瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面

1、瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面論文導讀：用于鋪筑瀝青混凝土路面基層。人們特別對于采用瀝青穩(wěn)定柔性基層是否會出現(xiàn)嚴重車轍存在疑慮。因此需要對瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面的工作特性進行研究分析。英國45條密級碎石基層道路調(diào)查結(jié)果顯示。車輪荷載的剪應力超過了瀝青混合料的抗剪強度。關(guān)鍵詞：道路，瀝青穩(wěn)定基層，瀝青混凝土路面，剪應力，車轍采用瀝青材料作為結(jié)合料，在熱態(tài)或冷態(tài)下與砂石集料拌和而成混合料，用于鋪筑瀝青混凝土路面基層，雖然在國外已經(jīng)有大量的研究成果和工程實踐，然而我國還缺乏對它的系統(tǒng)研究和認識，人們特別對于采用瀝青穩(wěn)定柔性基層是否會出現(xiàn)嚴重車轍存在疑慮。然而要科學正確地回答這些問題是很困難的，因此需

2、要對瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面的工作特性進行研究分析。1、國外對柔性基層瀝青混凝土路面抗車轍性能的評述對于瀝青穩(wěn)定柔性基層瀝青混凝土路面，一般來說整個瀝青混凝土層的厚度將要達到25-35 cm，甚至達到40-50 cm，因此人們擔心是否會出現(xiàn)嚴重車轍。瀝青混合料是粘彈性材料，在荷載作用下具有明顯的蠕變特性，因此而產(chǎn)生永久變形。然而，國外許多研究認為，瀝青穩(wěn)定基層瀝青混凝土路面并沒有像想象中那樣出現(xiàn)嚴重的車轍，反而認為當瀝青混凝土層厚度大于18 cm時，出現(xiàn)車轍的速率會迅速降低。英國45條密級碎石基層道路調(diào)查結(jié)果顯示，當瀝青混凝土層厚度為18-36 cm時，車轍率與厚度無明顯的關(guān)系?？萍颊撐?，剪

3、應力。同時認為厚瀝青混凝土層道路，大部分車轍發(fā)生在表層，此時的車轍不表示道路的整體結(jié)構(gòu)強度不足，不生結(jié)構(gòu)性變形。然而，國外對于柔性基層瀝青混凝土路面車轍為什么不是想象中那么嚴重的原因何在，尚未見詳細的報道。為此本文就這一問題進行如下理論分析。2 、瀝育混凝土層中剪應力分布的理論分析2.1 瀝青混凝土層中最大剪應力的位置瀝青混凝土層的粘性流動通常是在路面溫度較高的情況下，車輪荷載的剪應力超過了瀝青混合料的抗剪強度，致使瀝青混凝土層出現(xiàn)了剪切變形。剪切變形的積累，則逐漸形成大的變形，即產(chǎn)生了車轍。顯然在材料模量一定的情況下，剪應力越大，所產(chǎn)生的剪切變形也越大。就目前瀝青混凝土路面設計規(guī)范按靜力荷載

4、計算應力的方式(不考慮行車荷載的水平力)，尋找最大剪應力出現(xiàn)的位置，為此需計算不同位置和不同深度(層位)的剪應力。在計算車輪荷載時是將后軸雙輪簡化成兩個當量直徑為21. 3 cm的圓形均布荷載，其壓強為0.7 MPa，兩圓的中心距為1.5X21.3=31.95 cm。假設的路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù)列于表1,表1 路面結(jié)構(gòu)及其參數(shù) 路面層次 厚度/cm 回彈模量/MPa 泊松比 瀝青混凝土面層 12 1 600 0.25 瀝青穩(wěn)定基層 20 1 400 0.25 級配碎石底基層 20 300 0.25 土基 50 0.35 采用殼牌公司開發(fā)的層狀彈性體系計算軟件BISAR 3. 0，計算距離雙圓荷載中心

5、不同位置的剪應力。計算的層位(深度)分別為5 cm和10 cm，這是因為在這樣的層位受到的剪應力可能達到最大;計算的橫向距離分別至雙圓中心0 cm, 10. 65 cm,21. 3 cm和31.95 cm。計算結(jié)果列于表2。 表2 不同位里的剪應力 層位(深度) cm 至雙圓荷載中心不同距離 (cm)的剪應力/MPa 0 10.65 21.3 31. 95 5 0 0.074 0. 106 0.092 10 0 0.059 0.123 0. 124 由表2可見，在雙圓荷載的中心處，幾乎不產(chǎn)生剪應力，而隨著離開雙圓中心距離的增大，剪應力增大。當距離中心21.3cm，即在單圓荷載中心處，剪應力達到

6、最大值，這樣就確定了最大剪應力的位置?？萍颊撐?，剪應力。下文討論不同情況下的最大剪應力均為此位置。 2.2 瀝青層不同深度下的最大剪應力由表2看出，在距離雙圓中心21. 3 cm處，深度10 cm比深度 5 cm受到的剪應力要大。由于剪應力沿深度分布關(guān)系到瀝青混凝土路面車轍產(chǎn)生的深度和層次，為此本研究對剪應力沿深度方向數(shù)值變化進行計算分析。計算的路面結(jié)構(gòu)同表1，但瀝青穩(wěn)定基層的厚度分別為10cm,20 cm和30 cm，計算的層位深度分別為3cm, 5 cm, 8 cm, 12 cm, 15 cm,18 cm,22 cm和25 cm。計算結(jié)果列于表3，以便直觀地進行觀察和分析。表3 最大剪應力

7、沿深度的變化 層位(深度) 最大剪應力在不同基層厚度 (cm)下的變化/MP cm 10 20 30 3 0.074 0. 063 0.059 5 0.122 0. 107 0.100 8 0. 146 0. 127 0. 118 12 0. 129 0.112 0.101 15 0.109 0.097 0.087 18 0.085 0.084 0.075 22 0.041 0. 069 0.063 25 - 0.058 0.056 表3表明，在靜力荷載作用下接近路面表面剪應力并不大，而隨著深度的增加剪應力增大，直至深8 cm處達到最大值。然后隨著深度的進一步增大剪應力進一步減小，至18cm深

8、度其剪應力降低不足0. 1 MPa,由表可見剪應力大于0.1 MPa主要發(fā)生在15 cm深度以內(nèi)，因此車轍主要可能發(fā)生在10cm以內(nèi)瀝青結(jié)構(gòu)層中，下層出現(xiàn)車轍的可能性較小。同時就同一深度而言(如在深度8 cm處)，當基層厚度增大時其剪應力也隨之降低。這說明增加基層厚度有利于剪應力降低，也就是說厚瀝青層出現(xiàn)車轍的可能性反而降低。 2.3 剪應力與基層厚度的關(guān)系為了進一步考察基層厚度對剪應力的影響，擬將結(jié)構(gòu)層中剪應力達到峰值層位處，即深度8 cm和12 cm處的剪應力與基層厚度的關(guān)系列在表4中加以比較。表4 不同墓層厚度瀝青層中剪應力計算值 層位(深度) 不同基層厚度 (cm)瀝青層中的剪應力/M

9、Pa Cm 10 20 30 40 8 0. 146 0. 127 0.118 0.113 12 0.129 0.112 0.101 0.095 從表4清楚地看出，基層厚度增加，在層位8 cm和12 cm的剪應力都隨之降低，而且降低的幅度較大。這表明增加基層厚度有助于瀝青混凝土面層剪應力的降低，從而能有效地防止出現(xiàn)車轍。由此可見，采用瀝青穩(wěn)定碎石等材料鋪筑基層，適當增加基層厚度，并不一定會增加出現(xiàn)車轍的危險性，相反，由于基層厚度的增加，面層剪應力降低，從而可以減少車轍的發(fā)生，這與國外觀察結(jié)果是一致的，本文則通過理論分析得到了證明。交通部公路科學研究院曾對柔性基層瀝青混凝土路面進行了加速加載試驗

10、，以模擬實際現(xiàn)場交通情況下路面工作狀態(tài)，同時與半剛性基層路面結(jié)構(gòu)比較，結(jié)論認為對于柔性結(jié)構(gòu)加厚面層在抗車轍性能上是不必擔憂的。 3、 材料性質(zhì)對面層剪應力的影響3.1 基層模量對面層剪應力的影響柔性基層與半剛性基層雖然在規(guī)范中其模量基本上差不多，但是實質(zhì)上兩者有著明顯的區(qū)別。就材料模量而言，規(guī)范中的模量與實際測試值有很大的差別，現(xiàn)場半剛性基層施工，業(yè)主與監(jiān)理都會要求不得少用水泥或石灰，施工單位為了在竣工驗收時路面彎沉能滿足要求，往往也增加水泥或石灰的用量，以獲得高模量的基層，達到降低表面彎沉的目的。有文獻認為半剛性基層的模量約為 (7-28)X103MPa,泊松比變動于0.1-0.2 之間?？?/p>

11、以說實際上半剛性基層的模量比規(guī)范值要高得多。為了研究基層模量對瀝青混凝土面層中剪應力的影響，計算不同基層模量條件下瀝青混凝土面層中的剪應力?；鶎幽Ａ糠謩e取1 400 MPa,2 000 MPa,3 000 MPa,4 000 MPa和5 000 MPa，計算在層位8cm、12cm和15 cm處最大剪應力，計算結(jié)果列于表5中?？萍颊撐?，剪應力。表5 不同基層模量條件下瀝青層中的最大剪應力 層位(深度) 不同基層模量（MPa)下瀝青層中的最大剪應力 cm 1 400 2000 3000 4000 5000 8 0.127 0.120 0.112 0.107 0.102 12 0.112 0.114

12、 0.117 0.116 0.115 15 0.109 0.106 0.110 0.114 0.116 分析表5可以得知，增大基層模量，層位8 cm處的最大剪應力隨之降低，對于瀝青混凝土面層是有利的;層位12 cm處剪應力與基層模量關(guān)系不大，基本上保持原來的水平，成為一個過渡層位;層位15 cm處剪應力則隨著基層模量的增大而增大，于路面結(jié)構(gòu)不利。一般來說，瀝青混凝土面層厚度大都為15-17 cm，所以當基層剛度很大時，對瀝青混凝土面層的穩(wěn)定性并不有利，因此半剛性基層比柔性基層反而容易引發(fā)瀝青混凝土面層出現(xiàn)車轍，其原因即在于此。 3.2 應用硬質(zhì)瀝青對瀝青混凝土層抗車轍的作用為了提高瀝青混凝土路

13、面的抗車轍性能，近年來一些國家，如法國、英國等國家采用高模量的瀝青混合料作為瀝青混凝土面層。如英國采用針入度為50號甚至30號的硬質(zhì)瀝青，也有的采用改性瀝青;國內(nèi)有的省份修建高速公路，其上、中面層，甚至包括下面層全采用改性瀝青。硬質(zhì)瀝青和改性瀝青的應用明顯地提高了材料的性能，表征其剛度的回彈模量與普通瀝青混合料相比，也有了大幅提高。高模量瀝青混合料作為面層，對于抗車轍性能有怎樣的貢獻，試做以下計算分析。設高模量瀝青混凝土面層路面結(jié)構(gòu)的厚度與材料參數(shù)如表6所示。采用高模量瀝青材料與普通瀝青材料的面層，其最大剪應力和最大剪應變隨層位深度的分布。表6 高模量瀝青混凝土面層路面結(jié)構(gòu)與參數(shù) 路面層次青混

14、凝土面 厚度/cm 回彈模量/MPa 泊松比 瀝青穩(wěn)定基層配碎石底基 12 2 500 o. 25 土基 20 1 400 o. 2s 路面層次青混凝土面 20 300 0. 25 瀝青穩(wěn)定基層配碎石底基 50 0. 35 在12 cm處高模量瀝青混凝土面層內(nèi)，其最大剪應力比普通瀝青混凝土層有所增大，而最大剪應變明顯減小，與普通材料的面層相比，最大剪應變約減小3000，這說明采用高模量瀝青混凝土面層將能有效地提高抗車轍性能。有文獻研究也表明，采用粘度高的瀝青混合料能大幅提高路面材料的耐流動性。而在下層剪應力與剪應變略有降低，說明采用高模量材料鋪筑面層對下層受力沒有明顯改善作用。科技論文，剪應力

15、。 4、復合基層對瀝青混凝土面層抗剪性能的影響鑒于我國在高等級道路建設中已經(jīng)積累了鋪筑半剛性基層的很多經(jīng)驗，而且半剛性基層成本比較低廉，所以在路面設計中采用復合基層還是可取的方案，即上基層采用瀝青穩(wěn)定柔性基層，下基層采用半剛性基層，以達到減薄瀝青基層厚度的目的。但這種想法是否合理，需要通過實踐加以考察驗證，但也可以通過理論計算進行分析。路面結(jié)構(gòu)及參數(shù)列于表7中。計算半剛性基層在不同厚度情況下瀝青混凝土面層中層位8 cm,12 cm處的最大剪應力，計算結(jié)果見表8表明，當復合基層的半剛性下基層厚度增大時，瀝青混凝土面層中的剪應力隨厚度增加而有所減小，雖然減小的程度并不十分顯著，但由于能使瀝青混凝土

16、面層的剪應力降低，有助于改善路面結(jié)構(gòu)層的受力狀況，減少出現(xiàn)車轍的可能性。因此，在瀝青穩(wěn)定柔性基層下面設置一定厚度的半剛性下基層，不僅可降低成本，而且有利于改善路面結(jié)構(gòu)的受力條件，因而這種復合基層結(jié)構(gòu)是一種可取的路面結(jié)構(gòu)方案。表7 復合基層瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)與參數(shù) 路面結(jié)構(gòu) 厚度/cm 回彈模量/MP 泊松比 瀝青混凝土面層 12 1 600 0. 25 瀝青穩(wěn)定基層 15 1 400 0.25 水泥穩(wěn)定碎石 20 4 000 0. 1 級配碎石 20 300 0. 25 土基 0. 35 表8 不同半剛性基層厚度下瀝青混凝土面層的剪應力MPa 層位(深度) 不同半剛性基層厚度(cm)下瀝青混凝

17、土面層的剪應力 cm 15 20 25 30 8 0. 112 0.108 0.106 0. 104 12 0.095 0.090 0.087 0.085 5 結(jié)論 (1)分析表明，瀝青層中的最大剪應力出現(xiàn)在距離路表面8 cm處，18 cm深度以下剪應力已降低至很小值，瀝青混凝土路面車轍主要發(fā)生在深度10 cm以內(nèi)，因此采用瀝青穩(wěn)定基層不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性車轍。(2)理論分析證明，較厚的瀝青穩(wěn)定碎石基層并不會增加車轍的危險性，正是由于基層厚度的增加可以使面層剪應力降低，從而減少車轍的發(fā)生，這與國外研究結(jié)果是一致的?？萍颊撐?，剪應力。(3)基層剛度增大對瀝青混凝土面層的穩(wěn)定性不利，故半剛性基層比柔性基層容易使瀝青混凝土面層出現(xiàn)車轍?？萍颊撐?，剪應力。(4)瀝青混凝土面層采用高模量瀝青混合料，有利于降低面層的剪應變，可以收到減輕車轍的效果。(5)在瀝青穩(wěn)定基層下面設置半剛性下基層，有利于提高路面結(jié)構(gòu)的受力條件，故采用復合基層結(jié)構(gòu)是可行的方案。參