（材料学专业论文）长寿命沥青路面设计方法研究.pdf

摘要 长寿命沥青路面是指设计使用寿命大于4 0 年的沥青路面，其特点是在使用期内， 路面的损坏仅发生在表层，不会发生结构性破坏。路面维修时，不需要进行结构性的处 治，只需将表面层沥青混合料铣刨、并换成等厚度的新混合料便可，维修十分方便。长 寿命沥青路面寿命周期内的路用性能可通过周期性的养护和维修来保证。 论文首先对现行沥青路面设计指标体系进行了分析验算，确定了沥青路面的主要破 坏模式，给出了长寿命沥青路面的临界破坏状态。其次，分析了不同的车辆超载方式对 路面结构的力学响应；采用a n s y s 有限元软件，建立了车辆荷载模型及路面结构有限元 模型，确定了路面材料参数，计算分析了车辆动荷载对路面结构的力学影响。通过理论 分析及试验研究，确定了长寿命沥青路面结构设计指标及相应的标准，提出了长寿命沥 青路面设计方法。针对山东滨州地区的交通、气候及材料供应现状，进行了长寿命沥青 路面的结构设计，并铺筑了长寿命试验路。 最后，针对山东滨州大济路原路面结构和试验段路面结构，进行了寿命周期内的经 济效益分析，研究了修建长寿命沥青路面的经济可行性。 关键词：长寿命沥青路面，破坏模式，超载，动荷载，设计指标，设计方法，经济效益 分析。 a b s t r a c t t h e l o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n ti sd e f i n e da saa s p h a l tp a v e m e n td e s i g n e da n du s e df o r m o r et h a n4 0y e a r s t h ep a v e m e n td e s t r o yo n l yh a p p e n si ns u r f a c el a y e r ，n o th a p p e n s s t r u c t r u a ld e s t r o yd u r i n gt h es e r v i c e a b l el i f e w h e nm a i n t a n c i n gt h ep a v e m e n t ，w eo n l yn e e d t od i gt h es u r f a c em i x t u r ea n dr e p l a c ei tw i t ht h en e we q u a lt h i c k n e s sm i x t u r e ，a n dt h e o p e r a t i o ni sv e r yc o n v e n i e n c e t h er o a dp e r f o r m a n c ei nt h el if ec y c l eo n l yn e e dp e r i d i c m a i n t a n c ea n dr e p a i r m e n tt ok e e p f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y s ea n dc h e c kt h ed e s i g ni n d e xs y s t e mo ft h ec u r r e n td e s i g n s t a n d a r do fa s p h a l tp a v e m e n t ，d e t e r m i n em a i nd e s t r o y e dm o d e l ，a n dp u ti nt h ec r i t i c a l d e s t r o y e ds t a t eo ft h el o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n t n e x t ，u s eb i s a r3 0t oc a l c u l a t ea n d a n a l y s et h eb o t t o mr e s p o n s eo fa l ls t r u c t u r el a y e r su n d e rd i f f e r e n to v e r l o a dp r o p o r t i o n ；a n d a d o p ta n s y s10 0p r o g r a mt oc r e a t et h em o d e lo fv e h i c u l a rl o a da n dt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo ft h ep a v e m e n t ，d e t e r m i n et h em a t e r i a lp a r a m e t e r , c a l c u l a t ea n da n a l y s em e c h a n i c a l e f f e c t i o no fp a v e m e n ts t r u c t u r eu n d e rm o v a b l el o a d t h r o u g ht h et h e o r e t i c a la n a l y s ea n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，e l e c ts t r u c t u r ed e s i g n i n gi n d e xa n dt h ec o r r e s p o n d e d i n gs t a n d a r d ， p u t i nd e s i g n i n gm e t h o do ft h el o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n ，d e s i g nt h ep a v e m e n ts t r u c t u r eo f f t h el o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n tf o rt h et r a v e lc o n d i t i o n ，t h ec l i m a t i cc o n d i t i o na n dt h e p r e s e n ts t a t u so fm a t e r i a ls u p p l yo fb i n z h o u ，s h a n d o n gp r o v i n c e ，a n dc o n s t r u c tt h es o l i d p r o je c to ft r i a lp a v e m e n ts e c t i o n t h e l a s t ，a n a l y s ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a la n dt r i a lp a v e m e n tf o rd a j ir o a d ， w i t ht h es a m ea n df e a s i b l ec o s tc o m p o n e n to fl if ec y c l ea n dc o n s i d e r i n go t h e ri n f l u e n c i n g f a c t o r sd u r i n ga n a l y s i n gc o u r s e ，t or e s e a r c ht h ee c o n o m i cf e a s i b i l i t yo fc o n s t r u c t i n gt h e l o n g l i f ea s p h a l tp a v e m e n t k e y w o r d s ：l o n g - l i f ea s p h a l tp a v e m e n t ，d e s t r o y e dm o d e l ，o v e r l o a d ，m o v a b l el o a d ， d e s i g n i n gi n d e x ，d e s i g n i n gm e t h o d ，e c o n o m i cp e r f o r m a n c ea n a l y s e 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，均己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：刁雹嚏油p 艿年z - 月e t 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：可豫秀加8 年4 - 月z 6e l 导师签名： 中名噻 咖年月刁e t 长安大学硕十学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 近年来，我国的公路建设事业得以迅猛发展，特别是高速公路建设取得了引人注目 的成就。在已经建成的高速公路沥青路面中，大部分路面的使用状况比较好。不过，我 们也清楚认识到，由于我国高速公路建设起步晚，技术力量储备较少，经济基础较差， 以及我国的气候和交通荷载条件恶劣，交通量的不断增长和轴载的明显增大等原因，铺 筑的高速公路路面结构还存在种种问题，一些路段的建设水平并不如人意，甚至在通车 的一、二年内，就出现了诸如车辙、开裂、泛油、坑槽等不同程度的早期损坏现象，不 得不进行大面积维修，严重的影响了路面的使用功能和寿命。不仅对社会、交通造成了 很大的影响，在经济上也造成了很大的损失。近年来，如何防止高速公路的早期病害、 延长其使用寿命已经引起我国道路工作者的高度重视。 为适应日益增长的交通量、重载和超载车辆的不断增长，同时考虑到车辆动荷载对 路面结构的影响，一些新路面结构类型和新材料、新工艺已在我国得到比较成功的应用。 研究和总结这些新沥青路面结构和沥青路面的新技术，特别是近几年出现的新型结构， 对于加快我国高速公路沥青混凝土路面的建设步伐，提高工程质量，完善沥青混凝土路 面的使用性能，延长其使用寿命i 节约投资，具有十分重要的意义，但是这并不能从根 本上解决问题。在沥青路面结构问题上，我们也需要放眼世界，转变观念，与时俱进， 引进国外的先进技术，改变目前我国路面结构单一的状况，根据具体的气候、交通、材 料、经济等各种具体条件选择合理的沥青路面结构，进行沥青路面设计，因此出现了长 寿命沥青路面的设计理念。 长寿命沥青路面( p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ) ，又称为长效性沥青路面、永久性沥 青路面，是国际道路工程界基于寿命周期总费用最经济的原则提出的新技术，但它并不 是一个新的概念，早在2 0 世纪6 0 年代，北美地区已经开始修建全厚式沥青路面结构和 加厚式沥青路面结构。这类路面的主要优点是可以减少疲劳裂缝发生的可能性，并使路 面可能发生的破坏限制在路面结构上部，维修时只需更换表面层。 长寿命路面并不是一直不破坏，而是指路面的损坏仅发生在路面结构上部，维修时 不需要进行结构性处理，只需将表面混合料铣刨、并换成等厚度的新混合料便可。国外 的长寿命沥青路面设计寿命至少为4 0 年，追求5 0 年，即5 0 年不进行结构性的维修。 第一章绪论 长寿命路面的优点在于路面寿命期内的维修费用较低，由于不需要结构性的大修， 可以节省大修费用，同时也减少了日常养护的工作量和费用，由养护和大修而对交通的 干扰、甚至封闭也可以减少。这种沥青路面在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至于南 非都已广泛研究。但到目前为止，都没有相应的设计方法，在我国开展长寿命沥青路面 设计方法的研究将是非常有意义的工作。 1 2 国内外研究现状 当前各国的沥青路面结构设计方法大多都没有考虑路面结构各层在抵抗疲劳、车辙 和温缩裂缝中所起的作用。在道路的服务期中，各结构层有其各自的特性，因此需要使 用一种改进的结构设计方法对各结构层进行分析。但是诸如加州承载比( c b r ) 及美国 公路运输协会( a a s h t o ) 结构系数法这类的经验方法，都不能有效地考虑沥青各面层 的各自作用。美国沥青协会( a p a ) 对长寿命路面做了大量研究并与奥本大学合作推出 了“p e r r o a d 2 4 ”，欧洲国家成立了“长寿命路面研究组 。我国一些道路工作者也在进 行长寿命路面的研究。国内外对长寿命沥青路面的研究还处于起步阶段，其设计方法在 设计参数、设计标准上没有一个统一的标准，还处在发展完善当中。无论我国的“强基 薄面设计思想，还是英国n u n n 的调查以及美国的l t p p ( 长期路面性能) 研究都为长 寿命沥青路面设计提供了各方面的信息。 1 2 1 国外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，道路工作者就开始运用力学方法进行沥青路面结构设计，但真正的 发展和广泛的运用始于2 0 世纪8 0 年代。在美国，伊利诺斯州、肯塔基州明尼苏达州和 华盛顿州现在都已经采用了这类设计方法，美国道路科研院( n c h r p ) 研究制定了一 种新的基于力学的设计指南，它被a a s h t o 采纳。 这种方法很像用于桥梁、房屋建筑和水坝的工程方法，就实质而言，就是运用力 学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。如果确定了结构的某一临界状态，就能针 对这类损坏来选择合适的材料和层厚。长寿命路面所采用的设计原则为：面层要有足够 的刚度抵抗车辙，基层要有足够的厚度和柔度避免出现疲劳破坏。m o n i s m i t h 在1 9 9 2 年 的t r b 会议上完整地提出了这种设计方法，整个设计流程如图1 1 所示。材料、交通、环 境以及服务性能相互影响并共同决定了所需要的路面结构组合。而对于保证路面不出现 结构性损坏的控制标准，m o n i s m i t h 禾n l o n g 建议控制沥青层底的弯拉应变6 0 p ，基顶 2 长安大学硕 ：学位论文 压应变一 m ，按公式( 5 1 ) 根据室内疲劳试验结果计算的材料现场疲劳寿命。 n ，：s f n 缸b( 5 1 ) t c f 式中：n r 实际路面结构中的疲劳寿命； l a b 沥青混合料室内试验的疲劳寿命； s f - 由加载频率、裂缝发展、混合料自愈合、交通间歇期、施工变异性引起 的修正系数；t c f _ 温度修正系数。 由于沥青混合料受不同地区原材料、气候条件等影响，国外的标准未必适合我国的 沥青混合料。国际上，沥青混合料的极限应变值还没有统一，美国的永久性路面设计中 规定，一般非改性沥青混合料为6 0 - 7 0 1 a e ，改性沥青混合料可以提高到1 0 0 1 a e 。 2 、半刚性基层层底拉应力指标 半刚性基层材料一般可以表现出两种破坏模式，正常意义上的疲劳破坏和压碎破 坏。对于压碎破坏，由于在常规试验中已对材料性能加以验证，一般很少发生在路面结 构中；而半刚性基层材料相对来说脆性较大，对于疲劳破坏，大多属于荷载作用下的短 5 7 第五章长寿命沥青路面设计方法 时间断裂破坏，一般以结构层底面或层中最大拉应力作为控制疲劳寿命的临界指标。 因此，建议仍然继续沿用现行规范的半刚性基层的层底拉应力指标来控制半刚性基 层底面的开裂破坏。路面结构设计时，应满足半刚性基层和底基层材料的层底拉应力小 于材料的容许拉应力值。 半刚性基层和底基层材料的容许拉应力o r 应按下式( 5 2 ) 计算： g r = ( y s k s ( 5 2 ) 式中：o r 路面结构层材料的容许拉应力( m p a ) ； o s 沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度( m p a ) ； k s 抗拉强度结构系数。 3 、面层抗剪指标 在长寿命沥青路面结构设计中，除采用以上设计指标和验算指标来控制沥青混凝土 路面结构寿命来获得结构的长寿命。另外，表面层沥青混合料处于很恶劣的工作环境中， 需要保证材料的良好性能，以避免过早出现局部损坏。因此，有必要再增加一个抗剪指 标以控制面层局部损坏过早发生，抗剪指标主要用于表面层沥青混合料设计。 实际上，道路中荷载引起的最大剪应力应小于抗剪试验所得的混合料最大抗剪强 度；抗剪强度公式如下： f = c + 仃。辔缈 ( 5 3 ) 沥青混合料的容许剪应力按下式计算： 带去 g 4 式中：盯。结构层可能破坏面上的正应力； c 材料的粘聚力；r 材料的内摩擦角。 t r 容许剪应力；k 广抗剪强度系数； 4 、土基顶面的压应变指标 沥青混凝土路面结构设计初始，其主要目的就是为保护路基土使之不经受车辆的直 接作用，通过路面传播至土基的应力被扩散而不会造成土基过大的沉降。这一点反映在 设计思想及设计方法上，主要是控制土基顶面应力及垂直位移量。传统的路面结构设计 是以强度为第一设计指标，而现代高速公路的功能性设计是以变形为第一控制参数，车 辙和路面丌裂已成为沥青路面设计时的两种主要设计标准。 长安人学硕上学位论文 路面开裂是通过控制沥青层的层底拉应变和半刚性基层的层底拉应力来满足要求 的。但车辙深度及控制措施在现行规范中并无切合实际的计算方法及处理办法，若车辙 属于表面车辙，则只发生在沥青层，进一步罩面设计就能保证结构良好；若车辙属于结 构性车辙，则是由路面各结构层的永久变形累计形成的，其中路基土的永久变形直接控 制着结构性车辙的车辙深度，在施工上主要是通过压实度来加以限制：在设计上，建议 采用基顶压应变作为控制路面总变形量的设计指标。 由于对路基土的试验很少，美国的永久性路面建议路基土垂直压应变应小于2 0 0 1 a z 。 5 3 长寿命沥青路面设计方法 各国的沥青路面设计方法，归纳起来起来可分为经验法和力学。经验法两大类。所 谓“经验法是指在试验路数据基础上开发出的路面设计方法，经验法主要通过对试验 路或使用道路的实验观测，建立路面结构( 结构层组合、厚度和材料性质) 、荷载( 轴 载大小和作用次数) 和路面性能三者间的经验关系；所谓“力学经验法 是将工程力 学的原理应用于路面工程设计，力学经验法首先分析路面结构在荷载和环境作用下的 力学反应量( 应力、应变、位移) ，利用在力学反应量与路面性能( 各种损坏模式) 之 间建立的性能模型，按设计要求设计路面结构。 然而，由于材料的复杂性、变异性，现有的力学法好无法全面解释路面的各种行为， 特别是环境行为和变异行为。因此，设计人员不得不对力学方法的结果进行经验的修正， 并且随着分析、试验和计算水平的提高，力学经验方法中的经验成分会越来越少，力学 成分越来越多。 长寿命沥青路面设计方法继承了现有设计方法的优点，而且在结构、材料设计方面 更具科学性。 l 、结构设计 仍采用弹性层状体系理论作为理论基础。即：各层材料都是均匀的、各向同性的： 土基在深度和水平方向均无限：路表同时作用垂直荷载和水平荷载；水平方向和深度方 向的应力、应变和位移均为零；层间接触有完全连续、完全滑动和层间产生相对水平位 移三种情况。 此外，在进行长寿命沥青路面结构的力学计算时，为保证结构的安全性、可靠性以 及足够的使用寿命，需对现行规范提供的力学计算图示( 双圆均布垂直荷载) 进行改进， 以期较好的接近真实的路面结构及荷载作用形式，能比较客观地反映路面结构中真实的 5 9 第五章长寿命沥青路面设计方法 力学情况。 对于相同的车辆荷载和路面结构，轮载作用力的大小和分布形式不同，在路面结构 内产生的力学响应，尤其是轮载作用面附近的力学响应，会有很大的差别。作为正确描 述路面结构、尤其是轮胎附近路面结构力学响应的基础和前提，就需要准确了解实际轮 胎接地压力的分布形式和量值大小。 2 、结构层材料设计 按照路面结构中各结构层的功能来设置。由于长寿命沥青路面的损坏只发生在沥青 面层，沥青面层本身首先应具有较高的强度和稳定性，以抵抗大规模车辆荷载的重复作 用引起的变形。这就要求材料的选择、混合料的设计以及性能评价试验要有针对性的进 行。混合料的设计方法应当与路面损坏模式相联系、由经验设计为主转向按照路面性能 进行设计为主。混合料的刚度需要根据混合料所处的层位和功能要求( 车辙或疲劳) 来 优化选择。 ( 1 ) 沥青混合料下面层用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳，大量研究 指出，高沥青含量有助于防止沥青混合料的疲劳裂缝，另一方面，路面结构有足够的厚 度也可以降低路面底层的拉应变水平。 沥青混合料中间层须兼顾稳定性和耐久性。其稳定性可以通过粗集料问骨料的相互 接触( 骨架密实型级配) 以及高温稳定性好的胶结材料来获得，其设计可按标准 s u p e r p a v e 方法确定最佳沥青用量，并应进行车辙及水敏感性等性能评价试验。 沥青混合料表面层的材料要求一般更多的是取决于当地的经验和经济条件，当考虑 车辙、耐久性、透水以及磨耗等方面的原因而选择s m a 时，要尽量降低混合料的现场 空隙率，以保证其耐久性。对于中等交通量的道路，一般采用s u p e r p a v e 密级配混合料。 此时须对混合料进行性能试验，例如车辙试验等。对采用的胶结料，p g 等级的高温部 分应比工程所在地区常用胶结料至少高一个等级，低温部分的采用应保证有9 5 - - 9 9 的可靠度。 ( 2 ) 路面结构基层：长寿命沥青路面在使用期内不需要对路面进行结构性大修， 这首先要求路面结构应具备足够强的基挚层，最好采用整体性好的材料，同时要考虑整 体性材料的干缩和温缩性能以及良好的抗弯拉疲劳破坏的能力，和一定的抗车辙能力。 a 、半刚性基层材料承载力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小而且投资经济， 缺点在于这种材料变形小，特别是温缩、干缩变形大，易开裂，属于脆性材料。 b 、柔性材料如级配碎石、沥青稳定碎石等等属于粘弹性材料，韧性好，有一定的 长安大学硕十学位论文 自愈能力，但变形大，弯沉大，因此路面厚度也大，投资成本亦高。 c 、级配碎石是将一定的级配的碎石碾压而成的一种材料，由于不使用胶结料，这 种材料不具有抗拉的能力，因此有的将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应 力消散层，作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。对于柔性路面的结构层，由于承载能 力不高，级配碎石一般用于铺筑底基层，或者路基上的整平层，用以加强路基。 长寿命沥青路面设计流程图如下： 收集调查 交通量并 计算累计 当量轴次 和超载率 气象资料、 材料调查 及材料选 择 材料容许弯拉 应力计算及试 验确定混合料 的应变极限 土基类犁 划分、确定 土基同弹 模量 是否加固 路基? 初步拟定路面结构方案，进行厚度与模量组合计算 调查现有路 面破坏情况 计算确定 现有路面 的损坏模 式 调整结构，确定最佳厚度组合与材料的最佳抗压回弹模量组合 进行劈裂试验、疲劳试验，得到材料 极限抗拉强度os p 、疲劳作用次数 确定容许拉应力or 以及疲劳极限值 测定各材料的 抗压回弹模量 以材料的实际参数进行结构的力学分析( 超载、动 荷载、温度及耦合等) ，进一步调整路面结构 验算防冻厚度 进行寿命周期内的经济效益分析，最后确定采用的路面结构 图5 2 长寿命沥青路面设计流程图 6 l * i 审妊寿肯路面* 方往 5 3 长寿命沥青路面设计示例 纵观国内外关于长寿命路面的研究和我国的经济发展，全厚式沥青路面短期内在我 国推广尚不现实根据我国国情，复合式基层沥青路面与半刚性基层沥青路面将是本课 题研究的重点，在上述设计方法的基础上，课题组结合h p d s 软件、东南大学设计软件、 s h e l l b i s a r3 0 对仞步拟定的三种长寿命路面结构进行计算与验算，最终研究确定三 种试验路方案( 见表51 ) 。 表5 1 试验路路面结构形式 方案 j 雎( c m )青层厚度( c m )总厚度( c m )* 青层厚度( c m ) 6 93 16 7 2 7 二- - _ ；二：；现。 驰“ i 善霉。* 勰i 。1 3 黜 。，i l 蚍c 2 06 c m = ：= ：= _ f a n c 2 5 。 1 。2 c “一。_ f a c2 5 8 c m ：= ，一a t b 3 012 c m 。 i 一荻雌石 2 0 c m 。一。j 。t j “”“ = 莸碎石 l r c m 一一”。= 2 “ 2 0 。 女$ = 总月度( c m )青层厚度( c m ) 7 c 口善i 焉f a c 2 5 。弱 f ! 嚣”8 器 垃一_ j i 4 2 8 “0 2 4 5 。“。 下面以方案二为例来说明长寿命沥青路面的设计。 l 、对山东滨州地区交通量和超载情况进行调研，根据山东滨州公路局提供的交通 量数据表5 2 ，以半刚性材料层的拉应力为设计指标，按照公式( 55 ) 进行累计当量轴 次的换算 = 喜嘞 匀 考虑到交通量预测具有不确定性，有必要引入安全系数 ( 55 ) 札= rn 。 ( 56 ) 式中：r 设计可靠度系数，9 5 可靠度水平时取16 4 。 设计使用年限按4 0 年算得到设计年限内一个车道的累计当量轴次为2 3 3 0 7 8 5 ， 考虑安全系数的累计当量轴次为3 8 2 2 4 8 7 。 长安大学硕十学位论文 表5 2 大济路交通组成及交通量 序 车型前轴重( k n )后轴重( 1 洲)后轴数 后轴轮 后轴距 交通 号 组数 j 未 里 1 北京b j l 3 0 1 3 5 52 7 21 双轮组 ( m )1 5 5 5 解放擦 22 4 5 6 8 61双轮组3 2 8 c a l 4 1 3黄河j n l 5 04 91 0 1 6l 双轮组 2 6 4 会客h k 6 6 7 0 1 93 9l 舣轮组 1 2 3 4 5 沈飞s f 6 6 23 87 2 8l双轮组1 5 0 6 解放9 2 0 0 3 1 37 81 双轮组 33 0 9 交通平均增长率4 车道系数o 3 5 长寿命沥青路面设计理念可知，长寿命沥青路面结构设计一般不考虑交通量，只考 虑实际轴载的超载影响，通过对滨州地区交通组成的调查，当地车辆的超载达到4 0 。 2 、土基回弹模量的确定：山东滨州大济路位于i i5 a 区，本段所经地表水体主要为 雨水的沟渠滞留水，地下水位较高，属中湿到干燥状态；沿线地层土性为黄河沉积物冲 洪积土体，表层覆盖填筑土，以砂土、亚砂土为主。查公路沥青路面设计规范j t g d 5 0 2 0 0 6 附录f 可得e o = 3 2 m p a 。 3 、结构组合材料选取：根据滨州公路局提供的原材料，通过室内试验对各原材料 基本参数的测定，并结合当地路面结构常用材料，确定沥青路面各结构层的材料依次为 s m a - 1 3 、a c 一2 0 和a c 一2 5 及二灰稳定碎石。上面层采用玛蹄脂碎石s m a 1 3 ，沥青采 用s b s 改性沥青、粗集料采用玄武岩；其他面层采用a h 7 0 号重交通道路石油沥青、 细集料采用优质石灰岩石料；基层采用二灰稳定碎石。 4 、设计指标的确定： ( 1 ) 各结构层材料的容许拉应力的确定：采用1 5 。c 的、加载速率为5 0 m m m i n 的 室内劈裂试验测定各材料的劈裂强度，根据公式( 5 2 ) 对各材料的容许拉应力进行计 算如下：s m a 一1 3 ：0 7 3 m p a ；a c 2 0 ：0 4 4 m p a ；a c 一2 5 ：0 3 9 m p a ；a t b 一2 5 ：0 3 9 m p a ； 二灰稳定碎石：0 3 7 m p a 。 ( 2 ) 沥青混合料的疲劳极限：课题组利用山东省交通科学研究院的u t m 1 0 0 力学 试验机和三分点重复弯曲小梁疲劳试验机。采用应变控制方式，对山东滨州地区的沥青 混合料进行疲劳试验，测定a c 一2 0 沥青混合料的疲劳性能。在2 0 。c 条件下，选取7 0 1 a 、 1 0 0 9 e 、2 0 0 1 x e 、4 0 0 1 r e 的应变控制水平，进行荷载频率为1 0 h z 的正弦波加载试验。采用 6 3 第i 章妊寿命沥青镕面世计方法 改进的s h r p d e s i g n a t i o n ：，m - 0 0 9 的疲劳寿命计算方法进行数掘处理。 按照公式( 52 ) 计算a c 一2 0 混合料在实际路面结构中对应8 0 衅和7 0 p e 的疲劳寿 命分别为2 1 1 07 和52 1 0 7 ；大于山东滨州地区4 0 年并考虑安全系数的累计标准轴次 38 x l 矿，由此确定了滨州地区沥青混合料的疲劳极限推荐值为7 0 8 0 p z 。 ( 3 ) 面层材料抗剪强度确定：采用三轴试验仪，在6 0 ( 2 进行三轴压缩试验，测定 沥青混合料的抗剪强度参数内摩擦力c 和内摩阻角m 。试验测得沥青混凝土面层s m a - 1 3 的c = 02 m p a ，9 = 3 7 。，结合设计年限内一个车道的累计当量轴次进行计算，根据公式( 5 5 ) 得到滨州地区沥青玛蹄脂s m a 1 3 的t r = 02 3 8 m p a 。 ( 4 ) 山东滨州地区属平原区，地势平坦开阔；属东亚暖温带湿润大陆性季风气候， 四季分明降水集中日照丰富，季风盛行。根据现有的气象资料，年平均气温 1 2 2 - 1 2 4 7 ，极端最高气温4 09 c ，极端最低气温一2 27 ，年最大降水量为9 5 68 m ， 年平均降水量5 8 94 m 5 9 36 m ，降雨集中在7 - - 9 月份：年平均蒸发量1 8 8 1 8 m ，年平 均相对湿度6 5 ；年平均风速27 3 1 m s ；最大冻土深度5 0 c m 。 通过对各结构层厚度与模量组合的大量验算推荐下面的路面结构： 图5 3 新建路面结构示意图 对上述结构进行标准轴载、超载4 0 和动荷载作用f 路面结构沥青层层底拉应变 半刚性基层层底的拉应力、表面层的剪应力厦土基项面的压应变进行计算如下表53 。 表5 3 新建路面结构计算 标准轴载4 悯载动荷载 沥青层层底应变( e ) ： c2 53 27 62 56 3 半刚性材料基层层底 00 4 5 8 0 o “l0 0 5 7 1 层底拉应力( n l p a ) 底基层层底0 1 5 2 l 土基项面压应变( c )5 86 4 s l 一1 3 与a c - 2 001 9 501 6 8 剪应力( h p a ) a c 一2 0 与a c 2 501 6 801 4 3 由上述计算结果可知，各设计指标都满足要求，新设计结构是合理的。 长安火学硕j ：学位论文 5 4 本章小结 本章在前面几章的基础上，给出了长寿命沥青路面的界定：长寿命沥青路面并不是 一直都不破坏，而是把病害限制在路面表层，通过定期的表面修复，防止表面病害影响 路面结构稳定，保证路面在相当长的设计年限内不发生结构性损坏( 4 0 年以上) 。为此 提出了长寿命沥青路面的设计控制指标和设计方法。 ( 1 ) 长寿命沥青路面的设计控制指标： 沥青层的层底拉应变指标：用以控制沥青层的疲劳开裂；国际上，沥青混合料的极 限应变值还没有统一，美国的永久性路面设计中规定，一般非改性沥青混合料为6 0 - 7 0 1 a e ，改性沥青混合料可以提高到l 0 0 1 m 。疲劳极限建议采用疲劳试验实测值。 半刚性基层的层底拉应力：用以控制半刚性基层的疲劳开裂；而材料的容许拉应力 采用特定条件下的室内劈裂试验测定各材料的劈裂强度而求得。 面层抗剪指标：用以控制面层局部破坏过早发生，而面层混合料的抗剪强度则是通 过三轴压缩试验测定混合料的内摩擦角q 和内摩阻力c 来计算。 基顶压应变：作为控制路面总变形量的设计指标，以此来预防结构性车辙的出现； 对路基土的试验没有可行的方法，采用国外的永久性路面建议路基土垂直压应变限制值 2 0 0 9 e 。 ( 2 ) 长寿命沥青路面设计方法 结构上：仍采用弹性层状体系理论，在原有力学计算的基础上，需要考虑车辆超载 和动荷载、以及荷载力的作用大小和分布形式对路面结构的影响。 材料上，按照路面结构中各结构层的功能来设置。针对不同结构层在路面结构中所 发挥的作用的不同，要求材料的选择、混合料的设计以及性能评价试验要有针对性的进 行。 最后，按上述设计方法设计了山东滨州长寿命试验段路面结构。 6 5 第六章太济蹄* 寿命试验路工程 第六章大济路长寿命试验路工程 6 1 试验路结构方案说明 结构一 s m a 一1 3 肌a c 一2 0 f a c 2 5 a t b 一3 0 二灰碎石 二灰碎石 5 c m 6 c m 8 c m 1 2 c m 2 0 e m 1 8 c m 该结构主要参考了国内外长寿命路面典型结构，沥青层总厚3 1 珊。二灰碎石半刚 性基层的作用为其上部结构提供坚实的基础，以减少层底拉应力。高模量h m a c - 2 0 主 要起到抗车辙作用，a t b 3 0 。方面作为路面结构中的抗疲劳层，同时也起到抵抗层底 反射裂缝的作用。 结构二 结构二降低了沥青层的厚度，以降低造价。改性沥青a c 一5 的设置是为了改善基层 与面层之间的连接状况，提高界面抗剪强度，以增加沥青层抗剪切、推移变形的能力， 同时也起到应力吸收层和封层的作用，以防止反射裂缝的发生。 结构三 s m a 一1 3 5 c m 珊a c 吒0 6 c m f a c - 2 5 7 c m 土i 隔栅应力吸收层l c m 二灰碎石 3 2 e m 水耗耪煤灰稳定碎石 1 8 c m 结构三在结构二的基础上太幅减少了沥青层厚度，以降低路面造价。主要考察从降 低车辙速率角度出发的沥青层厚度临界值1 8 珊是否能实现路面的长寿命。 黜罂 i l溅筹 一一 长安大学硕上学位论文 6 2 试验路沥青混合料配合比设计 我国施工技术规范规定配合比设计分为目标配合比设计、生产配合比设计和生产配 合比验证三个阶段。生产配合比设计是为了将目标配合比设计阶段混合料的级配组成和 沥青用量放大到沥青拌和机上。由于沥青拌和机生产沥青混合料过程与试验室配合比设 计过程间存在较大的差异，因此要考虑许多实际问题，课题组根据现场现有拌和设备的 特性，进行大量试验，以更好的进行试验路的铺筑。 6 2 1a t b 2 5 由于施工现场原材料的限制，临时将所有结构中a t b 3 0 沥青混合料调整为a t b 2 5 沥青混合料。 表6 1a t b - 2 5 目标配合比 筛孔 3 1 52 6 51 9 1 61 3 29 54 52 3 61 1 8o 60 30 1 50 0 7 5 通过 百分率( ) 1 0 09 3 26 1 5 65 6 2 85 2 44 6 4 8 3 4 2 92 3 11 8 4 4 1 38 9 36 0 74 5 7 表6 2a t b - 2 5 生产配合比 筛孔尺寸矿粉4 撑仓3 撑仓2 撑仓 1 撑仓合成通过百分率( ) 3 1 51 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0 2 6 51 0 09 0 61 0l o o1 0 09 5 1 l 1 91 0 03 3 7 51 0 01 0 01 0 06 5 5 5 1 6 1 0 0 2 2 31 0 01 0 01 0 05 9 6 通 过 1 3 21 0 01 2 41 0 01 01 0 05 4 4 4 8 质9 51 0 0 3 67 4 51 0 01 0 04 5 5 3 7 量 百 4 51 0 02 6 55 78 2 91 0 03 2 3 2 1 分 2 3 61 0 02 2 52 1 5 67 3 42 1 0 1 1 比 ( ) 1 1 81 0 01 91 84 64 7 91 5 1 0 8 0 6 1 0 01 61 63 82 6 71 0 2 0 6 0 31 0 01 2 51 53 4 1 4 1 7 2 1 1 o 1 59 8l1 12 885 5 7 5 0 0 7 57 7 o 8 0 92 1 64 3 2 5 比例( )0 5 20 1 7o 0 60 2 2 6 7 第六章人济路长寿命试验路t 程 图6 1a t b 一2 5 级配曲线 试验结果证明a t b 一2 5 沥青混合料设计结果符合公路沥青路面施工技术规范 j t g f 4 0 - - 2 0 0 4 的技术要求。 6 2 2s m a 1 3 表6 3s m a - 1 3 目标配合比 筛孔 1 61 3 29 54 7 52 3 61 1 8o 6o 3o 1 50 0 7 5 通过率 ( ) 1 0 0 0 09 4 1 16 9 0 73 0 9 92 4 0 42 0 8 51 7 7 81 5 3 91 2 9 l9 9 7 最佳 纤维相对毛体积 空隙率 矿料 沥青 油石比 含量密度 ( ) 间隙率 稳定度流值 饱和度 ( k n )( m m ) ( )( ) ( g c m 3 ) ( )( ) 6 30 32 3 8 33 91 7 67 8 73 6 97 7 6 动稳定度( 次m m )谢伦堡沥青析漏试验( )肯塔堡飞散试验( ) 3 3 2 0o 0 77 1 表6 4 热料仓配合比 仓号 4 撑321 矿粉 材料规格( m m )2 0 x 2 01 2 1 26 x 63 x 4 用量比例( )4 23 368 1 1 试验结果证明s n a 1 3 沥青混合料设计结果符合公路沥青路面施工技术规范 j t g f 4 0 - - - 2 0 0 4 的技术要求。 6 8 长安大学硕十学位论文 6 3 施工工艺 1 、摊铺 首先要把摊铺机运行板加热至1 0 0 。c 以上，由于混合料拌合站距施工现场4 0 公旱， 运距较远，至少当三辆运输车辆抵达现场后，摊铺机才开始摊铺混合料。为防止混合料 离析，采用两台摊铺机前后相隔1 0 - 2 0 米，成梯队式向前连续摊铺。a t b 摊铺速度控 制在1 米分钟，其他层摊铺速度控制在2 米分钟。 2 、厚度及高程控制 采用钢丝挂线的引导方式来控制摊铺厚度，并且在摊铺过程中有专门人员随时检测 摊铺厚度，随时纪录。 3 、温度控制 沥青混合料施工温度控制是保证沥青路面施工质量的重要环节之一。温度过高会导 致混合料的过渡老化，而温度过低则会使碾压难以进行，最终导致路面压实度不足，施 工温度控制应按照下表进行。 表6 5 各混合料的施工温度控制 摊铺温度初压温度复压温度终压温度 a t b 2 51 5 0 1 6 0 1 2 0 1 4 1 3 l 1 0 0 1 2 0 猡o 应力吸收层 1 6 5 1 7 0 1 6 0 1 6 5 1 5 5 1 6 0 1 2 0 a c 一2 51 5 0 一1 6 0 1 3 0 1 4 0 1 3 0 1 3 5 8 0 a c 2 01 6 5 1 7 0 1 6 0 1 6 5 1 5 5 1 6 0 1 2 0 s m a 1 31 6 5 1 7 0 1 6 0 1 6 5 1 5 0 1 6 0 兰1 2 0 4 、碾压 沥青混合料的压实按初压、复压、终压( 包括成型) 三个阶段进行，碾压工艺根据试 铺试压决定，碾压采用的施工机械、压路机的速度按照公路沥青路面施工技术规范 的指导意见执行。 应力吸收层采用短距离碾压，紧跟摊铺机，保持距离在3 0 m 内。 由于施工温度高于其他种类改性沥青混合料，因此施工时更要强调“紧跟、慢压 。 采用短距离碾压，紧跟摊铺机，保持距离在3 0 m 内。 5 、接缝处理 由于试验路铺筑在k 2 3 + 7 0 0 - - - , k 2 4 + 7 0 0 左半幅，且沥青层较厚，所以在道路中线处， 6 9 第六章大济路长寿命试验路工程 左侧的a t b 一2 5 下面层与右侧的二狄碎石基层向接。施工前，沿直线把松散的二灰碎石 凿去，并且使二灰碎石边缘成垂直立面。碾压时，压路机贴近二灰碎石边缘振压。 两个摊铺机摊铺的沥青混合料应搭接5 - 1 0 c m ，防止中间开裂。 横向接缝处理：首先用6 米尺测出已摊铺路段低头部分，沿直线凿去，并使边缘成 垂直立面。混合料摊铺后，先用压路机沿横向接缝稳压2 遍( 钢轮一侧1 0 - - 1 5 c m 部分 位于新铺沥青混合料上，其余部分在已铺筑路面上) ，然后振压( 整个钢轮都在新铺沥 青混合料上) 。 6 、其它工艺 a c 一2 5 层在复压完成后，用6 米尺测出高于3 m m 的点，并用d d 1 1 0 压路机横向 压至平整。 s m a 一1 3 层在摊铺过程中用平衡梁作为找平基准来控制平整度。在复压完成后，用 6 米尺测出高于3 m m 的点，并用d d 一1 1 0 压路机横向压至平整。 6 4 本章小结 山东大济路长寿命沥青路面试验段于2 0 0 6 年9 月8 日铺筑完毕。试验路经过精心 设计，精心施工，现场测试，试验结果说明，试验路的各项性能指标均达到了预期的设 计要求，为长寿命沥青路面在国内的进一步推广应用积累了实践经验。 7 0 长安人学硕上学位论文 第七章沥青路面寿命周期内经济效益分析 近十年来，工程经济分析在我国得到了广泛的应用，虽然各部门的项目评价方法各 有特点，但基本上都是以费用效益分析为基本理论，费用效益分析也称为经济效益分析， 是从宏观角度来评价工程项目的经济效果。 对于不同的路面结构，我们很难直观地判断其优劣，必须借助于科学的分析工具一 一寿命周期费用分析，以经济分析原理为基础来评价可选投资方案的长期经济效益，然 后进行经济比较，才能从整个寿命角度去选择最经济合理的路面结构或改建方案。目前， 国内外也都倾向于