黃 振 林

(朔州路橋建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)

基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計新思想

黃 振 林

(朔州路橋建設(shè)有限責(zé)任公司,山西 朔州 036000)

基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計的現(xiàn)實意義，從層底拉應(yīng)力指標(biāo)及近表面的應(yīng)力狀態(tài)兩方面，對瀝青路面破壞源進行了探究，并提出了耐久性瀝青路面的設(shè)計新思路。

瀝青路面，結(jié)構(gòu)層，壽命，拉應(yīng)力

1 進行基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計的現(xiàn)實意義

到目前為止，我國在高速公路的建設(shè)方面已經(jīng)達到了11萬km，同時根據(jù)我國在高速公路建設(shè)方面的規(guī)劃目標(biāo)來看，至2020年，我國將會建設(shè)有超過15萬km的高速公路。而在實際情況中，大部分的高速公路都是由瀝青來鋪設(shè)路面，因此瀝青路面的施工質(zhì)量就顯得十分重要。根據(jù)我國對于瀝青路面的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，要求瀝青路面的使用壽命為15年，而普通公路在使用壽命方面的要求為7年～15年。同時，在實際情況中，往往需要高速公路的瀝青路面與基層在使用壽命方面的情況相同。因此，根據(jù)這一要求，我們可以預(yù)測在未來的一段時間內(nèi)，我國每年都會有接近1萬km的瀝青高速公路面臨著改造困難的情況。這就要求我們重視起高速公路瀝青路面使用壽命的延長工作。

2 瀝青路面破壞源探究

2.1 瀝青面層層底拉應(yīng)力指標(biāo)分析

在過去的高速公路瀝青路面設(shè)計思路中，往往認為瀝青面層的破壞源存在于瀝青路面結(jié)構(gòu)層的層底，而在瀝青路面使用過程中造成瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的主要原因是層底的拉應(yīng)力作用。但是根據(jù)目前的研究表明，這一思路與實際情況中路面結(jié)構(gòu)的受力情況存在比較大的差異。在研究中，我們利用彈性層狀的相關(guān)理論來對雙圓垂直均布荷載影響下的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)來進行具體的應(yīng)力分析中發(fā)現(xiàn)以下情況。首先，半剛性道路基層的模量往往比較大(在研究中我們將模量取值分為瀝青道路面層1 800 MPa、基層1400 MPa、底基層700 MPa以及土基45 MPa)。其次，瀝青路面面層地面產(chǎn)生的垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力均為壓應(yīng)力，其中拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負，具體情況如圖1所示。

2.2 瀝青面層近表面的應(yīng)力狀態(tài)分析

在完成對瀝青路面的鉆芯取樣工作后，根據(jù)路面的開裂情況，我們可以推測路表面可能是瀝青路面破壞源的存在位置。為了驗證這一推測，我們將在單圓垂直荷載p作用下的彈性層狀空間中劃分出厚度為Δz的層面，那么這一層面受到的作用力狀況如圖2所示。根據(jù)彈性力學(xué)中的疊加原理，我們可以將圖2中的模型劃分為圖3中于等號右邊的兩個力學(xué)模型的疊加。

應(yīng)用經(jīng)典力學(xué)中的相關(guān)原理，由位移的連續(xù)條件，我們可以解得關(guān)于圖3中內(nèi)圓與外環(huán)在相互作用力方面的計算為：q(r)=-μp/2。從而我們可以得到圖3中第2部分的作用力公式為:

(1)

(2)

(3)

圖3中第3部分的作用力情況公式為：

(4)

(5)

(6)

其中，當(dāng)r=a時，公式變化為:

(7)

(8)

(9)

根據(jù)在式(3)、式(6)與式(9)中的表現(xiàn)，我們做出徑向與切向應(yīng)力的分布圖，在荷載作用區(qū)域內(nèi)，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，而在作用區(qū)域之外，徑向力為壓應(yīng)力而切向應(yīng)力為拉應(yīng)力。此外，最大拉應(yīng)力與最大拉應(yīng)變都發(fā)生在荷載作用的邊緣位置。因此，根據(jù)以上分析，我們可以得出以下結(jié)論。在路面圓荷載作用區(qū)邊緣的外側(cè)，同時存在拉應(yīng)力與拉應(yīng)變，因此這一區(qū)域為高速公路瀝青路面的破壞源所在位置。

3 耐久性瀝青路面的設(shè)計新思路

3.1 耐久性瀝青路面疲勞壽命設(shè)計的新理念

在目前的高速公路路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命設(shè)計中，主要有兩種常見的設(shè)計思路。一種是等壽命設(shè)計思路，就是指在設(shè)計方案中將組成瀝青公路的各個部分的使用壽命都按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來進行設(shè)計。在設(shè)計預(yù)期中，當(dāng)存在某一部分的結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)損壞時，那么其他部分的結(jié)構(gòu)部件也將接近或正處于使用壽命的末期。這一設(shè)計思路的目的主要在于要實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的同一時間報廢，從而實現(xiàn)統(tǒng)一翻修統(tǒng)一重建。另一種設(shè)計方案是變壽命設(shè)計思路，就是指在設(shè)計方案中根據(jù)不同結(jié)構(gòu)部件在重要性、修復(fù)與重建難度為重要考慮因素，將不同結(jié)構(gòu)部件設(shè)計成不同的使用壽命。一般情況下，主要是按照以下原則。首先，處于內(nèi)部的結(jié)構(gòu)部件修復(fù)與重建難度高，在設(shè)計中使用壽命要求高，處于外部的結(jié)構(gòu)部件修復(fù)與重建難度低，設(shè)計中使用壽命低。其次，較為重要性的結(jié)構(gòu)部件在設(shè)計中使用壽命較高，重要性較低的結(jié)構(gòu)部件則在使用壽命上要求較低。目前，我國主要使用的是等壽命的設(shè)計思路，但是這種思路在實際情況中往往存在著忽略了日常維修對于高速公路瀝青路面功能與結(jié)構(gòu)方面的恢復(fù)功能。因此，在事實上，我們根據(jù)瀝青路面的層狀結(jié)構(gòu)特點，應(yīng)該選擇變壽命的設(shè)計思路。

3.2 重新認識瀝青路面的設(shè)計使用壽命

目前，我國在進行高速公路瀝青路面的設(shè)計過程中需要以《瀝青路面設(shè)計規(guī)范》來作為基本的指導(dǎo)思想。其中對于高速公路瀝青路面的底基層、基層、下面層等的使用壽命要求為15年，一級公路的設(shè)計要求與高速公路相同。因此，在設(shè)計要求中，對于高速公路與一級公路來說，當(dāng)使用壽命達到15年之后，在公路結(jié)構(gòu)中的不同部分的結(jié)構(gòu)問題都會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。但是在實際情況中，我國目前有許多公路已經(jīng)達到了15年的使用壽命，在使用過程中雖然有部分公路經(jīng)歷了翻修處理，但是大部分公路都沒有進行翻修，并且在使用上還處在良好狀況。

同時，在實際情況中，高速公路瀝青路面在使用過程中出現(xiàn)的損壞現(xiàn)象有一部分是車轍造成的，與瀝青路面的疲勞開裂并無關(guān)聯(lián)。在目前的高速公路使用狀況中，在設(shè)計工作中按照基層與面層等壽命的要求進行設(shè)計，但是在實際情況中，往往出現(xiàn)的情況都是瀝青路面的面層損壞而基層沒有問題。這一現(xiàn)象的原因是由于在基層的設(shè)計中，關(guān)于參數(shù)與抗力模型方面的設(shè)計比較保守。因此，我們需要重新認識高速公路的使用壽命情況，從而更新設(shè)計思路。

3.3 路基的設(shè)計壽命

在高速公路的設(shè)計工作中，我們對于路基設(shè)計壽命的要求應(yīng)當(dāng)以永久性路基為設(shè)計方向。這是因為，在實際情況中，除了由于自然災(zāi)害造成的部分高速公路路基損毀現(xiàn)象之外，一般情況下我們并不會將高速公路的路基路面全部翻修，一方面這樣需要耗費大量的人力物力，另一方面也需要耗費大量的時間，這對于我國緊張的公路運輸狀況是一個極大的負擔(dān)。同時，也不會出現(xiàn)由于高速公路在預(yù)期使用壽命達到之后，將這一段公路廢棄的情況。但是，在高速公路的運行過程中，由于各種外界因素的影響，路基的變形狀況是不可避免的。因此，在設(shè)計過程中，我們需要對路基的變形有一定的預(yù)測，這一容許變形的量要與基層的設(shè)計壽命相一致。這樣一來，就能夠?qū)崿F(xiàn)，在高速公路的基層進行翻修時，同時對路基的變形進行修復(fù)。這就要求我們在設(shè)計過程中重視路基的使用壽命，同時要與瀝青工作的其他部分相統(tǒng)一。路基的設(shè)計是高速公路整體結(jié)構(gòu)發(fā)揮功能的重要基礎(chǔ)，在實際情況中，我們需要立足于整體結(jié)構(gòu)的實際情況來做好設(shè)計工作。

4 結(jié)語

在實際情況中，高速公路瀝青路面在使用過程中往往會面臨著十分復(fù)雜的應(yīng)力作用，往往會存在著拉力與壓力的共同作用，同時這兩種作用力也處于一個不斷變化的過程。因此，在過去我們根據(jù)層底拉應(yīng)力來作為瀝青路面面層結(jié)構(gòu)破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)是不夠科學(xué)的。我們應(yīng)當(dāng)將拉應(yīng)力與拉應(yīng)力的變化情況來作為高速公路瀝青面層疲勞破壞的主要影響因素。此外，我們發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力加載的速度對于高速公路瀝青路面施工中使用的瀝青混合料的強度有著直接影響。因此，為了保證我國高速公路瀝青路面的設(shè)計合理，我們需要根據(jù)實際情況中的車輛行駛速度來進行強度實驗的加載速度。從而根據(jù)實際情況中當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件、公路等級、公路標(biāo)準(zhǔn)行車速度來進行瀝青公路的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1] 黃 慧.不同瀝青路面結(jié)構(gòu)反射裂縫產(chǎn)生與擴展影響因素分析[J].公路與汽運，2017(2)：114-117.

[2] 高 爽.大粒徑瀝青碎石結(jié)構(gòu)路面和常規(guī)結(jié)構(gòu)路面的加速加載試驗分析[J].北方交通，2017(2)：52-54.

[3] 許新權(quán).廣東省高速公路典型結(jié)構(gòu)瀝青路面使用性能調(diào)查與分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2016(4)：689-693.

The new idea of durability asphalt pavement design based on structural layer life increasing

Huang Zhenlin

(ShuozhouRoadandBridgeConstructionLimitedLiabilityCompany,Shuozhou036000,China)

Based on the practical significance of durability asphalt pavement design of structural layer life increasing, from the bottom layer tensile stress index and near surface stress state two aspects, explored the asphalt pavement damage source, and put forward the new design method of durability asphalt pavement.

asphalt pavement, structural layer, life, tensile stress

1009-6825(2017)20-0156-02

2017-04-17

黃振林(1980- ),男,工程師

U416.217

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