山区高速公路水泥混凝土路面加铺沥青结构层设计.pdf

2 0 1 3年第 4期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 2 7期 文章编号 ： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 0 1 6 0 4 山区高 速公路水泥混凝土路面 加铺沥青结构层设计 关志深 ，曾俊标 ( 1 长安大学公路学院， 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 广东华美加工程顾问有限公司， 广州5 1 0 6 2 7 ) 摘要： 结合梅河高速公路沥青混凝a n 铺罩面工程， 在各种基础资料调查的基础上， 根据旧水泥混凝土路面上 加铺结构设计的原则， 采用数值分析软件 A N S Y S 对不同纵坡、 不同加铺层厚度的沥青混凝土加铺层最大应力进 行详细分析， 介绍水泥混凝土路面沥青加铺结构层的设计。 关键词： 水泥混凝土路面；沥青路面；结构设计 中图分类号 ：U 4 1 6 0 2 文献标识码 ：B 0 引言 梅河高速公路全 长 1 1 8 4 1 k m， 其 路 面结构 为 2 8 c m水泥混凝土面层 ( 5 MP a )+2 0 c m 6 水泥 稳定碎石 +2 0 c m 4 水泥 稳定 石 屑 +1 5 c m未筛 分碎石 。该项 目于 2 0 0 5年 1 0月 3 0日建成通车 ， 是 2 0 0 5年度建成的广东规模 最大 的山区新建 高 速公路 。梅河高速公路位 于广 东省粤东北 山区， 地形 、 地质条件 极为 复杂 ， 并且位 于亚热 带季 风 区， 受 台风和 东南季 风的影 响 ， 年 降雨量 及瞬 时 降雨强度很 大。本项 目路 面经过 5年 多时 间的 车辆行驶 ， 路 面服务水 平有 所下 降 ， 为进一 步改 善行车舒适性 ， 提高路面服务水平 ， 贯彻“ 预防性 养护理念 ， 节省全 寿命养护成本”， 对梅河高速公 路水泥 混凝 土 路 面进行 沥 青混 凝 土加 铺 罩 面。 本文结合梅河 高速公 路水 泥混凝 土路 面加铺沥 青混凝土工程 ， 介绍水泥混凝土路 面沥青加铺结 构层 的设计。 l 路面使用现状 1 1 交通量调查与预测结果 通过对各 收费站进 出交通 量计算统计 ， 梅河 高速公路双 向日混合交通量约 7 8 0 0 N a ， 其 中， 三 类车及以上混合交通量 占4 0 。经计算预测， 按 限超 1 0 考虑得梅河高速公路沥青路面加铺设计 计算年限内交通累计轴次为 1 3 X 1 0 次。 1 2路面使用状况 1 2 1路 面 破 损 状 况 梅河高速 公路 水泥 混凝 土路 面使 用状 况 良 好 ， 发生病害的路面板较少 ， 其主要病害类型为断 裂 、 横 向裂缝 ， 其次为纵 向裂缝和角隅病 害。行车 道 、 超车道 中的断裂板和重裂缝板 分别 占其 车道 板数的 1 1 、 0 6 ； 而行 车道、 超车道 中轻微 裂 缝板数分别 占其车道板数 的0 9 、 0 5 。 1 2 2板缝 传荷 能 力 采用 F WD对水泥混凝 土面板板缝进 行弯沉 检测 ， 检测结果表明板缝传荷能力处于 “ 优 良” 等 级 的占5 8 1 ， “ 中” 等级的占2 4 2 ， “ 差 、 次” 等 级的占 1 7 8 。 1 2 3 面层几何和力学参数 通过现场钻取面层芯样 ， 测量芯样厚度 ， 并对 芯样进行试验劈裂强度试验 ， 经计算统计 ， 得面板 几何和力学参数如表 1 。 表 1 面层几何和 力学 参数试 验检测结果 K 0一K 2 4 1 2 0 2 8 2 K2 4 一I ( 5 0 1 1 0 28 7 K5 0 一K73 1 l1 28 7 K73一K9 5 8 2 2 8 0 K 9 5 Kl 1 8 9 9 2 8 0 9 2 l1 O l 0 6 7 8 9 4 5 4 5 4 5 2 5 1 5 1 作者简介： 关志深( 1 9 8 1 一) ， 男， 汉 ， 广东阳江人， 硕士研究生， 工程师 ， 主要从事道路工程技术咨询与研发工作。 E- mml ： d e e p s 8 1 1 6 3 c o rn 1 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4期 关志深 山区高速公路水泥混凝土路面加铺沥青结构层设计 总第 1 2 7期 由面层 几何和力学参 数试验检测结 果表 明， 面层厚度和强度均满足面层设计技术要求 。 1 2 4基层 顶 面 当量 回弹模 量检 测 结果 选取代表性路段 ， 采用 F WD对基层顶面当量 回弹模量进 行检测 ， 经计算分析得基层 顶面 当量 回弹模量均值介 于 2 1 67 9 7 M P a之 间。同时 ， 挖 开代表性水泥混凝土 面层后其见基层 质量 良好 ， 其质量与检测强度结果基本相吻合。 1 2 5路 面状 况技 术评 定 结果 根据路面调查 和检测结果 ， 对路 面使用性 能 指数进行评定 ， 结果如表 2所示。 表 2 路面 技术状况评定结果 2 基于有限元加铺层厚度计算分析 从前述路面使用现状的调查 、 检测结果 得知， 目前路面整体使用状况 良好 ， 路 面结 构层强度 能 满足未来交通荷载 的要 求 ， 由此确定 水泥混凝 土 路面加铺沥青层 的 目的是为了改善水泥混凝土路 面表面功能为主， 即改善行车舒适性 、 防水性和抗 滑安全性。故从 经济角度考 虑 ， 路 面加铺厚度 应 采用技术合理的最小值。 本文采用数值分析软件 A N S Y S对标准荷载和 超载 3 0 两种情况 的荷载作用下 ， 不 同纵坡、 不同 加铺层厚度的沥青混凝土加铺层最大应力进行详 细分析 。 2 1 有限元计算模型建立 采用 A N S Y S大型有限元通用软件 ， 建立 了水 泥混凝 土板罩 面结构 的空 间三 维实体 有 限元模 型。其中， 路面结构采用 s o li d 6 5单元进行离散， 传 力杆采用 B E A M 4 4单元进行离 散 ， 沥青 罩面层 与 水泥混凝 土基层 之 间采用接 触单 元进 行模 拟分 析 ， 模型共建立 1 5 8 7 6个 节点 ， 1 6 3 3 2个单元 ， 路面 结构建立有限元模型如图 1 所示 。 汽车轮载采用单轴双轮标准荷 载 B Z Z一1 0 0， 为便 于有 限 元 分 析 ， 汽 车 轮 载 采 用 1 8 9 c m x 1 8 9 c m 的正方 形垂 直 均 布荷 载模 拟 ， 双 轮 间距 3 2 c m， 两 侧 轮 隙 间 距 为 1 8 2 c m， 接 触 压 应 力 为 0 7 MP a ， 路面各结构层参数如表 3所示 。 图 1 路 面结构有 限元模 型 表3 水泥混凝土路面各结构层材料设计参数 2 2 有限元计算结果分析 经 A N S Y S有限元软件计 算可知 ， 在沥青加铺 层厚度分别为 4 c m、 9 c m及 1 2 e m时， 不同作用荷载 下不 同纵坡坡度的沥青混凝 土最大应力见表 4一 表 6 。 表 4 4 c m厚沥青混凝土加铺层水平及竖向最大应力 ( 单位 ： MP a ) 施加 荷载 坡度 ( ) 1 2 3 4 5 水平剪应力 0 3 6 6 0 3 7 6 0 3 8 5 0 3 9 4 0 4 1 3 标准荷载竖向剪应力 0 0 8 9 0 0 9 1 0 0 9 3 0 0 9 6 0 1 0 0 ( 0 7 MP a ) 水平拉应力 0 4 5 8 0 4 7 0 0 4 8 1 0 4 9 3 0 5 1 6 竖向拉应力 0 1 1 1 0 1 1 4 0 1 1 6 0 1 2 0 0 1 2 5 水平剪应力 0 4 7 2 0 4 8 5 0 4 9 7 0 5 0 8 0 5 3 1 超载 3 0 竖 向剪应力 0 1 1 4 0 1 1 8 0 1 2 0 0 1 2 3 0 1 2 9 ( 0 9 1 MP a )水平拉应力 0 5 9 0 0 6 0 6 0 6 2 1 0 6 3 5 0 6 6 4 竖 向拉应力 0 1 4 3 0 1 4 8 0 1 5 0 0 1 5 4 0 1 6 1 表 5 9 c m厚沥青混凝土加铺层水 平及竖 向最大应 力 ( 单位： MP a ) 施加荷载 坡度 ( ) 1 2 3 4 5 水平剪应力 0 2 9 7 0 3 0 5 0 3 1 6 0 3 2 5 0 3 3 5 标准荷载竖向剪应力 0 1 1 1 0 1 1 9 0 1 2 3 0 1 2 6 0 1 3 0 ( 0 7 M P a ) 水平拉应力 0 3 4 9 0 3 5 9 0 3 7 2 0 3 8 2 0 3 9 4 竖向拉应力 0 1 3 1 0 1 4 0 0 1 4 5 0 1 4 8 0 1 5 3 水平剪应力 0 3 8 6 0 3 9 6 0 4 1 1 0 4 2 1 0 4 3 5 超载 3 0 竖向剪应力 0 1 5 0 0 1 5 4 0 1 6 0 0 1 64 0 1 6 9 ( 0 9 1 MP a )水平拉应力 0 4 6 5 0 4 7 7 0 4 9 5 0 5 0 7 0 5 2 4 竖向拉应力 0 1 8 1 0 1 8 6 0 1 9 3 0 1 9 8 0 2 0 4 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4期 广东公路交通 总第 1 2 7期 表 6 1 2 c m厚沥青混凝土加铺层水平及竖 向最大应 力 ( 单位： MP a ) 施加荷载 坡度 ( ) 1 2 3 4 5 水平剪应力 0 2 5 9 0 2 6 8 0 2 7 8 0 2 8 7 0 2 9 7 标准荷载竖向剪应力 0 1 0 9 0 1 1 1 0 1 1 5 0 1 2 0 0 1 2 4 ( 0 7 MP a ) 水平拉应力 0 3 1 6 0 3 2 7 0 3 3 9 0 3 5 0 0 3 6 2 竖 向拉应力 0 1 3 3 0 1 3 5 0 1 4 0 0 1 4 6 0 1 5 1 水平剪应力 0 3 3 4 0 3 46 0 3 5 9 0 3 7 0 0 3 8 3 超载 3 0 竖向剪应力 0 1 4 1 0 1 4 4 0 1 4 9 0 1 5 4 0 1 5 9 ( 0 9 1 MP a )水平拉应力 0 4 0 7 0 4 2 2 0 4 3 8 0 4 5 1 0 467 竖向拉应力 0 1 7 2 0 1 7 6 0 1 8 2 0 1 8 8 0 1 9 4 从表 4至表 6可以看出， 沥青混凝土加铺层的 最大应力 随加铺层 厚度的减小而增大 ， 随坡度和 荷载 的增大而增大。 3加铺层结构分析 3 1 基于水平剪应力的加铺层结构分析 常规的粘结 材料拉拔强 度一般在 0 4 MP a 左 右 ， 因此 ， 4 c m厚加铺层必须采用粘结强度更高的 粘结材料 ， 其单价较贵 ； 9 c m厚加铺层在坡度大于 3 时需采用粘结度更高的粘结材料 ； 1 2 e ra厚加铺 层可 以采用常规的粘结材料。鉴于梅河高速公路 现场纵 坡 大 于 3 的坡 度 路 程 较 短 ， 只有 不 到 1 0 k m左右 ， 故通过对 比工程造价和使用性能， 沥青 混凝土加铺层厚度 为 9 e m 时较适宜 。同时 ， 根据 公路沥青路面施工技术规范 ( J T G F 4 0 2 0 0 4 ) 对沥青混凝土最低摊铺厚度 的要求 ， 其加铺层 结 构为 4 c mA C一1 3改 性沥青混凝 土 +5 e m A C一2 0 改性沥青混凝土。 3 2 基于水平拉应力的加铺层结构分析 根据 公路沥青路面设计规范 ( J T G D 5 0 2 0 0 6 ) 可知 ， 沥青混凝 土材料 的容许 拉应力 应 按式( 1 ) 和式( 2 ) 计算 ： 誊 ( 1 ) 式 中： 一路面结构层材料 的容许拉应力 MP a ； 一 沥青混凝土材料的极限劈裂强度 MP a ； 一 抗拉强度结构系数。 K s = 0 0 9 A ( 2 ) 式中 ： 一设计 年限 内一个 车道 累计 当量 轴 次 ( 次 车道 ) ； 一 公路等级系数， 高速公路为 1 0 。 1 R 从公式 ( 1 ) 和公式 ( 2 ) 计算可知 ， 沥青混凝土 材料的容许拉应力为 0 3 6 3 M P a 。因此 ， 结 合表 4 至表 6有限元计算结果可知 ， 4 c m厚加铺层 的沥青 混凝土材料 的允许 拉应力 均小 于层底 最大 拉应 力 ； 9 c m厚加铺层 的沥青混凝 土材料除坡度大 于 3 外 ， 其 允 许 拉应 力 均大 于 层底 最 大 拉应 力 ； 1 2 e ra厚加铺层 的沥青混凝土材料其允许拉应力均 大于层底最大拉应力。鉴于梅河高速公路现场纵 坡大于 3 的坡度路程较短 ， 只有不到 l O k m左右 ， 故通过对 比工程造价和使用性能 ， 沥青混凝 土加 铺层厚度为 9 e m时较适宜。同时 ， 根据 公路沥青 路面施工技术规范 ( J T G F 4 0 2 0 04) 对沥青混凝 土最低摊铺厚度 的要求 ， 其加铺层 结构为 4 e m A C 一 1 3改性沥青混凝土 + 5 e mA C一 2 0改性沥青混凝 土 。 故梅河高速公路沥青加铺层最终采 用的结构 为 4 c mA C一1 3改性沥青混 凝土 +5 c mA C一2 0改 性沥青混凝土。 4 结论 截止 目前 ， 梅河高 速公路加铺后 已通车 1年 多了， 尚未 出现任何病害 ， 路面状况 良好。因此 ， 通过梅河高速公路加铺层结构设计 ， 可 以得到如 下结论 ： ( 1 ) 旧水泥混凝土路面沥青混凝 土加铺层 的 最大应力 随加铺层厚度 的减小而增大 ， 随坡度 和 荷载的增大而增大 ； ( 2 ) 4 c m厚加铺层必 须采用粘结强度更 高的 粘结材料 ； 9 e ra厚加铺层在坡度大于 3 时需采用 粘结度更高 的粘结材 料 ； 1 2 c m厚加铺层可 以采用 常规的粘结材料 ； ( 3 ) 4 e ra厚加铺层 的沥青混凝 土材料的允许 拉应力均小于层底最大拉应力 ； 9 c m厚加铺层的沥 青混凝土材料除坡度大于 3 外 ， 其允许拉应力均 大于层底最大拉应力 ； 1 2 c m厚加铺层的沥青 混凝 土材料其允许拉应力均大于层底最大拉应力； ( 4 ) 山区高 速公路旧水 泥混凝 土路面沥青加 铺层厚度采用 9 c m为宜。为增加沥青混凝土力学 性能， 一般采用改性沥青混凝土 ， 即加铺层结构 为 4 c m A C一1 3改性沥青混凝土 + 5 c mA C一 2 0改性沥 青混凝土。 参考 文献 ： 1 胡长顺 ， 王秉纲 复合式路面设计原理与施工技 术 M 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 4期 关志深 山区高速公路水泥混凝土路面加铺沥青结构层设计 总第 1 2 7期 2 罗晓辉旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层 后反射裂缝的防治 J 公路 ， 2 0 0 4， ( 8 ) ： 1 7 1 1 7 3 3 傅翔水泥砼路面沥青罩面层间抗剪分析及应用 研究 D 重庆： 重庆大学， 2 0 0 5 4 王京元水泥混凝土桥沥青混凝土桥面铺装早期 病害原因分析和结构设计方法 D 大连 ： 大连理工大学， 2 0o 3 5 王秉纲 ， 邓学钧 路面力学数值计算 M 北京： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 2 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 5 0 6 ) St r u c t ur e De s i g n f o r Co v e r i ng Co m po s i t e As pha l t Pa v e me n t o n ol d Ce me nt Co n c r e t e Pa ve m e nt o f M o unt a i no u s Ex pr e s s wa y GU A N Z h i s h e n ，Z E NG J u n b i a o ( 1 Hi g h w a y S c h o o l o f C h a n g h n U n i v e r s i t y ， Xi ，锄 7 1 0 0 6 4， C h i n a ； 2 G u a n g D o n g C A C E n g i n e e ri n g C o n s u l t a n t s C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 2 7 ) Ab s t r a c t ： C o m b i n e d w i t h a s p h a l t p a v e me n t o v e r l a y i n g p r o j e c t o f Me i h e E x p r e s s w a y ， o n t h e b a s i s o f d a t a c o l l e c t i n g，i n v e s t i g a t i o n a n d t h e d e s i g n p ri n c i p a l f o r o v e r l a y i n g o n t h e o l d c o n c r e t e p a v e me n t ， i n t h i s p a p e r ，b y u s i n g ANS YS n ume r i c al me t h o d，t h e ma x i mu m s t r e s s i n d i f f e r e n t t hi c k n e s s o f o v e r l a y i n g a s p h a l t h a s b e e n a n a l y z e d， t he d e s i g n o f a s p h a l t o v e r l a y i ng s t r u c t u r e o n t o p o f the o l d c o n c r e t e p a v e me n t h a s b e e n i n t r o d u c e d Ke y wor ds：c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ；a s p h a l t p a v e me n t ；s t ruc t ur e d e s i g n 痧驴 ( 上接 第 1 5页) 5 结语 依托汕揭 高速公路 沥青路 面工程 ， 对 表面层 T L A改性沥青混合料 的施工技 术和碾压控制进行 了探讨 ， 得出以下结论 ： ( 1 ) 通过查询国内外参考文献 ， 并考虑 了路面 的耐久性 和经济性 ， 确定 了性价 比优 良的 T L A掺 量为 3 3 ， 同时确定了相应的技术指标要求。 ( 2 ) 通过马歇尔试验对表面层 T A L A C一1 6 C 配合 比进行 了设计 ， 提出了合理 的级配范围 ， 并按 级配中值确定 了设计 配合 比， 得 出 了最佳 油石 比 为 5 2 。 ( 3 ) 实践证明 ， 采用“ 两步法” 终压收光不仅取 得 了良好 的收光效果 ， 还在一定程 度上提 高了路 面的压实度。 ( 4 ) 根据设计配合比结果进行 了试验路铺 筑。 现场检测结果显示 ， 压实度 、 厚度、 平整度 、 构造深 度和渗水系数等使用性能均满足质量控制标准 的 要求 ， 从而验证了碾压工艺对路面施工性能的影响。 参考文献 ： 1 朱建军 r L A湖改性沥青施工工艺及注意事项 J 山西建筑， 2 0 0 8 ， ( 7 ) ： 1 9 81 9 9 2 汕昆高速公路潮州段沥青面层施工总结 R 广 州： 广东晶通公路工程建设集团有限公司， 2 0 1 0 3 公路沥青路面施工技术规范 J T G F 4 02 0 0 4 S 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 4 ( 收 稿 日期 ： 2 0 1 30 42 0) S t u d y o n Qu a l i t y C o n t r o l o f G r a d i n g a n d C o mp a c t i o n o f T L A Mo d i fi e d A s p h a l t P a v e me n t a t Ch ao Zh o u Se c t i o n o f Sh a n- Ku n Ex pr e s s way HUANG Ru i d o n g ( G u a n g d o n g H u a l u T r a n s p o r t T e c h n o l o g y C o ， L t d ， G u a n g z h o u 5 1 0 4 2 0 ) Ab s t r a c t ：On t h e b a s i s o f a s p h a l t p a v e me n t o f C h a o z h o u S e c t i o n o f S h a n k u n e x p r e s s wa y ，q u ali t y c o n t r o l o f g r a d i n g a n d c o mp a c t i o n o f T L A mo d i fi e d a s p h alt p a v e me n t h a s b e e n i n t r o d u c e d f r o m r a w ma t e r i al，mi x d e s i gn ，c o m p a c t i o n t e c h n i q u e s wh i c h c o u l d p r o v i d e r e f e r e n c e s f o r T L A mo d i f i e d a s p h alt p a v e me n t c o n s t ruc t i o n Ke y wo r d s ：T L A mo d i fi e d a s p h alt ； p a v e me n t ； gra d i n g ； c o mp a c t i o n c o n t r o l 1 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m