路面结构参数变化对路面结构的影响

路面结构参数变化对路面结构的影响
李晓忠
(青海省公路建设管理局 西宁 810008)
摘 要 分析了沥青路面结构层模量和厚度的变化对沥青路面结构层应力、应变和弯沉分布规律的影响,为合理选择路面结构参数,作好路面结构组合设计工作奠定了基础。

关键词 道路工程 沥青路面 结构参数 模量 厚度
1 导言
我国当前的沥青路面结构设计方法是建立在弹性层状体系理论上的,依据车辆荷载反复作用而发生结构层材料疲劳破坏决定使用年限的耐久性设计方法,主要包括路面结构组合设计与路面结构层厚度计算,路面结构组合设计主要是选取结构层材料及所在层位的组合形式;路面结构层厚度计算是采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性连续体系理论。

结构层模量和厚度是沥青路面结构设计中的重要参数,二者的变化对于沥青路面的使用性能有很大的影响,是造成沥青路面损坏的内在因素。

因而要对路面结构厚度和模量变化时的结构内部力学响应变化趋势进行分析。

2 结构层模量对路面结构的影响
2.1 面层模量
根据近几年来许多研究者进行的大量计算成果,分析得出,随面层模量值的增加面层层底受到的压应力减小,逐渐向拉应力转化;当面层材料的面层模量值超过1600MPa(20 )时,对减轻路表车辙的作用并不明显,反而路面耐疲劳性能大大降低;基层层底拉应力随着面层模量值的提高而逐渐降低。

最大剪应力峰值随着面层模量的增加而减少(最高减幅达36.0%),而最大弯沉值随着面层模量的增加而同样呈现减少趋势,路表弯沉逐渐降低,但降低的速率较为缓慢,总体上来说面层模量对路表弯沉的影响不是很大。

温度升高,沥青混凝土的抗压回弹模量减小,分析显示,当面层模量减少时,所承受的最大剪应力峰值是增加的,这说明路面结构的抗剪能力在夏天最为不利。

面层材料抗压回弹模量值在20 和15 时的模量差值愈大,面层层底拉应力愈大。

15 时面层材料抗压回弹模量值值愈大,上层层底拉应力愈大。

因此,在满足承载能力要求的情况下,应尽量使面层模量降低,从而延缓裂缝发展;同时应降低面层、基层的温缩系数,以减小温缩应力。

以往路面疲劳寿命设计只注重行车荷载对其寿命的影响而忽略温度疲劳作用是不符合实际的,这往往会导致路面计算疲劳寿命偏高,因此有必要运用断裂力学的有关理论对路面在温度和荷载共同作用的情况下疲劳寿命进行验算。

2.2 基层模量
随着交通量的快速增长需要采用强度大、稳定性好的基层。

采用半刚性基层可以有效减小沥青面层底面形成拉应力的可能性,并可以大大减小路基顶面压应力的大小,保护路基的稳定,但基层强度和模量的大大增加也带来了一些问题,通过对已建成通车的高速公路的调查发现,即使路面材料完全按照沥青路面设计规范的要求进行设计,仍然会出现一些早期破坏。

用弹性层状理论体系和有限元方法分析均可得出:基层模量的增大可以减小路表弯沉,从而降低路面的总厚度,不会产生结构性车辙。

但随着模量的增加,弯沉减小的速度明显减小;基层模量的增大,可以有效减小面层底面的拉应力,沥青混凝土层底弯拉应变迅速下降,基顶压应变还会变小,面层和基层内的压应力增大,但变化幅值不是很大。

采用高模量的半刚性基层材料,可以获得较低的弯沉值,从而有利于顺利通过竣工验收。

这可能是当前我国半刚性基层高级沥青路面竣工时验收合格,却仍然容易出现早期损坏的原因之一。

在底基层模量较低的情况下,基层模量的增大会增加基层底面的拉应力,且纵向拉应力会比水平拉应力大。

然而过大的基层模量会导致面层内过大的压应力,会使沥青混凝土产生压密变形,会导致车辙,同时会使基层底面出现拉应力。

并且,基层模量的增大,面层中的剪应力也会增大,使路面产生剪切破坏的概率增大。

研究表明高模量半刚性基层引起的沥青表面层最大剪应力值明显高于规范所推荐模量值的半刚性基层引起的最大剪应力值。

基层模量在1000~3000MPa范围内,对路面弯沉、基层层底弯拉应力和底基层层底弯拉应力等三个考核指标的影响不大,因此在进行半刚性材料的组成设计中,应该重视半刚性材料的变形和稳定性方面的性能,不必以高模量来指导材料的组成设计,综合考虑基层的模量应该保持在一个适中的范围,以0.8~ 1.2GPa 为宜。

另外,有计算结果表明,增加基层刚度可减小路面车辙破坏,但可能加速裂缝的产生,增加基层厚度虽可
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青海交通科技 20092
减小路表弯沉,但对抗车辙能力的提高则不太明显。

所以在路面设计中,应当对这两个因素,加以认真的研究,以获得合理的设计方案。

2.3 底基层模量
底基层模量对路面弯沉的影响较大,底基层模量的增大会有效减小路表弯沉和基层底面拉应力,且底基层模量对土基顶面压应变比较敏感。

底基层的模量增加时,面层底面温度最大拉应力减小,但幅度很有限(小于1%),最大荷载拉应力减小。

由此可知采用回弹模量高的底基层材料对提高路面荷载疲劳寿命有一定的好处。

随着底基层弹性模量的增大,沥青面层层底应力会明显地减小。

因此底基层弹性模量的增大,对防治因车辆荷载引起的剪切型反射裂缝有一定的好处。

由于半刚性路面的底基层也采用了半刚性材料,减小了基层底面的拉应力,使得底基层底面的拉应力略大于基层底面的拉应力,增大了路面的整体承载能力。

2.4 土基模量
土基模量对路面表面弯沉的影响最大,土基模量的增大能有效减小路面结构的整体弯沉,但弯沉降低的速率随着土基回弹模量值的增加而逐渐降低,其次是对底基层底部拉应力的影响,对基层底部拉应力的作用不大。

随着土基回弹模量值的逐渐提高,面层层底压应力逐渐降低并逐渐转化为拉应力;随土基值的提高基层层底承受的拉应力逐渐减小。

在实际工程中,应该重视对土基状况的改善,以获得路面性能的较大改善,在考虑到在土基处理经济合理的基础上,土基模量宜取50~100MPa之间。

3 结构层厚度对路面结构的影响
3.1 面层厚度
面层越厚,轮隙弯沉随着面层的增加而减少的越多。

面层厚度为4~8cm时,面层越厚,底基层底面的弯拉应力随着面层模量的增加越小,但弯拉应力的变化差越大。

随着面层厚度的增加,面层层底由受压状态逐渐向受拉状态转化,而底基层层底拉应力逐渐降低。

上面层厚度变化对路面结构最大剪应力峰值的影响相对基层来说要显著些,但也并不十分突出。

随着面层厚度的增加,车辙量逐渐降低,可见增厚沥青层有利于改善车辙变形。

有研究认为路基为砂土材料时,面层厚度对车辙影响很大,面层较薄时车辙较深,而且主要是由路基的变形引起的;面层较厚时,路基变形很小或者基本不产生车辙。

当路基为刚性,半刚性等强度刚度较大的材料时,宜采用薄沥青面层,面层越厚车辙越深,面层越薄车辙越浅;而当路基和基层材料强度刚度较弱时,应适当增加面层厚度,以减轻车辙深度,也有助于抑制基层裂缝的扩展。

3.2 基层厚度
基层厚度的变化对弯沉的影响要比面层厚度变化对其的影响要显著,有研究表明,基层厚度改变对其影响均超过10%,而面层厚度改变对其影响的最大值也仅4.66%.随着基层厚度的增加,沥青路面的弯沉值逐渐变小,但是当基层厚度达到一定的值时,弯沉值的变化较小。

基层厚度变化对半刚性基层沥青路面结构层最大弯拉应力、面层层底应力有较为明显的影响。

随着基层厚度逐渐增加,沥青路面面层底部的拉应力逐渐减小,因此基层厚度的增加对面层的弯拉应力有利。

增加基层厚度可以减轻基层的开裂程度。

从分析结果看来,半刚性基层对厚度的敏感性很大,增加其厚度能够有效地增加其疲劳寿命,因此,对于半刚性基层路面的设计,应采用较厚的设计方案。

半刚性基层的厚度达到0.50m左右(路面结构总厚度达到0.88m左右),高速公路半刚性基层沥青混凝土路面才有可能具有较长的使用寿命。

粗粒式沥青混凝土上基层的厚度达到0.30m左右(路面结构总厚度达到0.80m左右),高速公路粗粒式沥青混凝土上基层与半刚性下基层复合沥青混凝土路面才有可能具有较长的使用寿命。

在一定的范围内基层厚度的变化,不管是半刚性基层还是柔性基层,也无论荷载分布形式如何,对路面最大剪应力的影响并不明显。

尽管基层厚度对最大剪应力的影响不太明显,但仍有一定的变化规律,即随着基层层厚的增加,路面所承受的最大剪应力峰值呈微弱增大的趋势,且其位置均处于上面层。

3.3 底基层厚度
底基层厚度的变化对沥青路面弯沉值和面层层底应力的影响均非常显著。

随着底基层厚度的增加,沥青路面的弯沉值和面层层底应力都有很大程度的减小。

适当增加底基层的厚度,可以提高路面的强度和它的使用寿命,有助于降低基层裂缝的扩展。

3.4 厚度组合
不同厚度的沥青层和基层组合,影响表面层局部剪切破坏的最大剪应力值和沥青层底疲劳开裂的最大弯拉应变值有较大的变化。

半刚性基层沥青路面,由于基层具有很高的强度,能满足汽车的行驶而不破坏,沥青面层不起强度作用只起功能作用。

因此,沥青面层厚度可适当减薄,对全国大多数地区(中冰冻区~非冰冻区)来讲,高等级公路半刚性基层沥青路面之沥青面层的合理厚度为12~6cm。

厚沥青面层路面受力时,面层的最大剪应力减小,这有利于表面层抗剪切破坏能力的提高;面层的层底弯拉应变减少,这对于防止沥青层底疲劳开裂是有利的,即厚沥青层有利于路面结构抵抗整体破坏能力的提高,整体抗变形能力指标弯沉和路基抗变形能力指标基顶压应变变化很小。

4 结语(下转第68页)
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李晓忠 路面结构参数变化对路面结构的影响
(1)土石方表的平衡问题
土石方数量表存在严格的平衡关系;
填方=本桩利用+远运利用+借方;
挖方=本桩利用+远运利用+废方;
每公里核算:(跨公里调入方)+挖方+借方=(跨公里调出方)+填方+废方;
(跨公里调入方)=(跨公里调出方);
其中若有石方段落,合计时石方也存在上述严格对应关系。

当借方为压实方时,因为换算系数的问题,土方表是不平衡的。

(2)不能准确反映的方量
下面几种情况的内容,应由设计提出数量,并入路基土石方数量中。

!耕地填前压实后增加的土方数量;
∀清除表土以及零填方地段压实后,为保证路基标高而增加的土方数量;
#路基沉降的预留数量,路基是存在着自然沉降的,即使在碾压密实后,由于自然条件的使用,也会发生不同程度的沉降。

对于高路填地段,特别是软土地基地带,其沉降下沉量就更为明显,这就要求路基填土时必须有一定的沉降预留量。

∃为使路基边缘达到压实标准,采用加宽填筑路基的方法施工时所增加的土方数量。

在考虑这些方量时,借方是压实方是不能准确反映上述的土石方的数量的,填方的断面方是没有将上述的方量计算在内的。

5 换算系数的确定
将填方(压实方)换算成自然方做调配时,换算系数的确定非常重要。

一条路短则几十公里,多则上百公里,地质情况是变化的,这就要划分段落,确定土石成分,确定了各种土石比例,换算系数也就确定了。

路基土石方换算系数计算公式
K=1/(n1/k1+n2/k2+n3/k3+n4/k4)
N=路线各段的松土、普通土、硬土、石方的百分含量。

K=松土、普通土、硬土、石方的换算系数。

6 土石方调配中的误区
(1)土石方调配尽量在本公里内调配
土方表每一公里有个合计,主要是为了保证土石方表的严格对应关系,在出现差错时容易找出调配中的问题,在实际工程中每公里这根线是不存在的,而跨公里调配才是符合实际情况的。

而为了公里内平衡而人为公里内调配,就属于错误了。

(2)隧道废渣昼量利用
隧道废渣有效利用可以降低计价方的数量,从而降低造价。

但隧道开挖一般比路基迟很多,在施工工期的制约下,有时是很难大量利用的。

若是石质隧道,还要和道路结合考虑,是否设计为填石路堤。

如不是,很难大量利用。

(3)换算系数是一定的
土石方的换算系数应和路线等级,土质类别相对应,不应采用一个固定数值。

换算系数和挖方、填方及路线内的土质类别均有关系,所以换算系数应是变值。

(4)土石方表中的填方断面方就是清单计量支付的计量断面方。

实际上设计上的填方断面方考虑了基底压实,超填、宽填、台阶开挖、高填沉降等因素,比计量断面要大的多。

(5)隧道弃渣利用是借方
隧道弃方利用,实际上参与了土石方调配,但其出处既不是挖方,也不是借方。

因为其%挖&的费用已经在隧道洞身内计算过了,只应考虑远运的费用。

(6)运量是平均运距和方量的乘积
土石方运量计算是和施工方式相联系的分人工、机械二种。

部颁定额对各种施工机械土石方的合理免费运距和增运单位已做出规定。

造价编制人员应结合本地实际情况,结合设计单位提出的施工组织方案、工程规模的大小,做出合理的分析判断,正确的选用定额,做到即符合客观实际,又经济合理。

(上接第66页)
通过以上对沥青路面结构层的各层模量和厚度的变化对结构层内部剪应力、弯拉应力应变、层底拉应力和弯沉产生的影响的分析,可知,在沥青路面设计中,确定合理的结构参数对达到路面早期损坏的减少、提高路面寿命和道路良好的使用性能有积极的作用。

由以上分析亦可知,适当增加各结构层的厚度可以提高路面的结构性能。

参 考 文 献
[1] 毛成,邱延峻.结构层模量对路面力学响应影响
的三维数值分析.交通运输工程学报,2003. [2] 李峰,孙立军,方伽俐.考虑沥青层模量梯度的路
面结构剪应力分析.交通科技,2005.
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阿 云等 公路工程建设计价方及土石方的调配。