公路工程中瀝青路面的設(shè)計(jì)分析

1、公路工程中瀝青路面的設(shè)計(jì)分析 摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通建設(shè)事業(yè)蒸蒸日上，路面設(shè)計(jì)施工技術(shù)不斷發(fā)展。瀝青路面作為我國公路的主要結(jié)構(gòu)類型之一，因其有著施工周期較短、便于養(yǎng)護(hù)、使用時(shí)行駛舒適、產(chǎn)生噪音小等優(yōu)點(diǎn)，在道路交通建設(shè)中受到越來越多的青睞。但是從已建瀝青路面的使用情況上來看，仍存在一些問題。本文首先對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)原則和方法進(jìn)行介紹，并分析設(shè)計(jì)中存在的問題及解決措施，以期望給路面設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)。 關(guān)鍵詞：瀝青路面；設(shè)計(jì)方法；存在問題；策略 abstract: with chinas rapid economic development, transportation con

2、struction industry is on the upgrade, continuous development of design and construction technology of pavement. asphalt pavement is one of the main types of highway in our country, because of its construction cycle is short, easy maintenance, the use of the driving comfort, low noise, more and more

3、favored in road construction. but from the use case has been built on asphalt pavement, there are still some problems. the design principle and method of the asphalt pavement structure design are introduced, the design and analysis of existing problems and solutions, in order to provide guidance for

4、 pavement design. key words: asphalt pavement; design method; problem; strategy 中圖分類號：u416 1.瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則 1因地制宜，合理選材。路面各結(jié)構(gòu)層所用的材料，尤其是用量大的基層、墊層材料，應(yīng)充分利用當(dāng)?shù)氐奶烊徊牧?、加工材料或工業(yè)副產(chǎn)品，以減少運(yùn)輸費(fèi)用和降低工程造價(jià)。同時(shí)，還要注意吸取和應(yīng)用當(dāng)?shù)芈访嬖O(shè)計(jì)選材的成功經(jīng)驗(yàn)。 1.2方便施工、利于養(yǎng)護(hù)。選擇各結(jié)構(gòu)層時(shí)還應(yīng)考慮機(jī)具設(shè)備和施工條件，在可能的條件下，應(yīng)盡量采用機(jī)械化施工。此外，還應(yīng)考慮建成通車后的養(yǎng)護(hù)問題。特別是對于高等級公路來說，要求平時(shí)養(yǎng)

5、護(hù)工作量越少越好，以免影響大交通量的通行。所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮使設(shè)計(jì)便于施工，利于養(yǎng)護(hù)。 1.3分期修建，逐步提高交通量是確定路面等級和路面類型的最主要的因素之一，而交通量是隨時(shí)間而逐步增長的。當(dāng)資金不足時(shí)，一般應(yīng)按近期使用要求進(jìn)行路面設(shè)計(jì)，先以滿足近期需要為主。以后隨著交通量的增長、車型的加重和投資的增多，再逐步提高路面等級，增加路面厚度。但在建造時(shí)，必須注意使前期工程能為后期工程奠定基礎(chǔ)，即能為后期工程所充分利用。 1.4整體考慮，綜合設(shè)計(jì)。在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把土基、墊層、底基層、基層和面層都看作是一個有機(jī)的整體。按照土基穩(wěn)定、基層堅(jiān)實(shí)、面層耐久的要求，充分發(fā)揮各結(jié)構(gòu)層的作用，合理選用

6、路面材料，確定恰當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)層厚度，使路面的設(shè)計(jì)既能在整體上滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，又能做到經(jīng)濟(jì)、合理和耐久。 1.5考慮氣候因素和水溫狀況的影響。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要保證在自然因素和車輪荷載反復(fù)作用下，路面整體結(jié)構(gòu)具有足夠的水穩(wěn)性、干穩(wěn)性、冰凍穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性，因此對自然氣候和水溫狀況可能給予路面的影響要予以充分的重視。 2. 瀝青路面的主要設(shè)計(jì)方法 2.1 經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法是對以往設(shè)計(jì)投入使用的道路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，建立路面結(jié)構(gòu)、荷載、路面性能之間的關(guān)系，進(jìn)行類似的設(shè)計(jì)。著名的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法有cbr法和aashto法。cbr法以cbr值作為性能指標(biāo)，通過對路面的調(diào)查測定，建立cbr值-輪載-結(jié)構(gòu)層厚度

7、之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線。路面總厚度可以通過cbr值和輪載來確定，而各層次的結(jié)構(gòu)厚度可以通過路面材料的cbr值進(jìn)行當(dāng)量換算，不同的輪載按照等彎沉的換算原則進(jìn)行設(shè)計(jì)輪載的確定。 aashto法是在試驗(yàn)路上進(jìn)行數(shù)據(jù)的觀測，建立起路面結(jié)構(gòu)-軸載-使用性能的經(jīng)驗(yàn)曲線關(guān)系，路基土的性質(zhì)用回彈模量表示、路面結(jié)構(gòu)層按照各層結(jié)構(gòu)材料性質(zhì)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，用結(jié)構(gòu)數(shù)sn表示。該方法以現(xiàn)時(shí)服務(wù)能力指數(shù)psi作為性能指標(biāo)，它的確定是根據(jù)路面的實(shí)時(shí)調(diào)查情況，通過建立平整度、裂縫、車轍、修補(bǔ)之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來確定。 2.2 力學(xué)法。力學(xué)設(shè)計(jì)方法是基于經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法，它是將力學(xué)參數(shù)與路面性能在一定的荷載和環(huán)境下建立模型關(guān)系，即將應(yīng)力應(yīng)變

8、位移與路面性能建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線，然后按照要求進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，著名的主要有ai法和shell法。 力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法的框架是在第一屆瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)國際會議上由殼牌公司的專家提出，經(jīng)過逐步的完善形成多種不同的設(shè)計(jì)方法。該方法是以彈性層狀體系 (三層 )代表路面結(jié)構(gòu)，計(jì)算分析圓形均布輪載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)各特征點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移值，以瀝青面層的疲勞開裂以及路基土和粒料層的過量永久變形作為瀝青路面的主要損壞模式，選用面層底面在荷載重復(fù)作用下的拉應(yīng)變以及路基頂面的壓應(yīng)力或壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。 2.3 我國現(xiàn)行設(shè)計(jì)方法。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法如下：（1）理論基礎(chǔ)。我國瀝青路

9、面設(shè)計(jì)是以殼牌石油公司shell提出的理論方法為基礎(chǔ)，該方法是將路面視為多層彈性體，用楊氏彈性模量和泊松比來表示面層材料與土基，材料性質(zhì)以均質(zhì)各向同性為假定，同時(shí)各層水平方向取無窮大，土基以下的深度無限。荷載取值采用bzz-100即雙輪組單軸載100kn為標(biāo)準(zhǔn)值，單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d為21.3cm，兩輪中心距為1.5d，各層材料之間的假定接觸條件為彈性、完全連續(xù)接觸。（2）設(shè)計(jì)指標(biāo)。設(shè)計(jì)指標(biāo)是以彎沉值為控制指標(biāo)，彎拉應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算校核。整體強(qiáng)度的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)用路表容許彎沉值來設(shè)計(jì)，確定設(shè)計(jì)彎沉指標(biāo)。對于高速公路、一二級公路、瀝青面層等必須進(jìn)行層底的抗拉驗(yàn)算，瀝青混合面料層的城市道路還需進(jìn)行抗剪

10、驗(yàn)算。（3）參數(shù)的選取和確定。計(jì)算分析中的標(biāo)準(zhǔn)軸載采用上述理論基礎(chǔ)中的bzz-100為標(biāo)準(zhǔn)值，換算公式采用林繡賢軸載換算公式的研究成果中表述的以軸載比表達(dá)的公式進(jìn)行軸載換算，該公式的提出是以彎沉等效和底層拉應(yīng)力等效為基本原則，以多層彈性理論為基礎(chǔ)，分析軸載和彎沉、拉應(yīng)力之間的關(guān)系，并結(jié)合實(shí)際的實(shí)測情況(彎沉、疲勞試驗(yàn)、直槽測試等)進(jìn)行對比、驗(yàn)證而提出的。表征材料剛度和強(qiáng)度的指標(biāo)分別是材料模量和抗拉應(yīng)力，彎沉值、拉應(yīng)力指標(biāo)均用靜態(tài)抗壓回彈模量計(jì)算，抗拉強(qiáng)度由圓柱的劈裂試驗(yàn)確定，靜態(tài)抗壓回彈模量通過抗拉強(qiáng)度來確定。 3.瀝青路面設(shè)計(jì)中存在的問題和相應(yīng)的改進(jìn)策略3.1疲勞開裂。路面材料在出現(xiàn)疲勞開裂

11、前所能承受的荷載重復(fù)作用次數(shù)，稱為疲勞壽命。疲勞壽命的大小，除了同組成材料的特性有關(guān)外，主要取決于路面所受到的重復(fù)應(yīng)變(或應(yīng)力)級位的大小。路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)不同荷載和溫度條件下的疲勞損耗可采用miner(線性累加)假設(shè)予以總和。因而，根據(jù)預(yù)定設(shè)計(jì)年限內(nèi)的荷載和溫度條件以及材料的疲勞方程，可以分析設(shè)計(jì)年限末路面結(jié)構(gòu)的累計(jì)疲勞損耗，以此判斷路面是否會出現(xiàn)疲勞開裂?；蛘呖梢岳玫刃趽p耗的概念，將不同軸載和不同溫度條件下的疲勞損耗，換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載和當(dāng)量疲勞溫度的等效損耗。以疲勞開裂作為臨界狀態(tài)的設(shè)計(jì)，采用瀝青層底面的拉應(yīng)變(或拉應(yīng)力)作為指標(biāo)，以最大拉應(yīng)變不大于該層材料的容許拉應(yīng)變作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。3.

12、2車轍。車轍是各結(jié)構(gòu)層塑性變形累積的總和。半剛性基層瀝青路面車轍主要產(chǎn)生在面層。車轍深度同材料特性、環(huán)境溫度、重復(fù)應(yīng)力的大小、荷載作用次數(shù)和路基路面結(jié)構(gòu)層的剛度大小有關(guān)。車轍的出現(xiàn)，使路面平整度變差，從而影響行車質(zhì)量和安全，同時(shí)也會促使路面開裂。根據(jù)使用要求所容許的車轍深度和預(yù)期使用年限內(nèi)的荷載重復(fù)作用次數(shù)，可以限定一次荷載作用下所容許出現(xiàn)的塑性變形量。以車轍作為臨界狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法，是以荷載作用下路基路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)塑性應(yīng)變的總和不大于容許塑性變形量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，有些設(shè)計(jì)方法，采用路基頂面的豎向壓縮應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，以控制路面車轍深度。根據(jù)路基頂面的豎向應(yīng)變同其塑性變形和路面車轍深度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，提出路基頂面的容許壓縮應(yīng)變值。3.3 路面回彈彎沉。路面在一次荷載作用下的回彈彎沉值反映了路基路面結(jié)構(gòu)的整體剛度。許多試驗(yàn)觀測資料表明，它與路面的使用狀態(tài)(開裂和塑性變形量)之間存在一定的內(nèi)在關(guān)系。根據(jù)路面使用狀態(tài)和設(shè)計(jì)年限的要求，可以確定一次荷載作用下路面的容許彎沉值，路面以回彈彎沉為設(shè)計(jì)指標(biāo)的方法，是以荷載作用下的路面回彈彎沉量作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。3.4面層剪切。在垂直和水平荷載(如制動時(shí))的共同作用下，面層結(jié)構(gòu)中的最大剪應(yīng)力不大于特定環(huán)境下(主要是溫度)材料的抗剪強(qiáng)度。3.5面層斷裂。路面受到緊急制動所產(chǎn)生的水平力作用時(shí)，面層將受到很大的徑向拉應(yīng)力和水平向位移，從而使面層斷裂