荣乌高速公路沥青路面结构设计方案对比

陈 晓 娟

(宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)

荣乌高速公路沥青路面结构设计方案对比

陈 晓 娟

(宁夏建设职业技术学院，宁夏 银川 750021)

为了延长路面的使用寿命，对荣乌高速沥青路面结构方案分别采用半刚性基层和复合式基层进行了计算分析，指出ATB复合式基层路面结构受力条件好，耐疲劳，推荐作为路面实施方案。

路面结构，半刚性基层，复合式基层

在我国已经建成的高等级公路中，采用的路面结构形式以沥青路面为主。沥青路面结构约占总量的80%～90%，在沥青路面中95%采用的是半刚性基层沥青路面。半刚性路面其反射裂缝是不可避免的，这些反射裂缝的出现严重影响了汽车的行车安全及路面的长期服务性能，从而致使沥青路面在远未达到设计寿命前就要进行大修，特别是需要进行结构性的大修。为了解决半刚性基层路面结构的这种病害，结合道路沿线的自然环境及交通水平，借鉴国外长寿命沥青路面的设计理念，针对荣成至乌海高速公路山西境内山阴至平鲁段拟定两种路面结构方案进行对比分析，选择一种受力条件好、耐疲劳的路面结构进行施工。荣乌高速公路建设标准为平原微丘区双向四车道高速公路，路基宽28 m，计算行车速度采用120 km/h。路面结构方案见图1，图2。

1 路面结构计算说明

1.1 设计材料参数

路面结构设计方案中各种材料的抗压回弹模量的取值参照现行JTG D50-2006公路沥青路面设计规范取推荐的中值。在我国推荐路基的泊松比定为0.35，其余各材料没有规定明确的推荐值，建议其余各材料的泊松比取值范围定在0.2～0.5之间。本文根据沥青混凝土路面泊松比的国内设计资料，最终确定沥青混凝土的泊松比定为0.35，半刚性基层的泊松比定为0.25，土基的泊松比定为0.35。具体的材料参数取值见表1。

表1 材料参数表

1.2 设计车轮荷载

鉴于如今车辆轴重的逐渐增大，本文采用以下方式进行超载计算：货车超载时，轮胎的充气压力和作用面积均有所增加。计算时考虑了5个轴载等级，具体计算参数见表2。

表2 不同轴载作用下轮胎的压力与作用圆半径

本文采用的具体的力学计算图示如图3所示。

1.3 层间计算条件

沈金安在《高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策》一文中对沥青路面的层间接触条件提出了如下观点：

1)沥青层各层与各层之间完全连续；2)沥青层与级配碎石层之间按滑动来计算；3)沥青层或级配碎石与无机结合料稳定集料之间的层间条件，一般认为在半刚性基层材料未损坏之前可按连续来计算，在半刚性基层材料损坏以后按滑动来计算。

2 路面结构力学响应分析

2.1 半刚性基层材料层底拉应力

现行规范采用限制半刚性基层的层底底面拉应力作为路面结构的验算指标，用以控制半刚性基层的疲劳开裂破坏。一方面，沥青面层与半刚性基层之间其模量相差较远，此时半刚性基层的层底拉应力比较大，必须进行半刚性基层的层底拉应力指标的验算,用以控制半刚性基层的疲劳开裂破坏。另一方面，在车辆超载条件下，重交通车辆的轴载会致使沥青路面整体结构层的弯拉应力增大，可能会远远超过各设计材料的极限抗弯拉强度，从而引起沥青路面整体结构层的开裂，致使路面的承载能力迅速下降，造成路面一次性破坏。尤其是对于半刚性基层沥青路面来说，半刚性基层通常先于沥青面层发生疲劳开裂，所以，半刚性基层的层底弯拉应力的验算极其重要，有必要对重载作用下半刚性基层的层底弯拉应力进行研究。

本文在计算时，采用Bisar3.0软件，取单圆荷载中心处为计算点(见图3中D点)，各材料的抗压模量采用15 ℃的取值，通过计算得出，X方向(垂直道路行进方向)的拉应力大于Y方向(沿道路行进方向)的拉应力，故在比较分析时选取较大的拉应力进行比较研究，即X方向(垂直道路行进方向)的拉应力。具体计算结果如图4所示。

由图4可知，半刚性基层路面结构的半刚性层底拉应力水平明显高于ATB复合式基层路面结构，这主要是由于半刚性基层路面结构的路面总厚度较薄，因此，在同样的荷载条件下，应力消散的程度较其他结构少。ATB复合式基层路面结构的半刚性层底拉

应力水平较低，这主要是得益于其结构上的设置是基于路面只发生自上而下的破坏模式，因此其基层发生疲劳开裂的可能性远较半刚性基层路面小。

随着轴载的增大，各结构的半刚性材料层弯拉应力呈现出不同幅度的增长趋势，可见重载使半刚性基层产生疲劳开裂的可能性进一步增大。

综上所述，ATB复合式基层路面结构在抵抗半刚性材料层的疲劳开裂具有较大的优势。

2.2 最大剪应力及层间剪应力

路线所在段的气候以高温为主。在高温条件下，沥青面层极易由于抗剪能力不足而产生推移、壅包和辙槽等，重载条件更会加剧这些破坏的产生。因此，有必要对各结构内的最大剪应力进行分析对比。此外，面层与基层的结合处是结构的一大受力薄弱处，如果面层与基层之间的剪应力过大，很可能导致面层由于抗剪能力不足而发生滑移，加速结构的损坏，因此，本研究将重点研究面层与基层的层间剪应力。采用Bisar3.0软件，考虑140 kN的轴载，计算中Z取各结构层底部深度值，并在面层范围内加密取值。在道路横断面方向上取17个坐标点，具体见表3。

表3 路面结构力学计算取点的Y坐标分布

计算后得各结构的最大剪应力基本出现于轮迹处附近的中面层深度范围内，具体数值见图5。

由图5可知，在轴载140 kN的重载条件下，两个路面结构的剪应力水平相差较大。半刚性基层路面结构的剪应力水平相对较高，并且出现在轮迹处中面层层底，ATB复合式基层路面结构的剪应力水平较低。

此外，各结构面层与基层结构处的剪应力计算结果如图6所示。

由图6可知，就结构受力较为薄弱的面基结合处而言，半刚性

基层路面结构剪应力水平依然最高，而ATB复合式基层路面结构在该处的剪应力水平仍然较低。因此，就面层与基层的层间剪应力而言，半刚性基层路面结构优于ATB复合式基层路面结构。可见，ATB复合式基层路面结构的高温抗车辙能力优于半刚性基层路面结构。

由以上分析可知，从路面力学响应的角度上看，半刚性基层路面结构的半刚性层底拉应力水平相对较高，基于该结构在面层与基层结合面处的剪应力水平也较高，在高温与重载条件下极易产生直剪滑移，进一步导致沥青层底拉应变水平骤增，结构的整体性发生破坏，寿命将大大减小。

3 结语

从路面的破坏模式及结构组合上深入分析，半刚性基层路面结构的剪应力水平较高，半刚性层底拉应力水平也不亚于ATB复合式路面结构，因此其破坏不仅可能由于基层发生疲劳开裂而产生，亦会由于面基结合处应力、应变水平高度集中而发生整体的结构性破坏。因此半刚性基层路面结构的破坏从本质上看属于自下而上的结构性破坏，维修养护较为困难，寿命较短；此外，由于该结构属于传统的半刚性路面，基层由于干缩及温缩效应，不可避免地要产生反射裂缝。相比之下，ATB复合式基层路面结构的剪应力水平较低，半刚性层底拉应力水平相对较低，因此，为了保证路面结构的长久寿命，即将路面破坏仅限于路面表层范围内。因此，推荐优选ATB复合式基层作为路面实施方案，以发挥其巨大的经济效益。

Comparison on Rong-Wu highway asphalt pavement structure design scheme

CHEN Xiao-juan

(NingxiaVocationalTechnologyCollegeofConstruction,Yinchuan750021,China)

In order to extend the pavement life expectancy, the paper calculates and analyzes Rong-Wu highway asphalt pavement structure with semi-rigid base and compound base, and points out that: the mechanical condition of pavement structure with ATB compound base is good with great fatigue resistance, which can be recommended as pavement implementation scheme.

pavement structure, semi-rigid base, compound base

1009-6825(2014)07-0151-02

2013-06-17

陈晓娟(1985- )，女，硕士，助教

U416.217

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