHTO 方法 , a2取值为 0. 38,回弹模量为 2190M Pa。;
式中 : W t18为设计年限 t年 80kN 单轴荷载的换 算当量轴次 ; pt为在使用年限 t年末的服务水平 ; ZR 是给定可靠性 R 的正态分布系数 ; S0为标准差 ; M r 为路基土有效回弹模量 ,单位 p si; SN 为考虑当地的 降水和排水条件的路面结构数 。
按设计交通量查图得到的 SN 为 7. 0英寸 ( 17. 8cm ) 。
路面结构设计方法参照我国现行规范的理论计 青碎石 、沥青贯入碎石的半刚性基层结构时 , Ab可
算设计方法和美国现行规范 AASHTO 经验方法进 取 1. 0;柔性基层 、底基层 Ab = 1. 6,当柔性基层厚
行设计 。
度大于 15cm、底基层为刚性下卧层时 , Ab可取 1. 6。
设计参数
结构层厚度计算以弯拉应力作为设计控制指标
35 cm 15 cm
25. 1 0. 13 0. 25
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第 1期 高立波 :柔性基层与半刚性基层组合结构在高速公路中应用的探讨
基层是路面结构中的重要承重层 ,主要承受由 面层传来的车辆荷载的垂向力 ,并扩散到下面的土 基中 ,主要起到扩散路面荷载 、减小路面变形 、防止 和减缓路面病害的出现等作用 ,可以有效的延长路 面的使用寿命 。基层应具有足够的强度 、刚度和水 稳定性 ,并具有良好的扩散应力的功能 。目前我国 高速公路普遍采用的是半刚性基层沥青路面的结构 形式 ,半刚性基层具有较高的强度与承载力 ,但半刚 性材料水稳定性差 ,导致基层承载力下降 ; 收缩量
函数 ,提出了路面设计弯沉值为 : ld = 600Ne - 0. 2 A c· A s·Ab
根据以上分析 ,试验路铺筑方案为 : ( 1 )沥青混
式中 : Ac - 公路等级系数 ,高速公源自文库 、一级公路
凝土面层 (二层 ) ,沥青稳定碎石 (ATB - 30 )基层 , 为 1. 0;
水泥稳定砂砾底基层的组合结构 ; ( 2 )沥青混凝土
b) AASHTO 设计方法中级配碎石的回弹模量 E (单位 : p si)按 AASHTO T 224 方法测定 ,层位系数 根据回弹模量按下式求得 : a3 = 0. 249 log ( E2) - 0.