山西通縣公路改造瀝青路面典型結構設計參數(shù)敏感性分析

1、山西通縣公路改造瀝青路面結構參數(shù)敏感性分析陳越1,2 楊平3 (1.中國中鐵一局集團第一工程有限公司 陜西渭南 714000；2.長沙理工大學 湖南長沙 410076；3.湖南工程職業(yè)技術學院 湖南長沙 410151 )摘 要：依托山西通縣公路改造工程，對山西通縣公路瀝青路面結構設計參數(shù)進行了敏感性分析，尋求較敏感的參數(shù)和層位，為土基強度等級劃分及結構優(yōu)化設計提供了依據(jù)。關鍵詞：舊路改造 瀝青路面 結構參數(shù) 敏感性分析 路基強度瀝青路面是山西現(xiàn)有路面結構的基本結構形式，其里程占山西公路里程60%左右，承擔著80%以上的交通量。目前山西通縣公路技術等級低、路基路面狀況差、病害嚴重，迫切需要對全省

2、現(xiàn)有通縣公路進行技術改造，提高技術等級和通行能力。但通縣公路改造投資少，技術含量要求高，我國現(xiàn)行規(guī)范對于縣鄉(xiāng)低等級公路瀝青路面結構及其設計方法沒有做出具體的規(guī)定，不利于縣鄉(xiāng)低等級公路建設改造的設計，迫切需要一套適合山西當?shù)貙嶋H情況的簡單易行的路面設計方法，指導該地區(qū)的舊路改造。為了詳細制定山西通縣公路典型瀝青路面結構，并保證各設計參數(shù)在最不利組合時路面使用的安全性，合理地劃分公路路基強度等級，有必要選擇具有代表性的路面結構，對其各設計參數(shù)進行敏感性分析，以便使路面結構設計更合理。1 結構參數(shù)敏感性分析據(jù)調查，山西通縣公路路面的代表性結構如圖1所示。各層材料參數(shù)根據(jù)室內試驗結果確定，路面結構參數(shù)

3、和幾何參數(shù)見表1。上面層A上基層路基(土基或舊路面)h1=3cm、E1=1270MPa底面層底基層h2=4cm、E2=850MPah3=20cm、E2=1100MPah4=20cm、E2=400MPa圖1 路面基本結構表1 路面結構材料力學參數(shù)與幾何參數(shù)結構層模量E(MPa)厚度(cm)上基層700、900、1100、1400、190015、20、25、30、40底基層200、400、600、900、140010、15、20、25、30、40路基30、40、50、60、70、80、90、110、160工程實踐中為便于測試，一般用輪隙中心彎沉測試值評價路面結構剛度。本文以雙圓均布荷載作用下的彈性

4、層狀體系理論為基礎，以圖1中雙輪隙中心A點作為計算點，運用BISAR3.0程序計算分析路基模量對路表彎沉的影響、上基層厚度和模量對路表彎沉的影響以及底基層的厚度和模量對路表彎沉的影響。分析層結構參數(shù)在取值范圍變化(見表1)，其余各層抗壓模量及各結構層厚度均按基本結構圖1取值。路基模量及底基層厚度對路表設計彎沉的影響如圖2所示。路基模量及基層厚度對路表設計彎沉的影響如圖3所示。路基模量及底基層模量對路表設計彎沉的影響如圖4所示。路基模量及基層模量對路表設計彎沉的影響如圖5所示。圖2路基模量及底基層厚度對路表彎沉的影響圖3路基模量及基層厚度對路表彎沉的影響圖4路基模量及底基層模量對路表彎沉的影響圖

5、5路基模量及基層模量對路表彎沉的影響結構分析計算結果表明，路基模量是影響路表彎沉的重要因素。路基模量較低時，路表彎沉隨其變化非常敏感。路基模量較大時，其變化曲線趨于平緩。隨著基層和底基層厚度的增加，路表彎沉值逐漸減小，當路基模量較大時，厚度的增加對路表彎沉的影響已不明顯。提高底基層模量E4及基層模量E3，可減少路表彎沉值，且減少的程度隨路基模量的變化基本保持不變。由圖2和圖3可看出,當E0從160MPa減少到30MPa(減小至3/16)，即從非常干燥路基降到潮濕的路基，其路面基層厚度從40cm減小到15 cm(即2.7倍)時，其路表彎沉值減小6.5%10.7%。同樣當?shù)谆鶎雍穸纫灿?0cm減小

6、到15cm時，路表彎沉減小4.4%8.3%。在這種不利條件下，路基強度與路面基層厚度風險組合的結果會增大路表設計彎沉值，這一點是可以接受的。圖4和圖5表明，當出現(xiàn)另一種最不利組合時，即當表征路基強度的E0由160MPa降至20MPa，路面基層E3值由1900MPa降到700MPa(底基層E4由1400 MPa降至200 MPa)時，其路表設計彎沉值增加1.9%2.8% (基層變化)(底基層增大4.6%6.9%)。這種路基強度E0與E3(E4)的最不利組合對路表彎沉產生的影響也不大。2 路基強度等級劃分根據(jù)結構參數(shù)的敏感性分析結果可知，路基強度是影響路表彎沉值的主要因素，也是路面結構設計的基礎參

7、數(shù)，是影響路面結構承載能力、結構層厚度和使用性能的重要因素，其強度直接影響路表彎沉值的大小和路面使用壽命的長短。因此，在山西通縣公路改造路面結構設計中，能否選用合乎實際的路基(新建土基或舊路面)回彈模量直接關系到路面結構的安全性和經濟性?；诼坊?土基或舊路面)回彈模量對路面結構厚度及結構組合重要影響，路基的設計強度等級劃分：一方面要控制路基回彈模量低限值，由室內外試驗結果并結合山西土質及路基干濕狀況，山西土基回彈模量大部分處于3050 MPa之間，山西舊路頂面回彈模量大部分在50110MPa之間，所以路基回彈模量低限取30MPa是合理的。如果路基回彈模量最小值達不到要求，應采取摻入固化材料或

8、換填砂、砂礫、碎石等滲水性材料，以及設置土工合成材料等加強路基排水的技術措施進行綜合處理。另一方面，為了設計合理的路面典型結構，路基模量劃分不能太粗，亦不宜太細，應以不同路基強度等級對基層或底基層厚度產生大致相同的效應為依據(jù)，例如以每一路基強度等級對基層或底基層厚度分別產生34cm或46cm為宜。本文選擇6種三級公路瀝青路面結構，基層厚度不變而只變底基層，方案配置情況見表2，繪制出底基層厚度與路基模量E0的關系曲線見圖6。表2 只變底基層厚度的方案配置情況表項 目方案一方案二方案三方案四方案五方案六基層抗壓回彈模量(MPa)150013001500130015001300基層厚度(cm)151

9、520202018底基層抗壓回彈模量(MPa)13001000130010002002001) 方案一方案六的面層厚度為4cm，面層的抗壓回彈模量為1200/1800MPa(表示20/15時回彈模量)；2) 方案一方案六的設計彎沉值定為40.0(0.01mm)；3) 路基回彈模量E0定為30110(MPa)；4) 面層允許彎拉應力取為1.4MPa，基層取為0.5MPa，底基層取為0.4MPa。 圖6 底基層隨路基回彈模量變化圖從圖6可知，E0隨底基層厚度的減薄而增加，各條曲線的變化趨勢基本相同，其遞增速度大致可分5個階段：1)當E0=3040MPa，曲線較陡，即隨著底基層厚度變薄，路基強度變化

10、速率比較大；2)當E0=4050MPa時，曲線逐漸變緩；3)當E0=5060MPa時，曲線變得更緩，不過對底基層的影響程度仍大致在35cm之間；4)當E0>70Mpa時，曲線變得較平坦；5)當E0>90Mpa時，曲線變得平坦，即路基對底基層厚度的影響不敏感。因此對于當E0<70Mpa時，路基對路面結構厚度的影響敏感，故路基強度劃分的可以適當細些；而當E0>70MPa，隨著當E0的增加，結構層厚度變化較慢，故路基強度劃分的粗些，因此，以路基模量E0為劃分指標，將路基強度劃為6個等級，如表3。 這種路基強度等級配合一定的交通量等級可作為確定公路結構組合的控制因素。設計路面結

11、構時,可按最不利情況對結構進行驗算。 表3 路基等級強度劃分等 級S1S2S3S4S5S6路基強度30E04040E05050E06060E07070E090E0903 結論通過對山西通縣公路常用路面結構設計參數(shù)敏感性分析,可以得出以下結論：1) 在諸多層次路面結構設計參數(shù)中，路基抗壓回彈模量是影響路表彎沉的最重要因素。路基強度對瀝青路面結構承載力、厚度和使用性能影響非常大。2) 路基模量較低時，路表彎沉值隨其變化較為敏感。因此，在進行路面結構設計時，路基模量的取值必須慎重，測定結果應準確且具有代表性。3) 當路基強度較高時,增加基層及底基層的厚度對路表彎沉已無明顯的影響。為了減少路表彎沉應著重考慮增加路基強度。若采用提高基層厚度的方法，則既不經濟，效果也不理想。4) 由于土基中含水量隨季節(jié)變化，其強度也處在不斷變化之中，因此確定E0時應考慮最不利條件。參考文獻1 公路瀝青路面設計規(guī)范(JTGD50-2006)S.人民交通出版社,2006.第一作者簡歷：陳越 男 出生于1979年11月 籍貫 陜西榆林現(xiàn)攻讀長沙理工大學道路與鐵道工程專業(yè)工程碩士學位工作于中國中鐵一局集團第一工程有限公司單位地址：陜西渭南市站北路25號郵編：714000電話二作者簡歷：楊平 男 出生于1977年12