高速公路永久性沥青路面结构的设计及应用.pdf

交通世界TRANSPOWORLD收稿日期：2023-03-07作者简介：孙晓春（1992），男，工程师，从事路桥设计工作。高速公路永久性沥青路面结构的设计及应用孙晓春（广泓建设集团有限公司，江西 上饶 334000）摘要：为提高永久性沥青路面的设计质量，以某位于我国南方地区的高速公路为例，对沥青及集料选材展开分析，并应用ABAQUS软件构建公路沥青路面结构力学模型，对结构响应及力学响应进行模拟计算。结果表明，永久性沥青路面在设计使用年限内无结构性修复需求，只需对表面层损坏情况展开周期性维修，就能彻底根除传统半刚性沥青路面早期病害，值得进一步推广。关键词：高速公路；永久性沥青路面；结构设计中图分类号：U412.366文献标识码：B0 引言半刚性基层沥青路面存在诸多缺点，我国当前所修建的半刚性基层沥青路面结构在运行中频繁出现各种病害。引发短期病害的直接原因是材料离析及施工质量不良，而引发长期病害的主要原因是结构耐久性不足。各地方公路工程建设领域不断展开柔性基层、复合式基层等永久性沥青路面的探索和实践，先后涌现出倒装式组合基层、全厚式沥青路面、组合式基层结构等新形式，在永久性路面结构的应用方面也取得了许多实践经验，但仍缺乏指导性强的永久性沥青路面设计、铺筑施工的经验。基于此，本文依托具体公路工程，从沥青混合料选材、力学分析等方面对永久性沥青路面结构展开设计，可为此类沥青路面的推广应用提供参考。1 工程概况某高速公路主线沥青路面原结构为4 cm厚SMA-13上面层、6 cm厚AC-20中面层、8 cm厚AC-25下面层、18 cm 厚水稳碎石上基层、18 cm 厚水稳碎石下基层、18 cm 厚水稳碎石底基层、15 cm 厚级配碎石功能层。考虑到工程所在地夏季湿热，故在路基和路面结构间增加1层15 cm厚的级配碎石垫层，构建永久性结构，以改善路基含水率。以K8+500K9+000段为试验段展开永久性沥青路面应用分析。2 沥青混合料选择2.1 沥青的选择工程所在地公路沥青路面上面层、中面层、基层主要采用PG76-28、PG70-22、64-22沥青等级。当路表温度接近60 时，路表以下7.5 cm、20 cm等处温度依次为50 和40；根据气象资料，工程所在地历年78月环境温度在 34 以上的高温天气持续时间长，对应的路表温度则高达64.2。根据我国 公路沥青路面设计规范（JTG D502017）中有关胶结料性能等级的规定，当累积当量轴荷载在1.0107以上时应增加1个高温等级；当累积当量轴荷载在3.0107以上时应再增加1个高温等级；对于重载交通及交叉、慢速交通或加速、制动频繁的交通，应增加1个性能等级1。结合路面应力分析结果，路表以下18 cm处是路面最大剪应力峰值最常出现的位置，即使在路表以下12 cm深处，剪应力也可达到整个路面结构最大剪应力的70%左右2。中面层发生车辙的可能性也较大，建议中面层也应采用与上面层同样高温等级的沥青，而低温等级可适当降低一级。该高速公路交通量可折算成7.10107次标准轴载数，据此，上中面层均应选用PG76-28改性沥青，下面层使用普通重交沥青即可。2.2 集料选用2.2.1 上面层集料通过显微镜观察玄武岩和辉绿岩化学成分，辉绿岩主要包括辉石、蚀变矿物、斜长石等成分，矿物含量分别为21.4%、49.6%、29.0%；玄武岩则属于多斑结构，基质内矿物颗粒尺寸不一，晶粒呈间粒间隐结构。由辉石、橄榄石等组成的斑晶为粒柱状，粒径介于0.10.7 mm；玄武岩中还存在少量星散状分布的磷灰石、磁铁矿。83总659期2023年第29期（10月 中）我国当前高速公路上面层使用玄武岩的情形较多，辉绿岩使用较少，对两者性能展开测试，结果见表1。据表 1可知，玄武岩表观密度、毛体积密度、抗压强度、洛杉矶磨耗值等均大于辉绿岩。再结合动稳定度试验、室内马歇尔试验、水损试验及冻融劈裂试验结果，两种石料性能均能达到设计要求，且两者结果较为接近。综合两种石料的主要性能，该高速公路永久性路面上面层使用辉绿岩也是可行的。表1 辉绿岩和玄武岩技术指标石料辉绿岩玄武岩表观密度/（g/cm3）2.7602.7832.9782.989毛体积密度/（g/cm3）2.6972.7372.8982.910抗压强度/（N/mm2）129.5159.9168.7磨光值/BPN444746压碎值（%）8.511.810.3洛杉矶磨耗值（%）8.455.2114.82.2.2 细集料按照 建设用砂（GB/T 146842011）压碎指标法展开细集料坚硬程度试验，分别取粒径 2.364.75mm、1.182.36 mm、0.61.18 mm、0.30.6 mm 的单粒级试样330 g，装进钢模后按500 N/s的速度施加荷载，待加载至25 kN时持荷5 s，继续以同样速度卸荷。使用相应粒级下限筛筛分，并分别称量通过量和筛余量。通过量在总质量中的占比即为相应粒级压碎值，以最大单粒级压碎指标为相应集料压碎值指标。根据试验结果，粒径2.364.75 mm、1.182.36 mm、0.61.18 mm、0.30.6 mm 的辉绿岩损失百分率分别为 7.8%、7.9%、9.5%、6.9%，最大压碎值为9.5%，压碎值均值为7.8%；粒径2.364.75 mm、1.182.36 mm、0.61.18 mm、0.30.6 mm 的石灰岩损失百分率分别为 28.5%、13.6%、12.5%、15.6%，最大压碎值为 28.5%，压碎值均值为17.6%。结果显示，辉绿岩细集料的最大压碎值和平均压碎值均小于石灰岩细集料；平均压碎值越大，所制备的沥青混合料越易于压实，沥青用量也越少，从该角度考虑，永久性沥青路面应选用石灰岩细集料。3 永久性沥青路面力学性能3.1 材料参数取值结合公路沥青路面设计规范（JTG D502017）相关要求，进行材料参数值的拟定，结果见表2。根据试验段逐层路面弯沉测试结果进行材料参数反复调整，保证在双圆均布荷载下路表弯沉最大值与实测值误差不超出5%。调整过程应由下至上逐层进行，先在模型中代入土基初始模量，按照双圆均布荷载下路表弯沉最大值与实测值之差调整土基回弹模量，直至将路表弯沉最大值与实测值误差控制在5%以内，并得出真实模量；进而采用相同操作调整功能层、基层、面层材料参数，直至各结构层材料参数取值均满足要求。表2 材料参数拟定结果结构层上面层中面层下面层上基层下基层底基层功能层土基原结构4 cm厚SMA-13（SBS改性沥青）6 cm厚AC-20（SBS改性沥青）8 cm厚AC-25（70#基质沥青）18 cm厚水稳碎石18 cm厚水稳碎石18 cm厚水稳碎石15 cm厚级配碎石弹性模量/MPa2 0002 0002 0003 2003 2002 60030050泊松比0.250.250.250.250.250.250.350.40永久性结构4 cm厚SMA-13（SBS改性沥青）8 cm厚LGAC-20（SBS改性沥青）10 cm厚AC-25（70#基质沥青）10 cm厚LSPM-25（SBS改性沥青）4 cm厚FAC-13（SBS改性沥青）15 cm厚级配碎石40 cm厚路基改良土初始模量/MPa1 0001 0001 0001 0001 00030010050实际模量/MPa2 4002 6002 4003 60098045020050泊松比0.250.250.250.250.250.350.400.403.2 结构响应准则沥青混合料表面裂缝及轮迹带车辙累积发展必然造成柔性路面结构性病害，为此，本文提出“累积损伤”概念，基于不同外界环境，对各种荷载引发的车辙、层底拉应变等病害展开计算，并根据计算结果评价路面结构总损伤程度。根据相关规范，柔性沥青路面网裂面积超出轮载作用面积 10%或车辙深度超出12.5 mm，即认为发生了路面破坏。基于此，当路面破坏指数取值超出 1.0，就需要展开路面表层维修养护。此外，还采用了最大路面弯沉、相邻两个无结合料处治的集料层模量比等指标展开设计厚度校核。由于结构层下部压实度降低，故基层及底基层长期模量主要取决于支撑层模量。出现在路基层的车辙或路面变形与路基顶面竖向压应变存在以下关系：logNfv=b3(logMR(soil)b2(logx)vb1（1）式（1）中：Nfv为沥青路面变形达到12.5 mm以上的荷载重复作用次数；MR(soil)为路基弹性模量；x为路基顶面竖向压应变（）；v为基顶竖向压应变校正系数；b1、b2、b3为室内三轴试验得到的土体性能参数，b1=10.9、b2=4.082、b3=0.946。根据计算结果，可以得出不同路基模量下路基顶竖向压应变和行车荷载重复作用次数的关系曲线，根据相关规范及设计经验，车辙主要出现在路基层，因此必须将路基以上结构层充分压实以使其具备较高强度，将其变形和车辙控制在较小范围内。84交通世界TRANSPOWORLD在反复行车荷载作用下，沥青层底水平拉应变将引发柔性沥青路面疲劳裂缝，疲劳破坏和层底水平拉应变之间的经验关系式可表示如下：logNft=tk1k2log()t106k3()logE103（2）式（2）中：Nft为引发疲劳裂缝荷载的重复作用次数；t为疲劳裂缝拉应变校正系数，取值随破坏程度的变化而变化，主要取决于沥青混合料组成情况；t为沥青层底拉应变（）；E为沥青混合料模量；k1、k2、k3为室内疲劳试验得出的沥青混合料性能参数。荷载型疲劳裂缝最初出现在路表面，此后随着行车荷载的持续作用而向下贯穿，这种形式的疲劳裂缝在模量梯度较大的厚沥青面层中更为常见，路面疲劳裂缝也多表现为轮迹带周围的纵向裂缝。3.3 力学响应按照设计规范，半刚性基层沥青路面应以无机结合料稳定层层底拉应力、永久变形量为设计指标，全厚式沥青路面则应以层底拉应变、变形量和路基顶面竖向压应变等为设计指标。结合原路面结构与永久性路面结构相关设计指标取值情况，永久性路面采用沥青结合料基层形式，弯沉、层底拉应变、应力、土基顶面压应变等取值均比原结构半刚性基层路面大；原结构下层的层底拉应力为负值，表明沥青层底应为压应力；FAC-13层底和LSPM-25层底均为拉应力，且前者大于后者。在采用多层改性沥青和土基等增强措施后，永久性路面结构沥青层永久变形明显减小。4 应用效果按照本文所提出的设计方案展开试验段永久性沥青路面施工后，逐层检测各结构层厚度、压实度、回弹模量、弯沉。根据公路工程无机结合料稳定材料试验规程（JTG E512016）相关规定，通过承载板法展开土基表面回弹模量测定，且承载板静压回弹模量应在90 MPa以上，弯沉代表值应不超出120（0.01 mm）。根据检测，LSPM-25顶面、FAC-13顶面、级配碎石顶面、路基改良土顶面平均回弹模量分别为 450.9 MPa、553.4 MPa、526.7 MPa、381.5 MPa，回弹模量代表值分别为275.8 MPa、291.3 MPa、258.0 MPa、223.2 MPa。待各结构层加铺养生结束后，应用落锤式弯沉仪按照40 m间距检测，测试开始前还应在车道旁路缘石喷漆标记，确保逐层测试点位一致。各结构层顶面弯沉测量结果见表3。表3 各结构层顶面弯沉值单位：0.01 mm结构层顶面SMA-13顶面LGAC-20顶面AC-25顶面LSPM-25顶面FAC-13顶面级配碎石顶面路基改良土顶面一车道左轮45.255.068.493.058.760.787.6右轮31.445.150.854.344.570.590.5二车道左轮27.541.341.044.335.266.087.8右轮37.245.063.959.551.476.596.5三车道左轮30.845.249.548.635.171.093.2右轮26.447.651.070.742.376.492.1根据以上测试结果，永久性路面应用后能显著改善弯沉和回弹模量，并随路面结构层的逐层铺筑，各层顶面回弹模量和弯沉减小，也意味着结构刚度的逐层增大。FAC-13属于抗疲劳层，沥青使用量大，集料公称粒径小且刚度低，其上加铺沥青层必定引起弯沉和回弹模量的增大。5 结束语综上所述，永久性沥青路面设计的重点在于确定合理的路面结构，加强混合料配比设计，应用科学的施工质量控制方式，延长沥青路面使用寿命，使路面病害仅局限于表层。按照这种思路所确定的沥青路面结构，虽然早期设计及建设费用较高，但养护维修简便且运维费用低，使用年限远远超出半刚性沥青路面，能充分发挥沥青混凝土路面结构的社会效益和经济效益。参考文献：1 杨毅，龚演，郑俞，等.永久性路面面层高掺量橡胶沥青材料路用性能研究J.公路交通科技，2022，39（12）：27-35.2 吴胜坤，孙金钊，臧小双，等.长寿命沥青路面设计方法研究J.四川建材，2021，47（7）：141-142.3 冯仲宁.乳化沥青透层及永久沥青路面的探讨J.建筑技术开发，2022，49（21）：122-125.85