（道路与铁道工程专业论文）设置功能层的沥青路面结构研究.pdf

摘要 目前，在我国高速公路路面结构中，半刚性沥青路面以其整体强度高、板体性好和 造价低等优点而得到广泛推广应用。但随着高速公路建设的快速发展，交通量的日益增 大，传统的半刚性沥青路面逐渐暴露出一系列诸于反射裂缝、水损害和车辙等早期损坏。 这些病害严重影响了沥青路面的使用性能和寿命。 针对半刚性沥青路面出现的早期损坏，我国道路工作者研究发现其多为结构性损 坏，因此，优化沥青路面的结构组成，是解决半刚性基层沥青路面早期损坏的关键。 首先，本文以浙江省龙丽龙高速公路为依托，通过对浙江地区高速公路半刚性沥青 路面的病害调查和分析，并借鉴国外沥青路面结构的成功经验，探讨各种结构的可行性， 在此基础上提出了在面层和半刚性基层之间设置沥青稳定碎石排水基层和联结层两种 功能层，以提高路面结构的排水性能，减小路面的开裂程度和车辙深度。 其次，通过分析路面结构各层的力学响应，确定了沥青稳定碎石排水基层和联结层 的设置条件和设置方法，并验证其设置的合理性。 同时，基于线弹性断裂力学理论，预估了半刚性基层结构和具有功能层的沥霄路面 的荷载疲劳寿命，分析结果表明，设置了功能层的沥青路面结构疲劳寿命远远大于半刚 性基层沥青路面结构的疲劳寿命，有效地抑制了半刚性基层裂缝向沥青面层扩展。并在 此基础上，对具有功能层的沥青路面进行了抗裂性能的研究，确定了各结构层参数的范 围，并通过室内试验进行相关的验证。 最后，对具有功能层的路面结构进行了抗车辙性结构设计，并与半刚性路面结构的 抗车辙性能进行对比。分析结果表明，具有功能层的路面结构具有较好的抗车辙性能。 关键词：沥青路面，功能层，抗裂性，车辙，结构研究 a b s t r a c t p r e s e n t l yi n t h ee x p r e s s w a yp a v e m e n ts t r u c t u r ei n o u rc o u n t r y , s e m i 。r i g i da s p h a l t p a v e m e n ti sw i d e l ys p r e a da n da p p l i e d f o ri t sh i g hi n t e g r a ls t r e n g t h ，g o o dp h y s i c a lp r o p e r t i e s o fb o 砌a i l dl o wc o s t h o w e v e r , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee x p r e s s w a yc o n s t r u c t i o n a n dt h ei n c r e a s i n gt r a f f i cv o l u m e ，t h et r a d i t i o n a ls e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n tg r a d u a l l y e x p o s u r eas e r i e so fe a r l yd a m a g e ，s u c ha sr e f l e c t i o nc r a c k ，w a t e rd a m a g e ，r u t t i n g ，w h i c h s e r i o u s l ya f f e c tt h es e r v i c ep e r f o r m a n c ea n d l i f eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t a i m i n ga tt h ee a r l yd a m a g eo ft h es e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n t ，o u rc o u n t r y s r o a d w d r k e r sr e s e a r c h e da n df o u n dt h a tt h e yw e r es t r u c t u r ed a m a g e s oo p t i m i z a t i o no fs e m i r i g i d a l s p h a i tp a v e m e n ts t r u c t u r ei st h ek e yt o s o l v et h ee a r l yd a m a g eo ft h es e m i - r i g i da s p h a l t p a v e m e n t f i r s t l y , b a s e do nt h el o n g - l i l o n ge x p r e s s w a yi nz h e j i a n gp r o v i n c e ，t h i sp a p e rp u t f o m ，川an e ws t r u c t u r ef o r mt h a ta s p h a l tt r e a t e dp e r m e a b l eb a s eo rb i n d i n gc o u r s ei s s e t b e t 、v e e ns u r f a c ec o u r s ea n ds e m i r i g i db a s e ，t oi m p r o v et h ed r a i n a g ef u n c t i o no f t h ea s p h a l t p a v e m e n ta n dr e d u c et h ec r a k i n gd e g r e ea n dr u t t i n gd e p t ht h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s o ft h es e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n td a m a g ei nz h e j i a n gp r o v i n c e ，r e f e r e n c eo ft h ef o r e i g n s u c c e s s f u le x p e r i e n c e ，a n dd i s c u s s i o no f t h ef e a s i b i l i t yo f v a r i o u ss t r c t u r e s s e c o n d l y ，t h i sp a p e rd e t e r m i n e st h es e t t i n gc o n d i t i o na n dm e t h o do fa s p h a l t t r e a t e d p e l m e a b l eb a s ea n db i n d i n gc o u r s e ，a n dv a l i d a t e s i t sr a t i o n a l i t yt h o u g hc a l c u l a t i n ga n d a n a l y s i n gt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo ft h ep a v e m e n t s t r u c t u r e a tt h es 锄et i m e b a s e do nt h et h e o r yo fe l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ，t h i sp a p e ra l s o e s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo ft h es e m i r i g i da s p h a l tp a v e m e n ta n dt h ep a v e m e n tw i t hf u n c t i o n l a y e r w h i c hs h o w st h a tt h el a t t e rh a sab e t t e rf a t i g u el i f e a n dc a l lr e s t r a i nt h ec r a k ei n s e m i r i g i db a s es p r e a d i n g t ot h es u r f a c ec o u r s e b a s e do i lt h e s e ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e a n t i f a t i g u eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n tw i t hf u n c t i o nl a y e r , a n dt h e nd e t e r m i n e st h ep a r a m e t e r 砌g e0 fe a c hs t r u c t u r el a y e r s ，w h i c hi sp r o v e db yl a b o r a t o r yt e s t ，w h i c hi s t e s t i f i e db y l a b o r a t o r yr e l a t e dt e s t l a s t l y , t h i sp a p e rm a k e st h es t r u c t u r ed e s i g no ft h er u t t i n gr e s i s t a n c eo f t h ep a v e m e n t w i t hf u n c t i o nl a y e r ，a n dt h e nc o n t r a s t sa n da n a l y s e sw i t ht h es e m i - r i g i dp a v e m e n ts t r u c t u r e ， 嘶也t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ep a v e m e n ts t r u c t u r ew i t hf u n c t i o nl a y e rh a st l l eb e t t e rr u t t i n g r e s i s t a n c e k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；f u n c t i o nl a y e r ；a n t i - f a t i g u ep e r f o r m a n c e ；r u t t i n g ；s t r u c t u r e s t u d y i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： i 髓琴 年月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签 名：苹亳弓 乙叁萝 年月 日 年月日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代，随着国民经济的迅速发展，我国高速公路进入了一个以高等级 公路为代表的发展阶段。至2 0 0 8 年底，我国高速公路通车总里程突破6 万公里，居世 界第二位。在我国已建成高等级公路中，9 0 以上是半刚性基层沥青路面，半刚性基层 沥青路面成为我国沥青路面结构的主要型式。 我国半刚性基层沥青路面具有很多优点，比如整体强度高、板体性好和造价低等， 在美国a a s h t 0 1 9 9 3 年路面设计指南中也提到，当缺乏未经处理难以用作基层材料时， 可以经过水泥、沥青、石灰石处理后使用，不仅可以降低成本，还可以降低路面的总厚 度，这在我国沥青路面的发展过程中得到了充分的应用。 然而，由于各种原因引起的沥青路面早期病害成为阻滞随着我国高速公路建设的快 速发展的主要问题。据调查，我国高速公路沥青路面的主要破坏形式为车辙、水损坏和 和半刚性基层引起的反射裂缝。 为了解决这一问题，国家在十五期间开展了高速公路早期病害预防措施的研究，其 中一个非常重要的结论就是早期损坏与我国采用的半刚性基层路面结构有关，主要表现 在：由于半刚性基层具有较高强度和刚度，也存在发生较大干缩和温缩的可能性，半刚 性基层容易开裂；并且半刚性基层与沥青层接触条件差，存在层间滑移的隐患；而半刚 性基层的开裂可能引起路面结构内出现应力集中，在水分的共同作用下，导致层间接触 条恶化，经车辆荷载和温度循环的反复作用，路面结构出现反射裂缝，从而导致了严重 的路面开裂、车辙和水损坏的发生。 由于我国沥青路面结构较为单一，且半刚性基层沥青路面存在的隐患也没有得到较 好的解决，兼且目前我国的交通条件发生变化，从而造成我国高等级路面出现如此严重 的路面病害。由此可见，我国的半刚性基层沥青路面早期损坏多为结构性损坏，因此， 优化沥青路面的结构组成，减少路面病害的产生并延长路面使用寿命是我国目前面临的 迫切的研究任务。 柔性基层路面结构由于具有较好的质量和较长的使用寿命，在国外被广泛采用。一 般情况下设置粒料层或用沥青处治的材料，作为柔性基层或排水层，并将沥青层的容许 拉应变和路基顶面的容许拉应变作为路面结构设计指标，控制路面开裂和变形。最近， 1 第一章绪论 欧美发达国家提出了“永久性路面”( p e r p e t u a lp a v e m e n t ) ，它的设计理念确保路面各类 损坏控制在路表面层项部很薄的范围，使路面结构不发生结构性的破坏，如果路面发生 破损，仅通过表面维修即可，这样可将路面的使用寿命将延长到4 0 到5 0 年。 但从目前来看，国外采用的柔性基层由于造价较高，在我国现阶段应用还不现实， 而半刚性基层虽然有诸多缺陷，鉴于半刚性基层路面在我国有较长的应用历史，在今后 相当长的时间内，半刚性基层在我国仍是主要的基层形式，若发挥它承载力大、板体性 强的优点，并采用一定的措施，改善半刚性基层沥青路面的结构型式，将具有很重要的 现实意义。本文以浙江省龙丽龙高速公路为依托，分析半刚性基层沥青路面存在的问题， 借鉴国外合理沥青路面结构形式和国内的成功经验，研究适合浙江省公路建设特点的沥 青路面典型结构，为提高沥青路面的长期使用性能提供理论和现实依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外沥青路面结构研究 国外在长期的道路使用过程中，形成了较为丰富的沥青路面结构形式。主要包括： 柔性基层沥青路面、组合式沥青路面、全厚式沥青路面和半刚性基层沥青路面。在高等 级公路中，大多采用前三种结构。而中、轻交通路段使用半刚性基层沥青路面。 在高等级公路中，一些国家和地区仍然采用半刚性材料作为结构层，将柔性基层与 半刚性底基层组合使用的路面，形成了组合式沥青路面，如表1 1 所示。国外对半刚性 结构层的设计思路就与我国有很大区别。国外是在柔性基层下面设置半刚性材料的底基 层，以改善和加强路基作用，通过设置半刚性底基层来增强路基的承载能力。 表1 1 各个国家或地区沥青路面典型结构 国家面层基层底基层土基 1 2 c m 沥青稳定材2 5 c m 水泥稳定粒严格压实过的土 法国6 c m 沥青面层 料料基 1 5 c m 级配碎石严格压实过的土 南非5 c m 沥青面层4 5 e r a 水泥稳定 1 8 c m 沥青稳定基 粒料基层或稳定严格压实过的土 美国加州沥青面层水泥、沥青稳定土 土 基 法国2 0 0 1 年的数据表明，国道网上使用最多的为组合式基层沥青路面结构，采用 这种结构的目的是在充分利用当地材料的同时，把开裂的可能性降到最低。在南非，一 般在半刚性底基层上设置1 5 c m 的级配碎石或粗粒径沥青稳定基层，以防止半刚性层的 裂缝反射和雨水下渗产生半刚性唧浆。美国的加利福尼5 1 e ) i i 采用厚的沥青层+ 较薄的半 2 长安大学硕士学位论文 刚性底基层。 由此可见，国外的沥青路面结构中大多采用了柔性基层结构，其使用结果也表明该 结构具有较好的使用质量和较长的使用寿命。随着路面结构的不断发展，路面结构设计 理念也有了新的发展。欧美国家对路面损坏仅存在于沥青层顶部一项深度范围，路面结 构未发生破坏的路面形式称为“长寿命路面( 1 0 n gl i f ea s p h a l tp a v e m e n t ) ”或者“永久性路面 ( p e r p e t u a lp a v e m e n t ) 9 9 9 它的设计理念是根据当地的自然环境和交通荷载，不同的结 构层所应具有的使用功能和在结构中的受力情况，对各个层进行结构设计和材料设计， 要求抗车辙、不透水、抗磨耗的表面层，抗车辙连接层和抗疲劳的基层，各结构层要求 见图1 1 所示。这种概念在重交通道路上应用，对于延长沥青路面使用寿命获得了极大 的成功。 永久性路面不仅适用于大交通量道路，经适当的调整后也可用于中、低等级交通量 道路。美国马里兰州将s m a 用于加厚式沥青路面结构的面层，该路的行车速度限制可大 于9 0k m h ，日累计轴载次数大于20 0 0 ( e s a l ) 日。美国加利福尼亚州在日交通量为 1 50 0 0 - 1 50 0 0 0 辆的道路上都采用过这种路面结构【。 1 高压应力区域 ： ：高性能沥青涩舍材料4 - 8c 面崖 7 y 、jl o _ 1 5 锄 jl 高模量抗车辙材料1 0 - 1 8 锄 1 中同层 jl 黍性抗疲劳材科8 - l o 锄 量大拉应变区域 1基层 路基 图1 1 永久性路面设计理念 1 2 2 国内外对早期损坏的防治措施 对于反射裂缝问题，国内外从结构方面常用的方法有：增加沥青层的厚度和设置防 裂夹层。防裂夹层包括s a m i 应力吸收层、土工类材料夹层、级配碎石中间层和沥青稳 定碎石中间层： ( 1 ) 增加沥青层的厚度 增加面层的厚度是各国在选择反射裂缝防治措施是首先考虑的因素。为了减少反射 裂缝，许多在采用半刚性材料基层时，对沥青面层的最小厚度都做了规定。我国的京津 塘高速公路、广深珠高速公路等采用较厚的沥青层，其横向裂缝明显较小。 增加面层厚度的作用主要表现在：增强分散荷载能力，减小由于车辆作用引起的 3 第一章绪论 裂缝两侧基层的相对位移，改善面层受力；增长了裂缝在面层内的扩展路径，延迟了 反射到表面的时间；较厚的面层起到一定得保温作用减少基层温度的变化以及由其 产生的裂缝两侧的基层水平位移。 顾强康等人在自行研制的试验台架上对水泥路面沥青加铺层进行了疲劳试验，模拟 温度应力作用下加铺层厚度对结构抗裂性能的影响，得出结论：当沥青层厚度小于1 0 c m 时，随着厚度的增加，疲劳荷载作用次数明显增加，二者接近线性关系，加铺层厚度大 于1 0 c m 。后，疲劳寿命增加变得缓慢，疲劳寿命增加就不明显了【2 1 。 据东南大学研究成果表明，增加沥青层的厚度和基层的厚度可以增加具有底基层裂 缝的路面的疲劳寿命。面层厚度为2 0 c m 的路面疲劳寿命是面层厚度为1 5 c m 的1 2 倍， 是面层厚度为1 0 e m 的2 3 倍1 1 。 事实证明，增加面层厚度在一定程度上可以延缓反射裂缝的产生，但要有效解决反 射裂缝问题，可能需要比现在厚得多的沥青面层，这显然是不经济的。我国近年来许过 工程已经将沥青层厚度从1 5 c m 增大到1 8 c m ，但仍然受到反射裂缝的困扰。 因此，不能单纯依靠增加沥青层厚度来防止反射裂缝，必须结合其他抗裂措施，在 兼顾经济性的同时取得良好防裂效果。 ( 2 ) 采用防裂夹层 s a m i 应力吸收层 s a m i ( s t r e s s a b s o r b i n gm e m b r a n c ei n t e r l a y e r ) 应力吸收层是由橡胶沥青或改性乳 化沥青与细集料组成，设置与沥青层与半刚性基层之间。应力吸收层在路面结构中起着 一种软介质的作用，目的是把裂缝处基层位移引起的应力消变消散在夹层内，削弱基 层裂缝处沥青面层的应力集中现象。同时能起到封层的作用，阻止路面水渗入基层。 1 9 7 9 年，美国m i n n e s o t a 州试验路，其中两段加铺层下面采用s a m 应力吸收层防 裂，五年后对其进行调查表明，s a m i 应力吸收层能有效防止反射裂缝的产生【3 1 。 国外一般认为这种应力扩散层能够取得良好的效果，但其造价较高。我国在“七五” 国家科技攻关的正定试验路对设置s a m i 进行过试验，由于成本较高，且当时的沥青层 太薄，效果也不明显，因此后来再也没有使用过。国内也有人认为，铺筑s a m i 后，一 旦裂缝产生，裂缝的发展的速度反而会加快【l 】。 土工类材料夹层 金属网格、土工织物、土工格栅等都曾被作为夹层材料，目前应用较多的是土工织 物和土工格栅。 4 长安大学硕士学位论文 加拿大多伦多市l e s t e rp e g s o n 国际机场道面加铺时，采用玻格栅防治反射裂缝，4 年后调查发现：道面反射裂缝减小了5 0 。1 9 7 3 年加拿大魁北克州试验路上的无纺聚 丙烯土工织物层防裂效果却不明显。其加铺层厚度为5 c m ，使用四年后，出现了大量的 反射裂缝1 4 1 。 黄岩等人通过室内试验评价了玻璃格栅、土工布、土工格栅等的夹层的防裂效果， 得到结论：土工夹层材料对于基层水平位移引起的张开型裂缝能起到较好的防裂作用， 但对于有基层竖向错位引起的剪切型反射裂缝，织物夹层作用不明显【5 1 。 铺设级配碎石中间层、沥青稳定碎石中间层 加拿大魁北克省和安大略省的试验路表明，级配碎石中间层防治反射裂缝非常有 效；澳大利亚和南非同样得到了这一结论。七五”国家科技攻关课题铺筑的倒装式结构 试验路，是在沥青层和半刚性基层之间加入1 0 c m - 2 0 c m 级配碎石层，在该课题的报告 中，对倒装结构的使用情况进行了观测，提出继配碎石过渡层有利于减轻裂缝，且沥青 面层只有6 c m 和9 c m ，完全没有开裂。显示了级配碎石中间层对减少沥青面层开裂黼 显效果1 6 j 。 级配碎石结构能够有效地防治反射裂缝，且有利于改善基层排水能力。然而，国内 外研究也表明，级配碎石结构受集料特性的很大影响，我国目前的集料破碎工艺生产的 集料并不规格，而由此设计生产的级配碎石结构也必然难以达到设计预期的使用特性。 2 0 0 0 年，吉林省长春市辽源市的一级公路上分别采用了沥青碎石联结层和级配霹霭； 修筑试验路( 沥青面层厚1 0 c m ) ，裂缝观测显示沥青稳定碎石防裂效果优于级配碎石， 级配碎石裂缝率较高，且裂缝增加速度有随通车时间增长的趋势，局部还出现了面层疲 劳产生的网裂【7 1 。 我国津唐高速和广深珠高速中曾铺筑了沥青稳定碎石基层的试验段，以沥青稳定碎 石混合料代替常用的沥青混凝土下面层，适当的将沥青层厚度增加到2 2 - 2 5 c m 以上一 这种组合式路面在半刚性基层结构的基础上，提高了沥青层总厚度，加入抗疲劳能力很 高的柔性基层材料，使半刚性基层与沥青层的弯拉应变减小，受到温度和水分的影响也 减小，从而改善了界面条件，有效的防止了反射裂缝的产生和扩剧1 1 。 东南大学的白琦峰通过力学分析、室内低温小梁试验和反射裂缝室内模拟试验，对 比分析了各种防治反射了裂缝的措施，防裂效果为：沥青碎石 s a m i 玻璃纤维格栅 土工织物【引。 通过国内外采用几种不同的防裂措施，我们可以看出： 5 第一章绪论 i 虽然国外采用s a m i 应力吸收层能够较好防裂作用，但在国内已经部对其进行 研究和使用，并且只能封住水分不进入到基层，却不能兼顾排水；而对于在半刚性基层 上铺筑土工格栅、玻璃格栅或者土工织物，一直没有人做过长期的观测研究，且其抵抗 对反射裂缝扩展起主要作用的剪切型开裂，效果不明显，因此可见，这些措施并不适合 应用到我国的沥青路面结构上。 i i 级配碎石中间层具有较好的抗裂能力，但受到施工工艺的限制，因此还不具备 在我国现阶段的推广的条件； i 沥青稳定碎石不仅能够有效地防治裂缝，还优化了与沥青层之间的接触，因此 在我国具有很好的发展前景。 近几十年来，国外研究者注意到水对沥青路面的严重危害，而通过路面内部结构排 水是被实践证明了的行之有效的预防水损害的方法，如设置排水基层。国内外的排水基 层主要有级配碎石排水基层、多空隙水泥稳定碎石排水基层和沥青稳定碎石排水基层。 东南大学的袁峻【9 】对级配碎石进行研究认为，高质量的级配碎石不仅能够改善基层 的排水能力，也有效地防治了沥青面层的反射裂缝。 法国是率先研究道路基层排水，设置路面结构排水系统的国家之一。1 9 7 4 年，法国 修筑了厚板铺设于多孔的非处治材料层上的试验路，1 9 7 6 年修筑了多空隙混凝土基层上 的试验路。试验路结果表明，增加基层的透水性，设置排水系统可以减少路面的唧泥、 错台等损坏现象的产生，改善路面的使用性能。根据已建成透水基层路段的性能与无排 水设施路段的性能相比，预测路面的使用年限将增加5 0 【l 0 1 。 八十年代末，美国、法国、日本相继修建了沥青稳定碎石排水基层试验段，并取得 了很好的效果。美国明尼苏达运输部进行的现场试验表明，沥青稳定碎石排水基层的排 水量占降雨量的2 5 一o ，这与f h w a 设计指南叙述一致。并且，排水基层通常在 降雨结束后两小时内排走9 5 以上的渗入水。美国加州大学b e r k l e y 分校的研究表明： 新的排水刚性路面的寿命至少比不排水刚性路面长5 0 ，新的设置排水基层的柔性路面 的使用寿命至少要比不设排水层的柔性路面长3 3 ，并且认为这个预测还很保守。美国 加利福尼亚州的研究认为：该卅i 每年新建的路面，设置有沥青稳定碎石排水基层且有良 好的排水设施的路面能节省l1 0 0 万美元的维修费用。因此，设置沥青稳定碎石排水基 层将水迅速、有效地排除到路面和路基结构外，有利于改善路面的使用性能，并将大大 提高其使用寿命【l l 】。 同济大学于1 9 9 7 年在上海浦东新区远东大道、1 9 9 9 年在迎宾大道、2 0 0 0 年在罗山 6 长安大学硕士学位论文 路分别铺筑了多空隙沥青稳定碎石排水基层试验路段，总结出了布设良好的沥青稳碎石 排水基层能够明显了提高路面结构内部排水性能，路面水损坏得到显著改善。 综合国内外的研究可以看出，各国在路面排水方面都进行了不少研究，但是我们也 可以发现各种排水基层组成材料也存在很多不足，例如：级配碎石材料模量低，由于组 成材料中无结合料使级配碎石材料松散，只能承受压应力而不能承受拉应力，路面结构 层中级配碎石层的模量值受下卧层的不同而有很大变化；而贫混凝土有温缩合干缩的的 缺点，基层表面就会发生开裂，反射到面层后引起面层开裂。而沥青稳定碎石透水基层 作为排水层，具有大的空隙，使路面上层渗下来的水及时排走；同时沥青稳定碎石排水 基层中沥青混合料的多空隙结构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，吸收由交通荷载及 环境温度变化所产生的荷载应力和温度应力。此外，沥青稳定碎石透水基层收缩系数较 小，其多空隙结构具有较大的塑性变形能力，可充分吸收半刚性基层释放的应变能，减 小应力集中现象，从而延缓反射裂缝向上扩展的速度和防止反射裂缝的产生，具有很好 的抗裂特性。而且由于面层和基层材料结构的相似性，路面结构受力、变形更为梅讽i 具有一定的自愈合特性，如果沥青混合料发生开裂且裂缝不大时，沥青混合料可以缓慢 愈合，这是半刚性材料所不具备的特性。 在我国，传统上认为增加沥青层厚度会增大车辙深度，但国外研究表明，沥青路面 的车辙深度主要取决于面层内的永久变形，国际上一般认为在沥青层厚度1 8 c m 以内， 随着沥青层厚度的增加，车辙会逐渐增加，厚度超过1 8 c m 后则，车辙量变化不大在 1 9 9 7 年t p l 报告中，对英国的5 l 条干线公路进行开挖，发现对有充分厚的沥青路回，。 由于路床变形而产生车辙可能性很小，变形仅限于沥青混合料( 磨耗层和基层) ，当沥 青层超过1 8 c m 时，厚度和车辙深度已经不存在显著的相关关系，充分说明了对施工良 好的沥青路面，沥青层厚度大于1 8 c m 时，车辙的发生速率迅速降低【l5 1 。可见，增加沥 青层厚度会增大车辙深度这说说法是没有科学依据的；对于在沥青层下面设置沥青稳定 碎石层，相当于增加了沥青层的厚度，因此，若沥青面层和功能层的厚度设计合理，将 有利于减小车辙产生速率。 与我国半刚性基层相比，国外柔性基层车辙一般不会超过1 5 m m - 2 5 m m ，而我国的 车辙深度远远大于此值，孙立军【l5 1 在对重型轮胎作用下的路面力学响应分析中表明，基 层模量的提高，虽然对路面结构的整体强度( 弯沉) 是有利的，但是对沥青层的剪切影 响却是不利的。由于半刚性基层模量一般都较高，沥青面层一般不会发生结构性车辙， 但是较高的半刚性基层模量加大沥青层内剪切应力，从而加快了半刚性基层失稳性车 7 第一章绪论 辙，所以半刚性基层车辙深度并不比柔性基层小，反而更大。可见，设置柔性的沥青稳 定碎石功能层弱化了较高强度的半刚性基层对沥青面层剪应力的不利影响。 综上所述，各国对沥青路面的早期损坏防治措施表明，在半刚性基层上面设置沥青 稳定碎石层，不仅能够防治和延缓反射裂缝，而且可以减小路面结构性水损坏和车辙的 产生。因此，这种组合结构为解决沥青路面的早期病害，提高路面的使用性能和经济性 指明了方向。 1 3 主要研究内容 本文以浙江龙丽龙高速为依托，充分考虑浙江省的自然环境等因素，研究了适合于 浙江省公路建设特点的沥青路面典型结构，并对典型的沥青路面结构进行结构方面的设 计和相关性能的评价，为适应浙江省公路建设的高速发展，为浙江省沥青路面设计、施 工和养护决策提供科学依据。本文主要内容如下： ( 1 ) 通过调查浙江地区高等级沥青路面的病害及路面破损状况，结合我国半刚性 基层沥青路面的主要病害形式，分析路面病害产生的原因和机理及发展趋势，借鉴国外 成功经验，探讨各种结构的可行性，提出在面层和半刚性基层之间设置排水基层和沥青 稳定碎石基层两种功能层，以改善沥青路面使用性能。 ( 2 ) 采用b i s a r 3 0 程序，对具有功能层的沥青路面结构受力，确定了沥青稳定碎 石排水基层和沥青稳定碎石联结层的设置条件和设置方法，推荐出了典型的路面结构， 并验证其设置的合理性。 ( 3 ) 采用断裂力学理论和a b a q u s 有限元，预估半刚性基层结构和具有功能层的 沥青路面的荷载疲劳寿命，并对组合结构进行了抗疲劳性能的结构设计和材料设计；最 后，通过室内试验，并对沥青稳定碎石的抗裂性进行验证。 ( 4 ) 对具有功能层的路面结构，进行了抗车辙性能设计，并与半刚性路面结构的 抗车辙性能进行了对比。 8 长安大学硕士学位论文 第二章浙江地区沥青路面病害调查分析 2 1 浙江省高速公路概况 本次调研将杭宁二期高速公路、杭金衢高速公路和杭州绕城高速公路东线、南线及 北线高速公路作为代表，进行病害调查。这三条高速公路与2 0 0 2 年2 0 0 4 年建成通车， 路面结构为半刚性基层沥青路面结构。其中沥青层厚度在1 5 - 1 7 c m 之间，基层厚度在 5 0 - - - 5 8 c m 之间，路面结构总厚度在6 1 7 l c m 之间。表层材料一般采用a c l 3i 、a c l 3 调整型、a k l 3 和s m a l 3 ，基本为细粒式沥青混凝土，个别路段采用a k l 6 型沥青混凝 土，s b s 改性沥青或a h 7 0 号重交通沥青；中面层一般采用a c l 6i 型混凝土、大部分 采用了a c 2 0i 型沥青混凝土；下面层绝大多数采用a c 2 5i 型混凝土，个别高速公路采 用a c 3 0 型沥青混凝土，中下面层沥青大多采用a h 2 0 重交通沥青；基层和底基层均采 用半刚性材料，主要为二灰稳定碎石、水泥稳定碎石材料。 杭宁二期、杭金衢和杭州绕城这三条条高速所在的地区年平均降雨量在 1 7 0 0 m m 2 1 0 0 m m 之间，属于降雨量比较大的地区；夏季最高气温在2 0 0 2 年达到了 3 8 5 ，2 0 0 3 年达到了4 1 1 ；冬季最低气温在3 - 5 之间。浙江气候总的特点是雨 量丰沛，空气湿润，雨热季节变化同步，夏季高温持续时间长。同时，路段内长达纵坡 较多，路基的高填深挖交替频繁。 2 2 路面病害调查分析 2 2 1 路面病害调查 对杭宁二期高速公路、杭金衢高速公路和杭州绕城高速公路东线、南线及北线高速 公路的早期损坏进行的调查，发现大部分路段主要出现了不同程度的路面开裂、水损坏 和车辙。 ( 1 ) 路面开裂 调查发现，路面开裂是这几条高速公路的主要病害形式，主要表现为横向裂缝和龟 裂。 横向裂缝在各条高速全线几乎均有产生。杭宁二期高速裂缝全线均有产生，德清、 湖州段最多处达到2 0 条k 1 t i ；杭金衢高速公路杭绍段的裂缝多发生处单幅达1 8 条k i n ； 杭州绕城北线裂缝最多地段每公里达2 5 条有贯通和半贯通。这些横向裂缝发生在行车 9 第= 4 * 口地区沥青路面捐害调a 分析 道，而超车道则没有裂缝，对横向裂缝处进行开挖，如图图2l 和图2 2 ，发现基层严重 开裂，基本开裂成为小的裂块，基层开裂后形成的裂缝与沥青面层的裂缝相对应，表明 在交通荷载作用下，沥青层的开裂是由于半刚性基层丌裂后反射上来的，且面层裂缝几 乎是垂直于路表方向发展的。 ：y 一+ 、_ ：j 、： 1 。一一7 t ： 一 二 ， 一，。 。 一 ，一 jij t 一一一。二 醛：j 、土v t 二i 麓涠 图2 2 基层开裂后反射刊面层上 图i 3 行车道的氇裂破坏固- 4 梧数的基层 这几条高速公路个别路段在行车道上的出现了龟裂，如图23 所示。在发生龟裂的 路段通过开挖发现，半刚性基层几乎没有强度，处于松敬状态，如图2 4 所示，且台水 量较高，说明路面结构表面的龟裂与其松散状态有直接的关系。 ( 2 ) 水损坏 调查结果表明，各条高速公路水损坏现象比较普遍，主要表现为坑洞和唧浆。这些 损坏一般都产生在主车道上，且沿重车比列高的路线方向居多。杭金衙金华段连续坑洞 发生在主车道，密集处1 个1 2 0 3 0 m ，衢州段连续坑洞和唧浆也较为严重；杭州绕城北 段坑洞与修补每公里达2 3 处，且修补面积在1 平方米以上的达1 7 处。 长安女 硕士学位诒i 纛 圈2 5 路面柑主车道的呷浆蹰2 6 由于孔睬塞大引起的唧装 田2 7 由于坑橱引起的呷浆圈2 8 由于基层反射裂缝引起的唧浆 从图2 6 可以看出，由于表面层空隙率大，在行车荷载的作用下，出现了唧浆；- 有 的路段处唧浆发生在反射裂缝处，如图2 8 所示，雨水从横向裂缝进入到路面结构内， 在交通荷载作用下，路面结构出现了唧浆损坏。坑洞主要分布在行车道的轮迹带上，并 伴有唧浆，如图2 7 所示。 ( 3 ) 车辙 各条高速公路的车辙问题也比较普遍。杭宁二期高速公路余杭段、长兴段车辙产生 程度相对严重。辙槽为1 - 4 c m i 杭金衙杭绍段车辙多发生在行车道，辙槽为l - 2 c m ：图 2 9 为上坡路段超车道上的较深的车辙，对产生车辙的地方进行钻芯取样发现永久变 形主要产生在沥青面层的中面层，基层役有产生永久变形，如图21 9 所示。 笫= 章浙地e * 青路面病* 调查分析 图2 9 调查路段的车辙圈21 0 车辙处取出的芯样 2 22 路面病害机理分析 ( 1 ) 路面横向开裂分析 从路况调查来看，各条高速路面开裂主要表现在横向裂缝和龟裂。调查结果表明， 路段局部出现的龟裂主要是由于基层的强度不足，在交通荷载作用下沥青层发生疲劳 破坏。 对产生横向裂缝的原因调查可知，产生横向裂缝的主要原因是由于半刚性基层丌 裂，反射到沥青表面层。而半剐性基层开裂主要是由于旌工完后的基层强度较高，基层 材料本身具有的温缩、干缩特性，基层的内部会产生初始裂缝，在荷载和温湿变化的反 复作用下，裂缝逐渐向面层扩展，最终导致面层疲劳开裂。也进一步加剧了其它瘸害的 产生： 路面出现的反射裂缝的同时，其它形式的病害也伴随产生，如反射裂缝出的唧浆， 对其进行研究表明，水沿着裂缝进入路面结构内部，在行车荷载作用下，对基层、形成 水力冲刷，将材料中的细料唧处，在路表横向裂缝处形成唧浆。 同时，反射裂缝同时也加剧了路面其它损坏，如疲劳开裂和沥青面层的永久变形。 研究表明。界面上的水的存在改变了半刚性基层和沥青层之间的接触条件，结构不再连 续，界面形成半连续甚至光滑接触模式，这种状况对得路面的受力状态十分不利，路面 的承载力降低，路面结构更容易产生疲劳开裂和永久变形 以上分析可知，半刚性基层材料开裂是必然的，路面的反射裂缝是从半刚性基层的 缩裂开始，然后破坏由基层向面层最终发展为整个路面结构的破坏，因此这种路面破 坏模式属于路面结构性破坏，需要开挖式的维修。 ( 2 ) 沥青路短水损坏的机理分析 从调查情况来看，这几条高速公路所在的地区降水丰富。路基的高填挖比较多，在 l z 长安大学硕士学位论文 路基低洼地带路表面易积水，雨水同过以下的两种途径进入路面结构内部：由于沥青 混合料配合比设计不当和施工过程中压实度和压实均匀性不足，使沥青混凝土空隙率 大，沥青层渗水。由于基层强度不足引起的路表面网裂，以及半刚性基层的反射裂缝， 雨水会顺着裂缝进入路面内部。同时，调查中还发现这几条高速公路都对路面结构内 部排水进行有效设计，致使水被长时间的滞留在路面结构内部，水损坏形成恶性循环， 最终导致路面破坏。使路面产生一系列的水损坏，主要表现在路面唧浆( 包括反射裂缝 唧浆和坑洞唧浆) 、坑洞。 调查中发现，反射裂缝唧浆是由于路表的水顺着裂缝进入路面内部，由于半刚性基 层十分致密，水被滞留在沥青层和基层界面上，在行车荷载作用下，自由水产生很大的 压力并冲刷基层混合料表层的细料，遇水很快就成为灰浆，灰浆从连通的孔隙中被行车 压唧到路表面挤出，：在反射裂缝处形成唧浆。坑洞唧浆是由于有的地方基层强度较低， 降水通过龟裂裂缝冲刷、浸泡基层，最终使基层处于完全松散状态，若面层混凝土的质 量较低，龟裂的裂缝会转变为较深的坑洞，同时基层内的细料也会被唧出。 1 路段上坑洞的形成为：基层上面积聚的水分使沥青层和基层的接触条件恶化，沥青 底部承受很大的拉应力，沥青层在反复荷载的作用下，沥青层开裂：而下面层的公称最 大粒径较大，离析也比较严重，水集中在空隙较大的部位，受高速汽车荷载的抽吸作用， 集料从表面剥落，沥青膜逐渐被水乳化，集料松散，这种情况逐渐向上发展，最后顶破 表面，形成坑洞。 通过以上分析可知，由于沥青混合料空隙率大导致沥青层渗水，可以通过合理的沥 青混合料设计来解决；而由于反射裂缝使水分进入路面结构内部，需要先解决反射裂缝 问题。 ，( 3 ) 车辙成因分析 通过对车辙病害的分析可知，上坡路段的车辙深度较深，主要是由于在长大纵坡上，： 爬坡车速度很低，荷载与路面作用时间的增长使沥青混合料的高温流动变形明显增大；， 从开挖的芯样可以看出，由于基层采用的是半刚性材料，基层本身不会产生永久变形， 而沥青层( 特别是中面层) 永久变形较严重； 沥青面层内车辙主要是由于浙江省夏季的持续高温，沥青混合料在车轮碾压的反复 作用，其荷载应力超过了沥青混合料的稳定度极限，使流动变形不断积累形成的。影响 沥青路面车辙的主要因素有温度，交通轴载、沥青混合料类型以及路面结构形式。在路 面结构形式中，基层类型是影响车辙的很重要的因素，不同的基层类型对沥青路面车辙 1 3 第二章浙江地区沥青路面病害调查分析 的影响是不同的，研究表明，较高的基层模量对沥青层内剪应力的影响是不利的。在文 献【1 4 】中，孙立军计算分析了在沥青层厚度相同的情况下，半刚性基层沥青路面的最大 剪应力大于柔性基层上沥青层内最大剪应力，这表明半刚性基层上的沥青层剪应力较 大，产生剪切变形的可能性越大。 沈金安【1 】通过对沥青层内水平剪应力进行分析，发现半刚性基层沥青路面的沥青层 内剪应力与层间界面条件有密切关系：当沥青层下有较多积水，沥青层与基层之间界面 条件变为滑动，剪应力会大幅度增大，如果有重载车辆出现，沥青层底的剪应力会成倍 增加，从而更容易产生较大的车辙。在半刚性沥青路面产生反射裂缝，而基层几乎没有 排水能力的情况下，水分能够渗入到路面结构内部，到达半刚性基层表面的水分污染了 层间接触，使上面的沥青层内更容易产生较大的永久变形。 综上所述，通过对半刚性基层沥青路面病害调查和主要的病害形式分析可以看出， 半刚性基层沥青路面结构的的缺陷表现在： ( 1 ) 半刚性材料容易开裂，采用半刚性基层材料做基层容易产生反射裂缝； ( 2 ) 在面层形成反射裂缝的条件下，水分易进入路面结构内部，使结构将发生一 系列的结构性的水损坏，同时进一步加剧了其他病害的产生； ( 3 ) 半刚性基层材料强度较高，从路面结构受力分析看，其上沥青面层的剪应力 较大，路面容易产生车辙破坏。 可见，半刚性基层沥青路面结构所固有的缺陷和浙江地区气候和地理环境，使浙江 地区高速公路这几条具有代表性的高速公路产生了早期病害。通过对病害产生原因的分 析可知，必须从改变半刚性基层沥青路面结构形式入手，才能从根本上解决半刚性基层 沥青路面早期损害。 2 3 合理的沥青路面结构选择 2 2 1 基层的排水性对路用性能的影响 在n c h r p 和t r b 的l t p p 研究项目“设计和施工因素对路面性能的影响”中，调查 分析认为基层类型是各项性能最重要的影响因素，而基层排水与否有重要影响。美国道 路工作者1 9 5 5 年和1 9 6 0 年的研究表明，基层饱水的路面，其破坏速度速度要比具有自 由排水结构的路面快1 0 - - 4 0 倍，在冻融时期则高达7 0 0 0 0 倍