抗车辙性能强的合理沥青路面结构初探.pdf

抗车辙性能强的合理沥青路面结构初探孙兆辉王铁滨侯芸郭祖辛(辽宁省交通高等专科学校,沈阳110122)(哈尔滨建筑大学交通学院,哈尔滨150008)摘要本文利用系统车辙预估模型,分析研究不同沥青路面结构的车辙反应,为寻求抗车辙性能强的合理路面结构提供了一条研究途径。关键词沥青路面结构车辙预估模型车辙反应1前言综观国内外所进行的有关车辙问题的研究,可以看出普遍存在“重材料轻结构”的现象。大量的技术措施集中在表层材料的选择和沥青混合料的组成设计等方面,随着研究的深入,路面结构是一个不可忽视的因素。由于缺乏同类地区各高等级公路的路况实测资料,本文仅以西安试验路13种路面结构为研究对象,认为应用系统车辙预估模型(简称V ESRM模型)分析研究不同路面结构的车辙反应,为寻求抗车辙性能强的合理路面结构提供了一条研究途径。2VESRM模型(1)数学模型RD=N2N1USYSN-SYSdN(1)式中:U-荷载重复作用下的路表位移(轮下位移);SYS、SYS-路面结构体系永久变形特征参数;N-标准轴载(BZZ-100)作用次数。假定每次荷载作用下轮下弯沉不变,故U值可取在一次荷载作用下的轮下弯沉。本模型U值采用后轴重为100kN的汽车在路面投入使用后第n(n1)年不利季节实测的轮下位移值。(2)参数确定本模型通过大量预估值与实测值的比较,建立了模型参数 SYS与 SYS二者之间的相关关系,即 SYS=UUr(1-SYS)(2)式中:U-荷载重复作用下的路表弯沉(意义同前);Ur-荷载重复作用下的路表回弹弯沉(轮下回弹弯沉);其余同前。其参数确定的具体步骤如下:1)编制V ESRM程序,采用高斯积分法计算车辙深度。2)输入数据U、N1、N2及参数初值 SYS0、SYS0。根据服务中的道路车辙深度实测值反算其参数,建议路面结构体系永久变形特征参数初值 SYS0取0.75,再由 SYS与 SYS的相关关系确定 SYS0。3)运行V ESRM程序,将预测结果与实测数据相比较,如果二者数值相接近,误差不超过5%,则停 止 运 行,记 录 所 确 定 的 参 数 值,否 则,通 过V ESRM程序调整参数,直至预估值与实测值非常接近,误差控制在前述容许误差范围内,从而确定模型参数 SYS和 SYS值。其模型参数确定流程见图1。3西安试验路概况西安试验路铺筑在西三(西安-三原)线一级公8东北公路2000年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.路上,全长2115m(单幅),共分20个试验段,其中13个试验段(23k+64024k+920)是为对比不同的沥青面层结构组合及厚度的使用效果,优选合理结构及沥青面层的最小厚度服务的。基层自1989年1月开始施工,至5月初结束,沥青面层施工期为5月11日 6月10日,施工期气温2030。各试验路段路面结构布置如表1所示。各结构中预埋设温度、位移传感器,以实测路面各层温度变化及永久变形值。表1西安试验路路面结构表段号面层基层底基层垫层14cm中AC+5cm粗AC20cm水泥砂砾26cm二灰土18cm二灰土24cm中AC+5cm粗AC20cm二灰砂砾20cm二灰土18cm二灰土34cm中AC+5cm粗AC10cm级配碎石+20cm二灰砂砾20cm二灰土18cm二灰土44cm中AC+5cm粗AC10cm级配碎石+20cm二灰砂砾20cm二灰土18cm二灰土55cm中AC+7cm粗AC20cm二灰砂砾20cm二灰土18cm二灰土65cm中AC+7cm粗AC20cm二灰砂砾20cm二灰土18cm二灰土75cm中AC+7cm粗AC20cm水泥砂砾30cm二灰土18cm二灰土84cm中AC+5cm粗AC+6cm沥青碎石20cm水泥砂砾20cm石灰土94cm中AC+5cm粗AC+6cm沥青碎石20cm二灰砂砾20cm石灰土105cm中AC+7cm粗AC20cm二灰砂砾20cm二灰土115cm中AC+7cm粗AC20cm水泥砂砾20cm石灰土124cm中AC+5cm粗AC20cm水泥砂砾20cm石灰土134cm中AC+5cm粗AC20cm二灰砂砾20cm二灰土(1)交通资料西安试验路设计交通量为1366轴次?日(BZZ-100),第一年的累计标准轴次为498688次(未考虑横向分布系数),平均年增长率为8%,设计年限为15年,第15年的累计标准轴次为5.416106次(已考虑横向分布系数)。即按 公路沥青路面设计规范JTJ014-97第3.0.4条进行交通量(累计当量轴次)计算。(2)路面材料1)沥青材料试验路采用单家寺稠油沥青(SJS)为代表沥青(S90代表AH-90),它是由环烷基稠油直馏工艺生产的,是我国目前开发的几种重交通道路沥青的代表性产品,其主要技术指标见表2。从表中可以看出,单家寺稠油沥青的各项指标较普通沥青有很大提高,能达到“重交通道路沥青技术要求”。表2沥青主要技术指标沥青品种针入度(0.1mm)软化点()延度(cm)25155含蜡量(蒸馏法%)S90(AH-90)8.446.3 150 15073.67注:西安试验路SJS90由拌和前针入度89.5下降到55.3,为原样的61.8%。2)面层矿料矿料质量根据就地取材的原则,试验路的矿料均采用当地材料,表层粗集料特别选用了磨光值高的耐磨硬质材料。中下层粗骨料大,粗骨料大都采用石灰岩碎石。各项基本性质能够满足规范要求的指标。9第23卷第3期孙兆辉王铁斌等:抗车辙性能强的合理沥青路面结构初探 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.上面层中粒式沥青混凝土及下面层粗粒式沥青混凝土的矿料级配组成见表3。西安试验路采用LH-20中粒式沥青混凝土作表面层。如采用I型,明显偏细,粗骨料比例不足,如采用 型空隙率又比较大,因此,在LH-20I型基础上作了适当调整,增加了粗骨料的比例,应用了介于?型与 型之间的级配,其下面层采用原规范的LH-35。表3LH-20(?型)沥青混凝土级配组成设计级配名称筛孔尺寸(mm)35302520151052.51.20.60.30.150.074最佳油石比%LH-20调整级配通过各筛孔的重量百分率%-908076.149.334.431.123.715.211.45.9配范围规范级-95100-7080 5065 3550 2540 1830 1321815495.153)基层和底基层材料西安试验路附近有丰富的粉煤灰、砂砾资源,故采用优选的水泥砂砾和二灰(石灰、粉煤灰)砂砾两种强度高、收缩性小的半刚性材料做基层,选用石灰粉煤灰(简称二灰)稳定当地的细粒土做底基层材料。为了比较,在少数路段采用石灰土做底基层,四种半刚性材料的组成设计及材料性质见表4,砂砾和碎石的颗粒组成均符合基层施工规范的级配要求。(3)有关的实测资料路面结构体系在行车荷载作用下路表及各结构层表面的弯沉、回弹弯沉和永久变形实测值详见表5和表6,其中轮隙位移采用弯沉仪实测,轮下位移采用位移计实测。路面温度资料待查。表4半刚性材料的组成及性质材料及组成(重量比)最大干密度(g?cm3)最佳含水量(%)抗压强度(Mpa)6个月龄期抗压回弹模量(Mpa)抗弯拉回弹模量(Mpa)温缩系数T(10-6)(020)干缩系数W(10-6)694水泥砂砾2.314.88.741943257874.06851580二灰砂砾2.0284.881681137965.069104050二灰土1.3526.42.6312915330-1090石灰土1.82131.82362-表5西安试验路1989年6月竣工、1990年6月实测路段编号12345678910111213加载时路表弯沉Ls(mm)0.060.090.140.070.050.060.040.090.100.080.070.080.07卸载后回弹弯沉LR(mm)0.050.0860.120.060.040.050.030.0860.100.080.070.0770.07路表永久变形实测值(mm)1.1731.3852.2872.0241.5961.5921.3521.8282.0121.6021.4061.1971.387VESRM模型计算值(mm)1.1481.3712.3102.0061.5821.5921.3441.8531.9791.5841.3861.2191.386绝对误差(mm)0.0250.014-0.0230.0180.0140.0000.008-0.0250.0330.0180.02-0.0220.001相对误差(mm)2.131.01-1.010.890.880.000.59-1.371.641.121.42-1.840.07SYS0.760.770.770.730.730.740.730.750.750.750.750.770.75SYS0.270.240.260.290.320.300.340.260.250.250.250.240.25注:(1)加载时路表弯沉指用双轮组单后轴100kN的黄河车实测的轮下位移,但由于缺乏实测资料,这里以轮隙弯沉代替。(2)卸载后回弹弯沉指轮下回弹弯沉,这里同样以轮隙回弹弯沉代替。01东北公路2000年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.表6西安试验路不同时间(年数)里车辙深度预估值(mm)年数3579101215荷载累计作用轴次(次)647576117024117798782490958288971037854665416173路段编号11.223(1.297)1.409(1.480)1.558(1.625)1.6891.751(1.809)1.868(1.920)2.036(2.072)21.456(1.295)1.668(1.477)1.837(1.622)1.9852.054(1.806)2.185(1.917)2.373(2.070)32.453(1.300)2.811(1.481)3.096(1.626)3.3453.461(1.809)3.683(1.922)3.999(2.075)42.153(1301)2.526(1.482)2.829(1.627)3.0983.224(1.811)3.468(1.922)3.821(2.076)51.697(1.699)1.991(1.947)2.230(2.140)2.4422.542(2.384)2.734(2.538)3.011(2.747)61.704(1.704)1.988(1.951)2.217(2.145)2.4192.514(2.388)2.697(2.543)2.960(2.752)71.442(1.700)1.692(1.947)1.895(2.141)2.0752.160(2.384)2.324(2.538)2.560(2.749)81.9782.2932.5472.7702.8753.0753.36492.113(2.205)2.450(2.501)2.721(2.735)2.9593.071(3.030)3.286(3.205)3.594(3.448)101.6901.9602.1772.3672.4572.6282.875111.4791.7151.9042.0722.1502.3002.515121.2941.4831.6331.7641.8261.9422.109131.4791.7151.9042.0722.1502.3002.5153不同路面结构的车辙反应选用V ESRM模型依据1990年6月份实测的各结构表面永久变形值标定参数 SYS、SYS值如表5,从而对西安试验路13种路面结构在使用不同时期产生的车辙深度进行预测,其预测结果列于表6中,并绘于图2中。图2西安试验路各路段不同时期路表车辙深度预测值(VESRM模型)表中()内的数据为“七五”国家重点科技项目(攻关)高等级公路沥青路面车辙预估方法的预估值。该方法是以粘弹性体系作为预估模型的理论基础,提出道路的永久变形理论计算值Rt等于加载时的总变形减去卸载时的回弹变形即Rt=W()-W(0)。式中:W()-加载时的总变形,通过L aplace变换终值定理计算而得;W(0)-卸载时的回弹变形,通过L aplace变换初值定理计算而得。从两种车辙预估方法的比较结果看,除3、4路段(含级配碎石)外,其它路段的车辙预估值皆比较接近,这无疑从另一个角度证明了该预估方法的可行性。为进行结构对比,首先应据图2按车辙量预估值的大小将各路段排序如表7。由表6、7及图2中可以看出,永久变形最大的路段发生在含级配碎石过渡层的第3、4段。在路面使用的各个时期,路段3比不含级配碎石层的路段2产生的永久变形量均大0.685倍,竟有如此强的规 律性,不得不令人想探究其原因。首先,从V ESRM模型出发,来研究其永久变形的预测规律。11第23卷第3期孙兆辉王铁斌等:抗车辙性能强的合理沥青路面结构初探 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.在路面投入使用的相同时期,当 SYS值相同时,皆为0.77,而U3SYS3?U2SYS2=0.140.26?0.090.24=1.685,故而得出上述结论。从1990年6月的实测比较结果看,路段3的路表永久变形较路段2的永久变形大0.65倍,预估比较与实测比较结果仅差0.035倍。从而间接地证明了该预测方法的可行性。其次,从路面结构自身出发,研究其永久变形发展规律。路段3中,在沥青面层与二灰砂砾基层之间加铺一层级配碎石过渡层,这一层次的特点是空隙率大,干接触点多,在行车荷载作用下,这些干接触点将参与变形,并出现位移、应力重分布,上层的一些矿料颗粒会挤入该层的空隙之中,导致上面的沥青混凝土层也产生较大的永久变形。此外,路段3(含二灰砂砾基层)比路段4(含水泥砂砾基层)的永久变形量大0.0460.15倍。可见,半刚性基层材料类型对路面结构抵抗车辙变形性能影响不大,但随着半刚性基层材料刚度的增大,路面结构的抗永久变形性能略有增强。表7名次1234567891011路段编号112213(11)、710658943第7年车辙深度预估值(mm)1.5581.6331.8371.9041.8952.1772.2172.2302.5472.7212.8293.096第15年车辙深度预估值(mm)2.0362.1092.3732.5152.5602.8752.9603.0113.3643.5943.8213.999在路段8、9中,面层为目前广泛采用的典型的“4+5+6”结构,即在下面层设置一层6cm的沥青碎石(俗称黑碎),选用石灰土做底基层,经实测和预测发现,该路面结构产生的车辙深度亦较大,仅次于含级配碎石过渡层的路段3、4,为不设黑碎层(路段12)的1.531.60倍。究其原因,可以用两种不同的路面结构来解释。在厚层结构中,沥青混凝土和半刚性材料层之间多了一个6cm厚的沥青碎石层,它的空隙率较大,在动载作用下,裹覆沥青的细颗粒逐渐下渗,混合料的粘滞性变形增大,混合料上层粗颗粒含量增多,空隙率增大,中面层的一些矿料颗粒会逐渐挤入该层的空隙之中,从而导致上面的沥青混凝土层也产生较大的永久变形。此外,从实测结果看,路段9(含二灰砂砾基层)比路段8(含水泥砂砾基层)产生的车辙量略大0.067倍,从预估结果看,前者比后者均略大0.068倍。不但证明了预估结果的可靠性,也进一步说明了前述结论的正确性。路段5和路段6仅二灰底基层的厚度不同,从实测和预测结果看,路段5较路段6产生的车辙深度稍大,前者约为后者的11.02倍,且预估比较与实测比较结果仅差00.015倍,再一次证明了该预估方法的可行性。另外,从结果比较还可以看出,当半刚性材料层达到一定厚度后,继续增加厚度对路面结构抵抗车辙变形性能不再产生明显影响。路段10和13仅沥青面层厚度不同,在路面使用的各个时期,面层厚度为12cm的路段10较9cm厚的路段13预估产生的车辙深度均大0.143倍。其实测比较与预测比较结果相同,不但证明了该预估方法的可靠性,同时也说明了路面产生的车辙量随沥青面层厚度的增加而增大。从其它路段的实测结果看,也可得出上述结论。路段11和13二者路面结构不同,但其弯沉实测值、路表永久变形实测值及预测结果完全一致。说明这两种结构在抗车辙变形能力方面具有表观等效性。这一结论还有待进一步验证。路段1抗车辙能力尽管最佳,但路段12实测值仅比路段1多0.02倍,但基垫层厚度则大为减少,可大大节省石灰土用量,提高经济效益。又因无防冻要求,无需设置垫层,故建议路段1采用“4cm中+5cm粗+20cm水泥砂砾+25cm二灰土”结构。5结语上述对不同路面结构的车辙表现作了详细分析,结果表明:(1)在面、基层间设置级配碎石过渡层的路段,其抗车辙能力大大降低。(2)设置沥青碎石过渡层的路段,其抗车辙变形能力亦较弱。(3)半刚性基层材料类型对路面结构抵抗车辙变形能力的影响尽管不大,但随着其刚度的提高,路面结构的抗永久变形性能略有增强。(4)当半刚性材料基层达到一定厚度后,继续增加厚度,对提高路面结构的抗永久变(下转第29页)21东北公路2000年 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.我们目前大量的实际应用结果表明,使用所编制的Excel电子表格模板计算击实数据和绘制击实曲线是非常成功的,它大大提高了我们的工作效率和工作质量。在实际工作中,只有不断地更新和改进工作方法,才能适应工程建设现代化的需要。本文承蒙柴跃东高级工程师的指导和杨世基研究员的审阅,谨此致谢!参考文献1交通部公路科学研究所主编.公路土工试验规程(JTJ051-93).人民交通出版社,19932唐大雄,孙愫文主编.工程岩土学.北京:地质出版社,19853雷顺加,陈建军主编.实用M icrosoft Excel97操作教程.高等教育出版社,19984沙庆林编著.观测试验资料的数学加工法(第三版).人民交通出版社,19885华东师范大学数学系主编.数学分析(第二版,上册).高等教育出版社,1994Excel-Electronic Form Templet of Tamping dataAbstractTamping test is one of the i mportant testing subject of H ighw ay,irrigation,Buildingworks,the paper workout a EXCEL-Electronic form templet for tamping byC I V I L WORKS TEST RUL ES”(JTJ051-93),and introduced the example and advantage to calculate tamping result and draw tampingcurve w ith the Templet.Keyw ordTamping DataTamping CurveElectronic Form Templet(上接第12页)形性能无明显影响。(5)沥青路面车辙深度随沥青层的增厚而增大。(6)由路表实测弯沉值的大小顺序可以看出,不能仅以弯沉值的大小来评价路面结构承载能力的高低。(7)该预估方法经多次实践反复验证,证明了其预估结果的可靠性。参考文献1 公路沥青路面设计规范.JTJ014-97,19972孙兆辉.“沥青路面车辙预估模型的开发与应用”哈建大硕士论文,1999.63“七五”国家重点科技项目(攻关)研究报告集D iscussion of LogicalA sphalt Pavement Structure w ith high A nti-trackAbstractThe paper analyzed and studied track resction of different asphalt pavement structure bysystem track model,and provide w ith a w ay of study to find logical asphalt pavement structure w ith highanti-trackKeyw ordA sphalt Pavement StructureT rack modelT rack reaction92第23卷第3期霍玉霞:击实数据的Excel电子表格模板 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.