高寒地区沥青路面结构适应性

A bstract :
Severe w eather and w eak env iron m ent have a sign ificant in fluence on the long term
perfor m ance of asphalt pave m ent structures in the T ibet P lateau and surround ing areas such as w est S ichuan, north Yunnan and Q in ghai P rov in ce . Current desig n spec if ic ation based on the ca lib ration o f fie ld investigatio n of pavem ent in in land areas is no t sufficient to produce a sound pave m ent design . B ased on com puter si m u la t io n and com prehensive f ie ld in vest ig at ion of aspha lt pavem ents in the T ibe t P lateau and surrounding prov in ces , several new types of aspha lt pavem ent structures w ere proposed and a test road section w as constructed and in strum ented to m on itor pave m ent perform ance . The research results show that flex ib le base layer should rep lace sem i -rig id base layer to produce sound asphalt pave m ents w ith a long ter m perfo r m ance , espec ia lly in co ld reg ions . K ey words : asphalt pavem en; t co ld region; pave m ent perfor m ance ; test road ; FEM ( f in ite elem en t m ethod) 截至 2007年底, 我国公路通车总里程达 3571 30 万 km, 其中高速公路 51 36 万 km, 位居世界第二. 公 路交通三步走现代化战略已提前进入第 3 阶段, 公路建设重点已逐渐转移到西部地区, 特别是进藏公路的 改造与建设日益重要. 然青藏高原及其周边山区如川西、 滇北、 甘南等地由于环境条件具有强烈的高寒特 征, 因此对路面的路用性能提出了更为严酷的要求. 沥青路面因其行车舒适、 环境友好、 维修简易和路表美观等特征已渐成为世界各国沥青路面的首选. 美国高达 94 % 的路面为沥青路面 上升至 50 %. 高寒地区沥青路面路用性能的保证取决于路面设计是否能充分考虑高寒气候特征并在材料和结构设
文章编号 : 0258-2724( 2009) 02-0147-08
高寒地区沥青路面结构适应性
邱延峻 ,
摘
1
艾长发 ,
1
黄
兵,
2
兰
波
2
(1 . 西南交通大学土木工程学院 , 四川 成都 610031; 2. 四川省交通厅 , 四川 成都 610041) 要 : 在广泛的路面调查基 础上 , 结合数值计算分 析 , 提出了 柔性结 构、 倒 装结构、 全 厚式结构 和复合 结构等
T ab. 1 结构层名称 上面层 下面层 基层 底基层 掺 5% 水泥 稳定碎石 类型 1 表 1 现场试验段路面结构 Proposed aspha lt pave m ent structures fo r the test road sec tion 类型 2 类型 3 A C-13 SBR 改性沥青混合料 类型 4 类型 5
[ 6, 7]
.
为了提高高寒地区沥青路面的抗裂性能 , 保证路面的使用寿命, 需要充分考虑当地的气候条件 , 有针 对性地开展新型路面结构形式在高寒地区的应用研究 .
2 新型路面结构
国道 213线郎川公路地处川西北高原地带, 属于高寒地区, 气候环境恶劣 , 冬季降温急, 寒流不断, 昼 夜温差大 , 采用半刚性基层沥青路面必将出现反射开裂现象 . 由于该公路是连接川甘两省的交通要道, 重 载车辆较多, 因此在保证路面结构必要承载能力的情况下 , 如何解决或减少沥青路面的反射开裂是该地区 沥青路面修建的关键. [ 8~ 11] [ 12 ] 为此 , 在借鉴国内外研究成果 的基础上 , 结合该工程项目的路面设计文件 , 选择了 5 种路面结 构方案 (见表 1 , 其中掺量均为质量分数 )作为现场试验段 , 其中类型 1 为设计文件中的典型半刚性沥青路 面结构, 该结构作为本研究的对比结构 ; 类型 2~ 5 优化后的新型路面结构为延缓或减少沥青面层反射开 裂的研究结构 . 本文中称类型 2 为夹层结构 , 类型 3 为全厚式结构, 类型 4 , 5 为倒装结构.
第 2期
邱延峻等: 高寒地区沥青路面结构适应性
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害在所调研路段普遍发生. 由于面层太薄, 强度不足, 在荷载反复作用下 , 使面层疲劳开裂 , 其表现形式主 要为沿行车轮迹纵向不连续的多条裂缝和网裂 ( 图 1( e) ). 在调研中发现, 采用 3 cm 厚沥青面层的 318 川 藏线康折段、 318川藏线拉墨段及拉萨曲段的路面疲劳破坏较为严重. 通过对调研资料的分析 , 可以将高寒地区沥青路面主要开裂病害形式归纳为以下 5 类: ( 1) 路基冻胀融沉引起的路面开裂; ( 2) 路面剪切开裂 ; ( 3) 沥青面层本身温缩开裂 ; ( 4) 半刚性基层开裂引起面层反射裂缝; ( 5) 路面整体强度不足引起的面层疲劳开裂 . 导致这 5 类开裂病害的因素是多方面的 , 与恶劣的气候因素有关, 也与路基构造、 材料性能及施工质 量等因素有关 , 但不可否认与以下 2 点有重要关系: ( 1) 我国沥青路面设计方法和设计指标无法真实反映 路面破损状态 ; ( 2) 传统的 / 强基薄面 0设计思想, 导致半刚性基层沥青路面成为我国公路沥青路面的主 流结构形式
第 44 卷 第 2 期 2009 年 4 月
西 南 交 通 大 学 学 报 JOURNAL OF SOUTHWEST JI AOTONG UN I VERSITY
DO I : 10. 3969 / . j issn. 0258-2724. 2009 . 02. 001
Vo. l 44 N o . 2 A pr . 2009
148 计中采取有针对性的措施
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
西
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南
交
通
大
学
学
报
第 44卷
. 由于传统上沥青路面设计规范所依据的路面调查资料无法真实描述高寒
地区的路面状态, 因此极有必要开展高寒地区新型路面结构行为与适应性研究 . 本文中结合川西北高原郎川公路建设中沥青路面结构与材料设计问题, 通过对川西、 滇北、 西藏和青 海等高寒地区路面破损状况的调查 , 分析了高寒地区路面破损主导型式和致损机理 , 借鉴当地路面实践经 验和国内外研究成果, 设计了几种新型路面结构 , 对各种新型沥青路面的结构行为进行了仿真计算 , 并通 过试验路的铺筑验证了沥青路面优选结构的合理性. 研究成果可以促进高寒地区沥青路面结构设计的发 展, 同时对于川藏公路的建设与维护具有直接指导作用.
F ield Investigation and Structural Integrity of A sphalt Pavem ent in Cold R egions
QIU Yanjun ,
1
A I Changfa ,
1
H UANG B ing ,
2
LAN B o
2
(1 . Schoo l o f C iv il Eng . , Southw est Jiaotong U n ive rs ity , Chengdu 610031, Ch ina ; 2. S ichuan P rov inc ia l Co mm uni cations D epart m ent , Chengdu 610041, China)
几种新型路面结构形式 , 并通过 郎川公路改建工程试验路进行 了验证 , 证明了高 寒地区 路面结构 适应性 设计采 用柔性基层的有效性 , 并推荐了 高寒地区沥青路面优选结构 . 关键词 : 沥青路面 ; 高寒地区 ; 路用性能 ; 试验路 ; 有限元分析 中图分类号 : U 416 . 01 文献标识码 : A
图 1 路面开裂病害 F ig . 1 P avem ent d istress
当冻胀融沉现象相对集中时, 造成路面波浪起伏 , 并拌有开裂现象 ( 图 1( a ) ). 在调研路段的陡坡地 段, 由于行车水平力的作用, 沥青面层变形易位, 局部或较大面积露出其下的路面结构层 , 使路面造成剪切 破坏 , 这类病害有一定的方向性, 端部呈 U 字型 ( 图 1( b) ) . 由于调研路段均具有低温、 大温差的气候特 点, 当低温 (负温 )作用造成的温度收缩而产生的温度应力 ( 或应变 ) 超过沥青混凝土的抗拉强度时 , 便产 生沥青面层的低温收缩横向开裂 ( 图 1( c) ). 调研地区一年四季日温差均较大 , 半刚性基层要产生温缩开 裂, 同时这些地区风速很大, 因此温缩开裂的同时总是或多或少伴随着干缩开裂的发生 . 这种由于温缩和 干缩综合作用而使半刚性基层产生的收缩开裂很容易扩展到沥青面层, 形成反射裂缝 ( 图 1( d) ) , 这种病
1 路面开裂病害调查
路面主导损伤类型和致损机理是路面结构分析与设计的依据. 为了确定高寒地区沥青路面的主导开 裂病害类型, 选择海拔均在 3 000 m 以上的川西、 滇北、 西藏和青海等高寒地区有代表性的 7 条高等级公 路沥青路面, 进行了普查和重点路段调研, 包括四川甘孜州境内国道 318 川藏线康折 (康定 ) 折多山 ) 段、 省旅游线路康磨 (康定 ) 磨西 ) 段及阿坝州境内的川九 ( 川主寺 ) 九寨沟 )线 , 西藏境内的国道 109 青藏线 拉羊 ( 拉萨 ) 羊八井 ) 段、 省道 101线机场至拉萨段及国道 318 川藏线拉墨 ( 拉萨 ) 墨竹工卡 ) 段 , 青海境 内的国道 109青藏线西湟倒 (西宁 ) 湟源 ) 倒倘河 ) 段、 倒青 ( 倒倘河 ) 青海湖 ) 段及国道 214 青康线倒玛 ( 倒倘河 ) 玛多 ) 段 . 所调研路段均为半刚性基层沥青路面. 虽然各调研路段路面结构与材料存在一定差异, 使用年限也不 尽相同, 但它们的主要开裂形式与特征具有相似性. 主要表现在 : 在季节性冻土地区 , 由于路基土的冻胀融 沉引起路基变形, 从而导致的路面开裂破坏在各调研路段均有发生. 调研路段路面开裂主要病害见图 1 .
[ 1]
. 据 2007 年交通部 ( 现交通运输部 ) 统计 , 我国沥青路面的比重已逐渐
收稿日期 : 2008-07 -07 基金项目 : 交通部西部交通建设科技项目 ( 200431800054 ) 作者简介 : 邱延峻 ( 1966- ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 研究方向为路基路面工程 , 电话 : 028-66366340 , 13808189391 , E-m ai: l pub licq iu @ vip. 163 . com
AC-20 普通沥青混合料 AC-5 应力吸收夹层 AT B-30 沥青 稳定碎石 掺 5% 水泥稳定碎石 水泥稳定碎石 ( 掺 4 % 水泥 )
级配碎石 ( 掺 2% 水泥 )
级配 碎石
3 新型路面结构性能数值分析
3 . 1 计算条件与参数 计算中采用图 2 所示的结 构 模型 ( 基层参数见表 1) . 各类型路 面的基层材料与组成见表 2 . 各类 型 路 面 总 厚 度 均 为 541 0 c m, 以适应同 样的路基顶 面 标高 . 计算模型中 , 除底基层与 土 基之间为完全连续状态外 , 其余各 结构层为具有层间接触特性的 不