劉皓琨

(京臺高速公路廊坊建設(shè)管理處　廊坊　065000)

級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究

劉皓琨

(京臺高速公路廊坊建設(shè)管理處廊坊065000)

摘要基于級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)典型病害——車轍和疲勞開裂，確定控制級配碎石過渡層瀝青路面4個設(shè)計(jì)指標(biāo)：瀝青層底彎拉應(yīng)變、級配碎石層頂面豎向剪切應(yīng)力、半剛性基層層底彎拉應(yīng)力與路基頂面豎向壓應(yīng)變，給出推薦容許值和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖；在不同土基強(qiáng)度和交通量分級下，給出級配碎石過渡層瀝青路面的合理結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞瀝青路面級配碎石過渡層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1　級配碎石過渡層瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)

車轍和疲勞開裂是級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要破壞類型。在設(shè)計(jì)典型路面結(jié)構(gòu)時(shí)，根據(jù)其內(nèi)部的受力特性，應(yīng)確定路面結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)的主要因素，即瀝青面層層底彎拉應(yīng)力及土基頂面豎向壓應(yīng)變，并同時(shí)考慮半剛性底基層彎拉應(yīng)力及級配碎石頂面豎向剪切應(yīng)力。

1.1永久變形

路面結(jié)構(gòu)的永久變形由路面各個組成部分的永久變形組合而成，包括面層、基層、底基層、墊層和路基。這些并不是規(guī)范要求的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，而主要是是通過采用控制材料動穩(wěn)定度或其他指標(biāo)達(dá)到減少車轍的目的[1]。

為限制過量永久變形，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中提出：

(1) 路基頂面豎向壓應(yīng)變?？刂坡繁碛谰米冃瘟亢唵畏奖悖虼怂窍拗坡坊斆尕Q向壓應(yīng)變指標(biāo)的方法。路表永久變形包括面層、基層和路基在內(nèi)的總永久變形，為使在重復(fù)荷載作用下的永久變形穩(wěn)定在有限容許范圍內(nèi)，確保路基土不發(fā)生剪切破壞，用路基土應(yīng)力水平指標(biāo)來評價(jià)。

在我國交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目中[2]，建立了推薦作為我國柔性路面設(shè)計(jì)指標(biāo)之一的路基土頂面豎向壓應(yīng)變設(shè)計(jì)方程：

(1)

(2) 分層應(yīng)變總和。分層應(yīng)變總和法分析計(jì)算路面結(jié)構(gòu)永久變形，按式2計(jì)算：

(2)

式中：N為荷載重復(fù)作用次數(shù)；n為路面結(jié)構(gòu)分層數(shù)；εpi(N)為作用N次時(shí)第i層的豎向塑性壓應(yīng)變；hi為第i層的厚度。

(3) 瀝青層永久變形。在工程實(shí)踐中，由于瀝青與瀝青混合料粘滯性和塑性的性質(zhì)及復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變、溫度與作用時(shí)間的依賴性，通常通過瀝青混合料組成設(shè)計(jì)保證混合料抵抗永久變形的能力。

(4) 級配碎石塑性變形量。推薦選用我國交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目[2]中提出的典型柔性路面結(jié)構(gòu)粒料基層永久變形量的回歸公式：

(3)

式中：δ為粒料永久變形量，mm；N為當(dāng)量軸載作用次數(shù)；h1為面層厚度,cm；E1為面層模量，MPa；h2為基層厚度，cm；E2為基層模量，MPa；E0為土基模量，MPa。

1.2疲勞開裂性能

(1) 瀝青層底彎拉應(yīng)變。為控制瀝青路面疲勞開裂的性能，本文采用瀝青層層底彎拉應(yīng)變。彎拉應(yīng)變相對于彎拉應(yīng)力而言，其便于測試，并能有效評價(jià)路面性能；柔性基層瀝青路面瀝青層疲勞狀態(tài)接近常應(yīng)變疲勞狀態(tài)；其指標(biāo)更便于同國外方法進(jìn)行比較。

(2) 半剛性底基層的彎拉應(yīng)力。深入研究半剛性基層材料的疲勞損壞和疲勞性能，對路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著重要意義。半剛性底基層的疲勞應(yīng)力與路面壽命之間的關(guān)系式：

(4)

式中：σr為半剛性底基層材料彎拉應(yīng)力；fr為次荷載下的極限彎拉應(yīng)力；Nf為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次；a,b為系數(shù)。

2　路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)容許值的計(jì)算

2.1設(shè)定指標(biāo)容許值

含級配碎石過渡層的瀝青路面結(jié)構(gòu)其路面與路基的響應(yīng)值有：瀝青層層底水平彎拉應(yīng)變；級配碎石粒料層頂面豎向剪切應(yīng)力；無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料層底水平彎拉應(yīng)力；土基頂面豎向壓應(yīng)變[3-4]。

控制以上響應(yīng)值發(fā)生破壞的設(shè)計(jì)指標(biāo)有：

(5)

式中：εr為單圓荷載中心處瀝青層底彎拉應(yīng)變；εRr為瀝青層底容許彎拉應(yīng)變。

(6)

式中：σm為單圓荷載中心處級配碎石層頂面豎向剪切應(yīng)力；σRm為級配碎石層容許剪切強(qiáng)度。

(7)

式中：σr為輪隙中心處半剛性層底彎拉應(yīng)力；σR為半剛性層底容許彎拉應(yīng)力。

(8)

式中：εs為輪隙中心處路基頂面豎向壓應(yīng)變；εRs為路基頂面容許豎向壓應(yīng)變。

2.2設(shè)計(jì)指標(biāo)容許值的計(jì)算

設(shè)計(jì)指標(biāo)容許值的計(jì)算是國外設(shè)計(jì)方法的核心也是最難以確定的問題，需要區(qū)別不同路面結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素與交通狀況綜合考慮，各設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算如下。

(1) 級配碎石層容許剪切強(qiáng)度通過對級配碎石材料進(jìn)行剪切試驗(yàn)確定。

(2) 路基頂面容許豎向壓應(yīng)變與路面壽命之間的關(guān)系通過路基頂面豎向壓應(yīng)變設(shè)計(jì)方程式(1)確定。

(3) 半剛性底基層的容許彎拉應(yīng)力與路面壽命之間的關(guān)系通過無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層疲勞方程即方程(4)確定。

(4) 瀝青層底面容許彎拉應(yīng)變與路面壽命之間的關(guān)系采用我國交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目中所用的瀝青混合料動態(tài)預(yù)估模型確定。

3　級配碎石過渡層材料要求與設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

3.1材料要求

對級配碎石材料的要求如下。

(1) 級配碎石過渡層的作用是有效地防止和減緩半剛性基層瀝青路面反射裂縫，因此級配碎石應(yīng)具有高密度、高強(qiáng)度及良好的透水性。

(2) 應(yīng)采用強(qiáng)度較高，且壓碎值<26%，液限<25%，細(xì)料并無塑性的優(yōu)質(zhì)軋制碎石作為級配碎石。

(3) 采用集料顆粒分布相對較粗的密實(shí)級配碎石為宜，最大粒徑宜取40mm，通過5mm篩含量≤40%，通過0.5mm篩含量≤15%，通過0.075mm篩含量≤5%的級配為宜。

3.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

級配碎石材料的設(shè)計(jì)參數(shù)取表1中級配碎石回彈模量的推薦值。其他材料層設(shè)計(jì)參數(shù)同現(xiàn)行規(guī)范。

表1　級配碎石回彈模量推薦值

3.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

含級配碎石過渡層的瀝青路面結(jié)構(gòu)及其厚度的確定見圖1[5-6]。

圖1　路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

4　推薦合理結(jié)構(gòu)

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，交通量以累計(jì)當(dāng)量軸次劃分為4個等級，見表2，土基強(qiáng)度劃分為3個等級：S1(30～45 MPa)，S2(45～65 MPa)，S3(≥65 MPa)。考慮到不同土基強(qiáng)度分級與交通量分級，參照國外柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并按照設(shè)計(jì)原則通過理論計(jì)算分析，初擬級配碎石過渡層瀝青路面結(jié)構(gòu)見表3。

表2　交通量等級

表3　級配碎石過渡層瀝青路面合理結(jié)構(gòu)

表3中推薦的路面合理結(jié)構(gòu)適用于：

(1) 擬定的含級配碎石過渡層的瀝青路面結(jié)構(gòu)主要針對二級或二級以上高等級公路瀝青路面設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個車道的累計(jì)當(dāng)量軸次為200萬次以上。

(2) 土基回彈模量E0<30 MPa 時(shí)，應(yīng)采取設(shè)置墊層或改善層的方法對路基進(jìn)行工程技術(shù)處理，直到E0>30 MPa 后再用該表中的路面合理結(jié)構(gòu)。

(3) 具體的設(shè)計(jì)需結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、材料及?jīng)濟(jì)水平等因素，結(jié)合本路面合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5　結(jié)論

(1) 級配碎石過渡層的瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞類型主要是車轍和疲勞開裂，因此，將瀝青層底彎拉應(yīng)力或應(yīng)變及土基頂面豎向壓應(yīng)變作為控制路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素。

(2) 確定控制級配碎石過渡層瀝青路面發(fā)生破壞的4個指標(biāo)，并給出推薦的容許值。同時(shí)根據(jù)級配碎石層材料要求，給出設(shè)計(jì)流程圖。

(3) 根據(jù)不同交通量分級和土基強(qiáng)度分級，初擬路面合理結(jié)構(gòu)，供實(shí)際應(yīng)用參考選取。

參考文獻(xiàn)

[1]沈金安.國外瀝青路面設(shè)計(jì)方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司.瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)研究報(bào)告[R].北京：中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，2007.

[3]謝軍,曹彬.剛性基層復(fù)合式瀝青路面層間剪應(yīng)力分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2013(6):1165-1168.

[4]袁峻.級配碎石基層性能與設(shè)計(jì)方法的研究[D].南京：東南大學(xué)，2004.

[5]袁峻,黃曉明.級配碎石夾層半剛性底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)分析[J].中南公路工程，2006(10):43-47.

[6]孟書濤.瀝青路面合理結(jié)構(gòu)的研究[D].南京：東南大學(xué)，2005.

收稿日期：2015-04-23

ApplicabilityResearchoftheMicro-surfacingMixturetoAnti-slidingTreatment

Wang Guozhong

(ShanxiProvincialResearchInstituteofCommunications,

keylaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceinLoessRegion,Taiyuan030006,China)

Abstract：For further research on the relationship between texture depth and asphalt content of Micro-surfacing pavement, the paper selected 6 representative insufficient anti-sliding performance index sections, measured the texture depth and anti-sliding performance before and after the treatment, researched the applicability of the Micro-surfacing mixture to anti-sliding performance treatment. The results show that texture depth have a good correlation with aggregate gradation and asphalt content; texture depth and anti-sliding performance index had no obvious relationship；Micro-surfacing mixture can only improve the anti-sliding performance of pavement temporary, but cannot have a long-term effect.

Key words:MS-2 micro-surfacing mixture; anti-sliding performance; texture depth; decay law

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.016