金陽(yáng)瀝青路面施工：瀝青路面典型結構分析來(lái)了

金陽(yáng)瀝青路面施工：瀝青路面典型結構分析來(lái)了

咱們和貴州瀝青路面施工小編一起來(lái)了解一下：

摘要：公路工程中，瀝青路面的結構形式很多，本文針對半剛性基層、級配碎石基層、倒裝結構以及全厚式瀝青路面這幾種典型的結構形式，總結了國內外工程中部分典型的結構組合，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)、適用性以及受力特性。然后本文基于我國長(cháng)壽命瀝青路面的發(fā)展需要，基于有限元的方法，著(zhù)重分析了倒裝結構層的受力特點(diǎn)，總結了各層模量和厚度變化對力學(xué)計算指標的影響規律。提出了對我國長(cháng)壽命瀝青路面的思考，指出了我國倒裝結構在理論上有實(shí)現長(cháng)壽命的潛能和優(yōu)勢，但還需要大量工程實(shí)踐的摸索和證明。

關(guān)鍵詞：典型結構；倒裝結構；有限元分析；長(cháng)壽命瀝青路面

1.引言

瀝青路面是我國公路的主要形式，在國省道干線(xiàn)路面中占據了90%以上 。瀝青路面的結構主要包括面層、基層和路基三部分，其中基層是主要的承重層，承受了從面層傳遞下來(lái)的垂直應力，并將其擴散到路基，同時(shí)基層一般也是拉應力的主要承受層，因此基層材料的特性對于瀝青路面結構的剛度、強度、穩定性以及耐久性等性能至關(guān)重要，瀝青路面結構的分類(lèi)也主要是依據基層材料的類(lèi)型來(lái)進(jìn)行。在我國早期，由于“強基薄面”思想的影響，90%以上的高等級公路瀝青路面都采用了半剛性基層結構，其基層和底基層都是由無(wú)機結合料穩定材料組成，這種結構具有很強的強度和剛度，但耐久性和穩定性卻略顯不足，因此我國的瀝青路面很多都達不到路面要求的涉及年限 [2]。為了克服傳統半剛性基層結構的缺陷，同時(shí)解決我國路面結構單一性的問(wèn)題，近年來(lái)，我國對于柔性基層、倒裝結構等其他類(lèi)型的結構形式展開(kāi)了大量的研究和實(shí)踐，并與半剛性基層進(jìn)行了對比，本文在此基礎上總結現有的一些研究成果，并基于有限元的手段，對我國倒裝結構的力學(xué)性能進(jìn)行分析，總結對長(cháng)壽命瀝青路面結構形式的思考。

2. 瀝青路面典型結構組合

2.1. 半剛性基層結構

半剛性基層在我國使用最為廣泛，我國的高速公路大都采用了瀝青面層 + 半剛性基層 + 半剛性底基層的結構。其中，瀝青面層大都為14~18 cm，分3層鋪筑，少數面層較薄，僅有9~12 cm，分為兩層鋪筑，而半剛性基層厚度一般為20~40 cm，通常采用強度較高的無(wú)機結合料穩定集料來(lái)進(jìn)行鋪筑，底基層厚度與其類(lèi)似，但材料稍次，一般使用的是無(wú)機結合料穩定土。表1給出了我國部分采用半剛性基層的高等級公路的路面結構形式 。

半剛性基層結構中的面層是直接的荷載接觸層，承受了較大的壓應力和由于加減速、啟動(dòng)、制動(dòng)等因素造成的水平剪應力，因此面層要有足夠的抗車(chē)轍能力。而半剛性基層承受了從面層傳遞下來(lái)的壓應力，同時(shí)層底承受了由于彎拉特性引起的拉應力，因此半剛性基層是結構中的主要承重層。單從受力角度而言，半剛性基層結構實(shí)際上是一種合理的結構形式，因為無(wú)機結合料穩定材料強度和模量較高，板體性強，與半剛性基層的受力特性適應性很好。但實(shí)際工程中，半剛性基層結構的使用效果往往并不理想，這實(shí)際上并不是因為半剛性基層的力學(xué)性能不足所導致的，而是因為無(wú)機結合料穩定材料本身的穩定性和耐久性不足，導致力學(xué)性能的衰減，進(jìn)而引發(fā)的破壞?？偟膩?lái)說(shuō)，半剛性基層結構具有如下的優(yōu)缺點(diǎn) ：

半剛性基層結構的優(yōu)勢：

1) 剛度和承載能力都較高，結構板體性強，抗變形能力強；

2) 造價(jià)低廉，方便就地取材，施工方便。

半剛性基層結構的缺陷：

1) 無(wú)機結合料穩定材料容易產(chǎn)生干縮和溫縮開(kāi)裂，進(jìn)而引起瀝青路面的反射裂縫；

2) 無(wú)機結合料穩定材料水穩定差，抗沖刷能力弱，容易產(chǎn)生唧漿等病害；

3) 由于開(kāi)裂和水損害等因素的影響，半剛性基層的強度和剛度衰減嚴重，造成路面結構整體性能的下降；

4) 半剛性基層的疲勞開(kāi)裂對軸載的敏感性很高，在我國超載嚴重的情況下，很難達到設計的使用壽命。

5) 半剛性基層壓實(shí)后表面過(guò)密，噴灑透層油后滲透情況不佳，因此，半剛性基層與瀝青面層間的粘結很難達到設計假定的完全連續的狀態(tài)，容易產(chǎn)生脫空和開(kāi)裂。

正是因為半剛性基層具有上述的缺陷，因此在實(shí)際使用過(guò)程中，務(wù)必要遏制裂縫和水損害的產(chǎn)生，才能發(fā)揮好半剛性基層結構良好的力學(xué)性能。實(shí)際工程中，可以考慮從材料設計、結構設計以及施工工藝等多方面進(jìn)行改善：例如做好級配設計，選擇骨架密實(shí)型結構；設置應力吸收的隔離層；做好施工過(guò)程中的養護和補水工作；做好排水和隔水措施，減少水分下滲入基層，避免動(dòng)水沖刷等。如果難以做到對裂縫和動(dòng)水沖刷的遏制，則半剛性基層往往難以發(fā)揮預期的使用效果，此時(shí)應考慮其他的結構形式。

2.2. 級配碎石基層結構

傳統的半剛性基層結構由于縮裂特性和水損害，容易產(chǎn)生早期破壞，尤其是在東部區域的長(cháng)江中下游平原、四川盆地和云貴高原等地區，道路早期損壞問(wèn)題嚴重 。為了克服半剛性基層的缺陷，國內不少學(xué)者都把目光轉向了柔性材料，例如瀝青穩定碎石和級配碎石等。其中級配碎石可以作為路面結構的上基層，配以無(wú)機結合料穩定材料作為底基層，形成倒裝結構，可以有效遏制反射裂縫的產(chǎn)生，也可以作為路面結構的底基層，配以無(wú)機結合料穩定材料或瀝青穩定材料的上基層，可以有效減小路基不均勻沉降的影響，同時(shí)也具有隔水或排水的作用，當然也可以直接全部使用級配碎石材料，形成完全的級配碎石基層結構，不過(guò)這種結構抗變形能力較弱，實(shí)際承載能力并不高，因此在高等級公路中很少使用，但在等級較低的公路中，確有應用的實(shí)例。例如廣西南寧三塘至五塘的二級公路，就使用了5 cm瀝青碎石 + 27 cm級配碎石的結構，該公路實(shí)際服役的軸載累積作用次數遠大于設計值，路用性能表現。

與半剛性基層瀝青路面相比，級配碎石基層結構優(yōu)勢在于不再有反射裂縫的干擾，因此在輕交通荷載作用下，級配碎石基層結構往往能使用很長(cháng)時(shí)間，其穩定性和耐久性要優(yōu)于半剛性基層結構，在破壞之前表現出了很強的安定性 [6]，這也是柔性基層材料的共性。此外級配碎石基層結構還具有排水性能好、行車(chē)舒適度高的優(yōu)勢 [7]。但級配碎石終究屬于無(wú)粘結材料，其力學(xué)強度的形成主要依賴(lài)于集料之間的嵌擠，因此級配碎石基層必須要有良好的級配設計，形成嵌擠結構才能發(fā)揮出力學(xué)性能。同時(shí)級配碎石結構還具有明顯的應力依賴(lài)性，其強度和剛度依賴(lài)于側限的圍壓應力，但實(shí)際工程中，能提供的圍壓是有限的，因此級配碎石結構的強度和模量終究不能與有粘結材料相比，而且級配碎石結構不能承受拉應力，不具備板體性，這些是它的缺陷，導致純級配碎石基層的路面結構無(wú)法在高等級公路中使用，只能應用于小交通荷載的較低等級公路中。此時(shí)，整個(gè)結構中，瀝青層承受了主要的壓應力、拉應力和剪應力，級配碎石層在結構上更多的是傳遞荷載的作用，將瀝青層中的壓應力傳遞到路基中，同時(shí)有一定的緩解路基差異性沉降的效果。

2.3. 倒裝結構

倒裝結構是指對基層的倒裝，即在底基層使用剛度較高的無(wú)機結合料穩定材料，而在基層使用柔性的級配碎石或瀝青穩定材料的結構。表2給出了國內外部分典型的倒裝結構的路面結構形式 ：

可以發(fā)現，對于倒裝結構中的柔性材料，國外主要使用的是瀝青穩定材料，而國內更偏向于級配碎石材料。這與兩者瀝青路面發(fā)展歷史的差異有關(guān)，國外大都以柔性路面為主，以瀝青混合料層為主要受力層，對無(wú)機結合料穩定材料使用較少，即便在倒裝結構中有所涉及，但總的來(lái)說(shuō)厚度較薄，并不能在承擔荷載方面發(fā)揮很大作用。而我國一直以半剛性基層瀝青路面為主，雖然引入了倒裝結構，但也并不愿放棄半剛性層高剛度和高強度的優(yōu)勢，因此，其厚度相對更厚，能承擔一定的荷載，而基層便可以相對國外進(jìn)行一定的削弱，使用級配碎石材料或者是級配碎石與ATB的組合。

目前來(lái)看，倒裝結構在我國南方多雨地區使用較多，因為在這些地區半剛性基層損害比較嚴重，需要引入級配碎石層進(jìn)行改善?？偟膩?lái)說(shuō)，在我國引入這種倒裝結構具有如下的優(yōu)勢 ：

1) 級配碎石屬于散粒結構，具有一定的抗壓強度，但不能傳遞拉應力和拉應變，因此，級配碎石層可以很好地吸收半剛性層開(kāi)裂釋放的應變能，能夠反射裂縫的產(chǎn)生。

2) 級配碎石層在中間能起到隔離層的作用，使下方的半剛性層受溫度濕度變化影響小，減少了環(huán)境因素變化引起的開(kāi)裂。

3) 級配碎石層具有很好的排水效果，避免了水分在基層集聚，從而引起的沖刷現象。

4) 由于下臥層半剛性層的剛度較大，有利于級配碎石層充分碾壓獲得較高的密實(shí)度，同時(shí)較高的下臥層剛度也有利于發(fā)揮級配碎石非線(xiàn)性的受力特性，即圍壓越大，模量越高。

當然這種倒裝結構也存在著(zhù)自身的缺陷 [10]：因為級配碎石層對設計和施工的要求很高，它要求有的級配組成和良好的壓實(shí)質(zhì)量，才能形成密實(shí)的嵌擠結構，才能發(fā)揮出其非線(xiàn)性的受力特性，形成較高的模量。另外，倒裝結構從根本上改變了原本半剛性基層結構的受力分布：原本半剛性層與瀝青層直接接觸，完全連續，半剛性層模量很大，相當于對瀝青層底有約束作用，因此瀝青層層底一般不會(huì )產(chǎn)生拉應力，但由于級配碎石的引入，相當于在兩者之間加入了軟弱夾層，瀝青層層底的約束作用大大減弱，由此產(chǎn)生了彎拉應力，導致瀝青層成為了荷載的重要承擔層，而半剛性層承受的彎拉應力大大降低，級配碎石層厚度越大，這種現象越明顯。因此，級配碎石的引入實(shí)質(zhì)上會(huì )導致原本半剛性基層中的彎拉應力轉嫁到了瀝青層，瀝青層負擔加重，所以我國在引入級配碎石基層后一般都需要對瀝青層進(jìn)行加厚，例如表2中福建省便同時(shí)加入了ATB層，為的便是加強瀝青層的承載能力。需要指出的是級配碎石層的引入會(huì )增大路面變形量，同時(shí)過(guò)厚的級配碎石層也不利于發(fā)揮半剛性層的承載能力，所以實(shí)際工程中級配碎石層厚度有限，當然也不能過(guò)薄，過(guò)薄不利于反射裂縫的吸收，所以實(shí)踐中級配碎石的厚度一般為10~20 cm [11]。

2.4. 全厚式瀝青路面

全厚式瀝青路面在國外使用較多，是美國、德國、法國等國高等級公路的主要結構形式，其中全厚式的瀝青層一般由瀝青混合料面層 + 瀝青穩定材料基層構成，整體的厚度法國一般為23~47 cm，德國一般為22~34 cm，美國實(shí)際使用一般為18~50 cm [12]。在2002年，AASHTO指南中，也給出了推薦厚度，對于12~100百萬(wàn)標準軸次對應的瀝青層厚度一般取29~43 cm [13]。但值得一提的是，在不同，全厚式瀝青路面的概念有所差別，美國的全厚式瀝青路面被嚴格定義為路基之上只有瀝青材料，如果加鋪了無(wú)機結合料穩定層或者粒料層就都不屬于全厚式瀝青路面，其中加鋪粒料底基層的結構被稱(chēng)為高強度厚瀝青層路面。但在法國，全厚式瀝青路面一般要求設置一定厚度的無(wú)機結合料處置層或者粒料層，德國也要求需要設置一定厚度的粒料層，相當于美國的高強度厚瀝青路面結構。

但無(wú)論有沒(méi)有加鋪無(wú)機結合料穩定層或者粒料層，其路面結構的受力原理都是一致的，即利用瀝青層作為主要甚至全部的承重層，承擔壓應力、剪應力和拉應力，這就要求瀝青層具有較高的厚度。瀝青層越厚，層底的拉應變便會(huì )越小，如果瀝青層的厚度超過(guò)某一閾值，以至于瀝青層底的拉應變小于材料的疲勞極限，那么理論上瀝青層便永遠不會(huì )發(fā)生彎拉形式的疲勞破壞，也就不會(huì )產(chǎn)生down-top類(lèi)型的貫穿結構層的裂縫。當然，由于路表水平拉應變、瀝青老化以及溫度應力等原因，瀝青層往往會(huì )產(chǎn)生一定量的top-down類(lèi)型的裂縫 [14]，但這種裂縫一般局限于路表，只需要進(jìn)行及時(shí)的罩面修復，便不會(huì )擴展到整個(gè)結構層，形成結構性損壞 [15]。因此，全厚式瀝青路面只要瀝青層厚度足夠，理論上來(lái)說(shuō)可以通過(guò)及時(shí)的養護維修實(shí)現長(cháng)期甚至的使用，這是全厚式瀝青路面優(yōu)勢，也正是因為如此，全厚式瀝青路面成為了國外長(cháng)壽命瀝青路面或瀝青路面的主流。

需要指出的是，并不是柔性的全厚式瀝青路面車(chē)轍變形就一定比半剛性基層瀝青路面大，因為在半剛性基層結構中，由于下臥層剛度過(guò)大，導致瀝青層的剪應力會(huì )很高，而在全厚式瀝青路面中，由于面層和基層模量相近，變形協(xié)調更好，此時(shí)其剪應力相對于半剛性基層結構會(huì )更小，相應的由于側向流動(dòng)引起的車(chē)轍變形也會(huì )減小，因此沒(méi)必要對全厚式瀝青路面的車(chē)轍變形量過(guò)分擔憂(yōu) 。

3. 倒裝結構的力學(xué)分析

實(shí)際工程中，路基路面的結構形式很多，本文在第一節中節選了四種比較典型的結構形式，但在這四種結構中，半剛性基層路面一直飽受早期開(kāi)裂的干擾，而級配碎石瀝青路面難以滿(mǎn)足高等級道路的要求，只有倒裝結構和全厚式瀝青路面，無(wú)論是力學(xué)表現還是長(cháng)期使用性能，都能保持良好且穩定，符合當前長(cháng)壽命瀝青路面建設的需要。不過(guò)在我國，由于歷史和成本等因素的影響，無(wú)機結合料穩定材料仍然在路面結構中被廣泛保留，因此全厚式瀝青路面在我國使用較少，而倒裝結構現在反而使用較多。因此，在本節中，也將主要針對倒裝結構進(jìn)行力學(xué)分析，另外，本文所采用的力學(xué)計算方法主要是基于A(yíng)BAQUS的有限元法。

3.1. 初始模型參數

路面結構設計過(guò)程中的力學(xué)計算一般基于的是彈性層狀體系理論，并采用標準的雙圓形荷載，所選取的計算面是雙圓荷載橫向對稱(chēng)軸所在面，因為設計過(guò)程中需要計算的力學(xué)指標都是在該面達到。這里，值得一提的是，由于對稱(chēng)性，該面上任意一點(diǎn)在垂直于該面方向上的位移為零，應變很小，與平面應變狀態(tài)接近，因此，可以將實(shí)際的三維模型簡(jiǎn)化成平面應變模型。當然，由于車(chē)輛荷載與路表的接觸面并不是長(cháng)條形結構，因此這樣的簡(jiǎn)化會(huì )造成力學(xué)響應計算結果偏大，與實(shí)際設計不符，但本文主要是定性分析路面結構參數變化對力學(xué)響應變化的影響規律，不要求對實(shí)際荷載作用下結構力學(xué)響應的量值進(jìn)行計算，因此，這樣的簡(jiǎn)化是可以接受的。

另外，路面結構設計中，使用雙圓形荷載更多的是為了方便使用彈性層狀體系理論進(jìn)行計算，但實(shí)際上，由于輪胎扁平化的發(fā)展趨勢，當今汽車(chē)輪胎與路表的接觸面更接近于矩形，因此，在有限元分析中，如果采用平面應變模型，一般會(huì )使用標準的雙矩形荷載，如圖1所示，為了與雙圓形荷載等效，一般取19.2 cm，此時(shí)兩者面積相等，標準軸載下的接觸壓力一致 。

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