□文/李海波 魏如喜

□魏如喜/天津市市政工程研究院。

混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析

□文/李海波 魏如喜

文章采用公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件分別對(duì)一種常用的半剛性基層瀝青路面和兩種混合式基層瀝青路面共3種路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比分析并得出結(jié)論。

半剛性基層；混合式基層；瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我國重點(diǎn)發(fā)展柔性基層和混合式基層瀝青路面。在柔性基層的使用上，瀝青穩(wěn)定碎石性能最優(yōu)，但造價(jià)較高（僅次于瀝青混合料），因此一般用于增加瀝青面層厚度時(shí)作為底面層使用；級(jí)配碎石則由于造價(jià)較低、性能較優(yōu)常被用于瀝青面層與半剛性基層之間的過渡層使用。本文結(jié)合國內(nèi)外瀝青路面結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì)，將重點(diǎn)討論使用瀝青穩(wěn)定碎石和級(jí)配碎石柔性基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

1 不同瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與分析

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)交通量大小、當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件選擇幾種不同路面結(jié)構(gòu)層厚度組成并擬定某一結(jié)構(gòu)層為設(shè)計(jì)層，通過計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算。然后，根據(jù)規(guī)范推薦的或通過試驗(yàn)確定的各結(jié)構(gòu)層材料力學(xué)參數(shù)，利用計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和驗(yàn)算。為便于對(duì)比分析，按照天津地區(qū)多年來常用的高等級(jí)瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度，本文列入了一種常用的半剛性基層瀝青路面和兩種混合式基層瀝青路面共3種路面結(jié)構(gòu)，見表1。

表1 不同路面組成結(jié)構(gòu)

1.1 半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算程序，以水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)為計(jì)算層，對(duì)不同交通量下路面結(jié)構(gòu)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果分別見表2、表3及表4?？紤]到驗(yàn)算半剛性基層層底拉應(yīng)力時(shí)累計(jì)交通軸載計(jì)算系數(shù)的差異，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)交通量按彎沉設(shè)計(jì)時(shí)交通量的1.5倍取值。

表2 按彎沉設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表3 路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算計(jì)算結(jié)果 MPa

表4 按層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由表2-表4可知：

1）當(dāng)以水泥穩(wěn)定碎石基層為計(jì)算層時(shí)，計(jì)算層厚度隨著交通量的增長(zhǎng)而增大；

2）以彎沉為設(shè)計(jì)指標(biāo)確定計(jì)算層厚度后，在進(jìn)行半剛性基層或底基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)，表2中各路面結(jié)構(gòu)的石灰粉煤灰土底基層層底拉應(yīng)力均不滿足允許拉應(yīng)力要求，需要增加該結(jié)構(gòu)層厚度或水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層厚度，才能使其層底拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求；

3）當(dāng)按路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石基層的厚度時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石基層厚度較厚（較按彎沉設(shè)計(jì)時(shí)厚13.3～21.8cm），已經(jīng)超出經(jīng)驗(yàn)厚度許多，路面結(jié)構(gòu)變得不經(jīng)濟(jì)。

1.2 混合式基層1瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

混合式基層1瀝青路面結(jié)構(gòu)采用以瀝青穩(wěn)定碎石替代半剛性基層的水泥穩(wěn)定碎石上基層，下基層和底基層均采用水泥穩(wěn)定碎石，其他結(jié)構(gòu)層不變的結(jié)構(gòu)形式。為便于比較，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模式，仍以水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層為設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)層，設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果見表5和表6。

表5 混合式基層1瀝青路面按彎沉設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表6 混合式基層1瀝青路面按層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由表5和表6可知，在不同交通量條件下，按各結(jié)構(gòu)層層底允許拉應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的水泥穩(wěn)定碎石基層厚度均明顯大于按設(shè)計(jì)彎沉進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果。一方面，由于是混合式結(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)Ab值（路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)，半剛性基層瀝青路面為1.0，柔性基層瀝青路面為1.6，混合式瀝青路面則通過內(nèi)插確定）變大，而導(dǎo)致設(shè)計(jì)彎沉值變大，從而不需要更大結(jié)構(gòu)整體剛度；另一方面，采用設(shè)計(jì)彎沉進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，瀝青穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量并未比水泥穩(wěn)定碎石小，從而使按設(shè)計(jì)彎沉進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層厚度不需要很厚就能滿足設(shè)計(jì)彎沉要求。

對(duì)于上基層采用瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，雖然按各結(jié)構(gòu)層層底允許拉應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算的水泥穩(wěn)定碎石基層厚度均明顯大于按設(shè)計(jì)彎沉設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，但與天津地區(qū)典型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)相比，結(jié)構(gòu)層總厚度依然小了23.0～24.3cm，相當(dāng)于省去了一個(gè)結(jié)構(gòu)層還要多一些。

對(duì)于上基層采用瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，在不同累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下各結(jié)構(gòu)層材料的應(yīng)力情況見表7。顯然，這種上基層采用柔性基層的路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)力計(jì)算時(shí)仍以其柔性基層下面的半剛性底基層的層底拉應(yīng)力控制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層厚度；但是，從瀝青結(jié)構(gòu)層的各層層底拉應(yīng)力結(jié)果來看，瀝青層特別是層位較低的瀝青層，雖然仍然處于受壓狀態(tài)，但其絕對(duì)值已經(jīng)很小，一旦其下的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層發(fā)生開裂或是層間結(jié)合不當(dāng)，都可能使瀝青穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層承受拉應(yīng)力作用。

表7 混合式基層1瀝青路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力 MPa

續(xù)表7

當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石出現(xiàn)很多橫向開裂時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石雖然不再能承受抗拉應(yīng)力的作用，但其抗壓強(qiáng)度還在。此時(shí)，假定水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層不存在彎拉模量，繼續(xù)使用抗壓回彈模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)層在不同交通荷載作用下的應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 混合式基層1瀝青路面水泥穩(wěn)定碎石開裂時(shí)路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力 MPa

由表8可知，在水泥穩(wěn)定碎石失去抗拉能力后，由于其板體的抗壓能力沒有喪失，在行車荷載作用下，瀝青穩(wěn)定碎石層底產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小，僅是其設(shè)計(jì)交通量時(shí)的允許拉應(yīng)力的1/8左右，顯然，很難威脅到瀝青穩(wěn)定碎石發(fā)生疲勞破壞，即此種瀝青路面結(jié)構(gòu)將會(huì)有很長(zhǎng)的使用壽命。

1.3 混合式基層2瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

級(jí)配碎石是一種施工簡(jiǎn)便、透水性好、易于重復(fù)使用的路面結(jié)構(gòu)層，常用幾種粒徑不同的碎石和石屑摻配拌制而成，適用于各級(jí)公路的基層和底基層，常被用于瀝青面層與半剛性基層之間的過渡層。為便于比較，將瀝青穩(wěn)定碎石基層直接替換為級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層形成混合式基層2瀝青路面結(jié)構(gòu)。同樣以水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層為設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)層，采用混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)計(jì)算模式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表9和表10。

表9 混合式基層2瀝青路面按彎沉設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

表10 混合式基層2瀝青路面按層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由于級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層的抗壓回彈模量值較瀝青穩(wěn)定碎石低很多，按設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層厚度較采用同厚度瀝青穩(wěn)定碎石時(shí)厚6.6～9.2cm（總厚度也差6.6～9.2cm）；并體現(xiàn)出設(shè)計(jì)交通量越大，兩種結(jié)果下的水泥穩(wěn)定碎石層厚度相差越大的趨勢(shì)。進(jìn)一步比較按半剛性基層層底拉應(yīng)力設(shè)計(jì)的計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用相同厚的級(jí)配碎石過渡層時(shí)，水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層厚度僅較采用瀝青穩(wěn)定碎石上基層時(shí)厚約4cm且?guī)缀醪皇芙煌克接绊憽?/p>

計(jì)算各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力結(jié)果見表11，采用級(jí)配碎石上基層的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)其水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層的厚度取決于該種材料的允許拉應(yīng)力；而瀝青中底面層層底已出現(xiàn)受拉狀態(tài)，特別是瀝青底面層已出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。

表11 混合式基層2瀝青路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力 MPa

在累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載取6000萬次，對(duì)表10中路面結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變化水泥穩(wěn)定碎石基層厚度及瀝青底面層厚度分別計(jì)算瀝青底面層和水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力變化情況見表12和表13。

表12 水泥穩(wěn)定碎石基層厚度與瀝青底面層及水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力的關(guān)系

表13 瀝青底面層厚度與瀝青底面層及水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應(yīng)力的關(guān)系

計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于表1中的上基層為級(jí)配碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，當(dāng)增加水泥穩(wěn)定碎石基層厚度時(shí)，對(duì)其上瀝青面層層底拉應(yīng)力幾乎沒有影響，僅能保證水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應(yīng)力逐漸減小，從而使水泥穩(wěn)定碎石耐久性提高。當(dāng)采用增加瀝青底面層厚度的措施時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加瀝青底面層厚度，不僅可明顯降低瀝青底面層層底拉應(yīng)力，同時(shí)也較明顯的降低了水泥穩(wěn)定碎石底基層的層底拉應(yīng)力，但是，并不是瀝青底面層厚度越厚越好，而是有一定的限度，當(dāng)瀝青底面層厚度增加到25cm以后，瀝青底面層和水泥穩(wěn)定碎石下基層的層底拉應(yīng)力都將降低的幅度減小，此時(shí)路面結(jié)構(gòu)將變得不經(jīng)濟(jì)。

2 結(jié)論

1）按路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，半剛性底基層的層底拉應(yīng)力很難滿足允許拉應(yīng)力要求，按經(jīng)驗(yàn)厚度設(shè)計(jì)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)易于發(fā)生疲勞破壞。

2）當(dāng)采用上基層為瀝青穩(wěn)定碎石或級(jí)配碎石等混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)時(shí)，按路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，柔性基層下面的半剛性底基層的層底允許拉應(yīng)力控制設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)層厚度。

3）當(dāng)采用上基層為瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，按路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，即使瀝青穩(wěn)定碎石基層下面的半剛性基層或底基層發(fā)生疲勞破壞，也很難威脅到瀝青穩(wěn)定碎石，即此種瀝青路面結(jié)構(gòu)將會(huì)有很長(zhǎng)的使用壽命。

4）當(dāng)上基層采用級(jí)配碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，按路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，雖然級(jí)配碎石的抗壓回彈模量較瀝青穩(wěn)定碎石小很多，但其分散荷載能力強(qiáng)，下面的水泥穩(wěn)定碎石結(jié)構(gòu)層厚度并不需要很厚且?guī)缀醪皇芙煌克接绊憽?/p>

5）對(duì)于上基層采用級(jí)配碎石的混合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，增加半剛性基層厚度，對(duì)瀝青面層層底拉應(yīng)力幾乎沒有影響，僅能保證水泥穩(wěn)定碎石下基層層底拉應(yīng)力逐漸減??；當(dāng)增加瀝青面層厚度時(shí)，不僅可明顯降低瀝青面層層底拉應(yīng)力，同時(shí)也較明顯的降低了半剛性底基層的層底拉應(yīng)力，但是，并不是瀝青底面層厚度越厚越好，而是有一定的限度，當(dāng)瀝青底面層厚度增加到25cm以后，瀝青面層和半剛性底基層的層底拉應(yīng)力降低的幅度都將減小，此時(shí)路面結(jié)構(gòu)將變得不經(jīng)濟(jì)。

[1]沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTGD50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U414

C

1008-3197（2011）04-34-04

2011-04-22

李海波/男，高級(jí)工程師，天津市高速公路集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□魏如喜/天津市市政工程研究院。