混合式基層瀝青路面結構的設計分析

□文/李海波 魏如喜

□魏如喜/天津市市政工程研究院。

混合式基層瀝青路面結構的設計分析

□文/李海波 魏如喜

文章采用公路瀝青路面結構設計軟件分別對一種常用的半剛性基層瀝青路面和兩種混合式基層瀝青路面共3種路面結構進行設計計算對比分析并得出結論。

半剛性基層；混合式基層；瀝青路面；結構設計

我國重點發(fā)展柔性基層和混合式基層瀝青路面。在柔性基層的使用上，瀝青穩(wěn)定碎石性能最優(yōu)，但造價較高（僅次于瀝青混合料），因此一般用于增加瀝青面層厚度時作為底面層使用；級配碎石則由于造價較低、性能較優(yōu)常被用于瀝青面層與半剛性基層之間的過渡層使用。本文結合國內外瀝青路面結構發(fā)展趨勢，將重點討論使用瀝青穩(wěn)定碎石和級配碎石柔性基層的混合式基層瀝青路面結構。

1 不同瀝青路面結構設計計算與分析

瀝青路面結構設計中，一般根據(jù)交通量大小、當?shù)氐臍夂驐l件選擇幾種不同路面結構層厚度組成并擬定某一結構層為設計層，通過計算軟件進行計算。然后，根據(jù)規(guī)范推薦的或通過試驗確定的各結構層材料力學參數(shù)，利用計算軟件進行設計和驗算。為便于對比分析，按照天津地區(qū)多年來常用的高等級瀝青路面結構層厚度，本文列入了一種常用的半剛性基層瀝青路面和兩種混合式基層瀝青路面共3種路面結構，見表1。

表1 不同路面組成結構

1.1 半剛性基層瀝青路面結構設計計算

根據(jù)路面結構設計計算程序，以水泥穩(wěn)定碎石結構為計算層，對不同交通量下路面結構水泥穩(wěn)定碎石基層厚度進行計算的結果分別見表2、表3及表4。考慮到驗算半剛性基層層底拉應力時累計交通軸載計算系數(shù)的差異，在進行結構層層底拉應力驗算時交通量按彎沉設計時交通量的1.5倍取值。

表2 按彎沉設計計算結果

表3 路面結構層層底拉應力驗算計算結果 MPa

表4 按層底拉應力設計計算結果

由表2-表4可知：

1）當以水泥穩(wěn)定碎石基層為計算層時，計算層厚度隨著交通量的增長而增大；

2）以彎沉為設計指標確定計算層厚度后，在進行半剛性基層或底基層層底拉應力驗算時，表2中各路面結構的石灰粉煤灰土底基層層底拉應力均不滿足允許拉應力要求，需要增加該結構層厚度或水泥穩(wěn)定碎石結構層厚度，才能使其層底拉應力滿足設計要求；

3）當按路面結構層層底拉應力設計計算水泥穩(wěn)定碎石基層的厚度時，水泥穩(wěn)定碎石基層厚度較厚（較按彎沉設計時厚13.3～21.8cm），已經(jīng)超出經(jīng)驗厚度許多，路面結構變得不經(jīng)濟。

1.2 混合式基層1瀝青路面結構設計計算

混合式基層1瀝青路面結構采用以瀝青穩(wěn)定碎石替代半剛性基層的水泥穩(wěn)定碎石上基層，下基層和底基層均采用水泥穩(wěn)定碎石，其他結構層不變的結構形式。為便于比較，設計計算時采用混合式瀝青路面結構計算模式，仍以水泥穩(wěn)定碎石結構層為設計計算結構層，設計及計算結果見表5和表6。

表5 混合式基層1瀝青路面按彎沉設計計算結果

表6 混合式基層1瀝青路面按層底拉應力設計計算結果

由表5和表6可知，在不同交通量條件下，按各結構層層底允許拉應力進行設計計算時的水泥穩(wěn)定碎石基層厚度均明顯大于按設計彎沉進行設計計算的結果。一方面，由于是混合式結構，路面結構類型系數(shù)Ab值（路面結構類型系數(shù)，半剛性基層瀝青路面為1.0，柔性基層瀝青路面為1.6，混合式瀝青路面則通過內插確定）變大，而導致設計彎沉值變大，從而不需要更大結構整體剛度；另一方面，采用設計彎沉進行設計計算時，瀝青穩(wěn)定碎石的抗壓回彈模量并未比水泥穩(wěn)定碎石小，從而使按設計彎沉進行設計計算的水泥穩(wěn)定碎石結構層厚度不需要很厚就能滿足設計彎沉要求。

對于上基層采用瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結構，雖然按各結構層層底允許拉應力設計計算的水泥穩(wěn)定碎石基層厚度均明顯大于按設計彎沉設計計算的結果，但與天津地區(qū)典型半剛性基層瀝青路面結構相比，結構層總厚度依然小了23.0～24.3cm，相當于省去了一個結構層還要多一些。

對于上基層采用瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結構，在不同累計標準軸載作用下各結構層材料的應力情況見表7。顯然，這種上基層采用柔性基層的路面結構，應力計算時仍以其柔性基層下面的半剛性底基層的層底拉應力控制設計結構層厚度；但是，從瀝青結構層的各層層底拉應力結果來看，瀝青層特別是層位較低的瀝青層，雖然仍然處于受壓狀態(tài)，但其絕對值已經(jīng)很小，一旦其下的水泥穩(wěn)定碎石結構層發(fā)生開裂或是層間結合不當，都可能使瀝青穩(wěn)定碎石結構層承受拉應力作用。

表7 混合式基層1瀝青路面結構層層底拉應力 MPa

續(xù)表7

當水泥穩(wěn)定碎石出現(xiàn)很多橫向開裂時，水泥穩(wěn)定碎石雖然不再能承受抗拉應力的作用，但其抗壓強度還在。此時，假定水泥穩(wěn)定碎石結構層不存在彎拉模量，繼續(xù)使用抗壓回彈模量對路面結構層在不同交通荷載作用下的應力進行計算，計算結果見表8。

表8 混合式基層1瀝青路面水泥穩(wěn)定碎石開裂時路面結構層層底拉應力 MPa

由表8可知，在水泥穩(wěn)定碎石失去抗拉能力后，由于其板體的抗壓能力沒有喪失，在行車荷載作用下，瀝青穩(wěn)定碎石層底產生的拉應力很小，僅是其設計交通量時的允許拉應力的1/8左右，顯然，很難威脅到瀝青穩(wěn)定碎石發(fā)生疲勞破壞，即此種瀝青路面結構將會有很長的使用壽命。

1.3 混合式基層2瀝青路面結構設計計算

級配碎石是一種施工簡便、透水性好、易于重復使用的路面結構層，常用幾種粒徑不同的碎石和石屑摻配拌制而成，適用于各級公路的基層和底基層，常被用于瀝青面層與半剛性基層之間的過渡層。為便于比較，將瀝青穩(wěn)定碎石基層直接替換為級配碎石結構層形成混合式基層2瀝青路面結構。同樣以水泥穩(wěn)定碎石結構層為設計計算結構層，采用混合式瀝青路面結構計算模式進行設計計算，結果見表9和表10。

表9 混合式基層2瀝青路面按彎沉設計計算結果

表10 混合式基層2瀝青路面按層底拉應力設計計算結果

由于級配碎石結構層的抗壓回彈模量值較瀝青穩(wěn)定碎石低很多，按設計彎沉計算的水泥穩(wěn)定碎石結構層厚度較采用同厚度瀝青穩(wěn)定碎石時厚6.6～9.2cm（總厚度也差6.6～9.2cm）；并體現(xiàn)出設計交通量越大，兩種結果下的水泥穩(wěn)定碎石層厚度相差越大的趨勢。進一步比較按半剛性基層層底拉應力設計的計算結果發(fā)現(xiàn)，采用相同厚的級配碎石過渡層時，水泥穩(wěn)定碎石結構層厚度僅較采用瀝青穩(wěn)定碎石上基層時厚約4cm且?guī)缀醪皇芙煌克接绊憽?/p>

計算各結構層層底拉應力結果見表11，采用級配碎石上基層的混合式瀝青路面結構其水泥穩(wěn)定碎石結構層的厚度取決于該種材料的允許拉應力；而瀝青中底面層層底已出現(xiàn)受拉狀態(tài)，特別是瀝青底面層已出現(xiàn)較大的拉應力。

表11 混合式基層2瀝青路面結構層層底拉應力 MPa

在累計標準軸載取6000萬次，對表10中路面結構進一步變化水泥穩(wěn)定碎石基層厚度及瀝青底面層厚度分別計算瀝青底面層和水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應力變化情況見表12和表13。

表12 水泥穩(wěn)定碎石基層厚度與瀝青底面層及水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應力的關系

表13 瀝青底面層厚度與瀝青底面層及水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應力的關系

計算結果表明，對于表1中的上基層為級配碎石的混合式瀝青路面結構，當增加水泥穩(wěn)定碎石基層厚度時，對其上瀝青面層層底拉應力幾乎沒有影響，僅能保證水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應力逐漸減小，從而使水泥穩(wěn)定碎石耐久性提高。當采用增加瀝青底面層厚度的措施時發(fā)現(xiàn)，增加瀝青底面層厚度，不僅可明顯降低瀝青底面層層底拉應力，同時也較明顯的降低了水泥穩(wěn)定碎石底基層的層底拉應力，但是，并不是瀝青底面層厚度越厚越好，而是有一定的限度，當瀝青底面層厚度增加到25cm以后，瀝青底面層和水泥穩(wěn)定碎石下基層的層底拉應力都將降低的幅度減小，此時路面結構將變得不經(jīng)濟。

2 結論

1）按路面各結構層層底拉應力進行半剛性基層瀝青路面結構設計時，半剛性底基層的層底拉應力很難滿足允許拉應力要求，按經(jīng)驗厚度設計的半剛性基層瀝青路面結構易于發(fā)生疲勞破壞。

2）當采用上基層為瀝青穩(wěn)定碎石或級配碎石等混合式瀝青路面結構時，按路面各結構層層底拉應力進行路面結構設計時，柔性基層下面的半剛性底基層的層底允許拉應力控制設計結構層厚度。

3）當采用上基層為瀝青穩(wěn)定碎石的混合式瀝青路面結構，按路面各結構層層底拉應力進行路面結構設計時，即使瀝青穩(wěn)定碎石基層下面的半剛性基層或底基層發(fā)生疲勞破壞，也很難威脅到瀝青穩(wěn)定碎石，即此種瀝青路面結構將會有很長的使用壽命。

4）當上基層采用級配碎石的混合式瀝青路面結構，按路面各結構層層底拉應力進行路面結構設計時，雖然級配碎石的抗壓回彈模量較瀝青穩(wěn)定碎石小很多，但其分散荷載能力強，下面的水泥穩(wěn)定碎石結構層厚度并不需要很厚且?guī)缀醪皇芙煌克接绊憽?/p>

5）對于上基層采用級配碎石的混合式瀝青路面結構，增加半剛性基層厚度，對瀝青面層層底拉應力幾乎沒有影響，僅能保證水泥穩(wěn)定碎石下基層層底拉應力逐漸減??；當增加瀝青面層厚度時，不僅可明顯降低瀝青面層層底拉應力，同時也較明顯的降低了半剛性底基層的層底拉應力，但是，并不是瀝青底面層厚度越厚越好，而是有一定的限度，當瀝青底面層厚度增加到25cm以后，瀝青面層和半剛性底基層的層底拉應力降低的幅度都將減小，此時路面結構將變得不經(jīng)濟。

[1]沈金安.國外瀝青路面設計方法總匯[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTGD50—2006，公路瀝青路面設計規(guī)范[S].

U414

C

1008-3197（2011）04-34-04

2011-04-22

李海波/男，高級工程師，天津市高速公路集團有限公司，從事工程技術管理工作。

□魏如喜/天津市市政工程研究院。