瀝青路面典型結(jié)構(gòu)分析來了

咱們和貴州瀝青路面施工小編一起來了解一下：

摘要：公路工程中，瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式很多，本文針對半剛性基層、級配碎石基層、倒裝結(jié)構(gòu)以及全厚式瀝青路面這幾種典型的結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)了國內(nèi)外工程中部分典型的結(jié)構(gòu)組合，并分析了各自的優(yōu)缺點、適用性以及受力特性。然后本文基于我國長壽命瀝青路面的發(fā)展需要，基于有限元的方法，著重分析了倒裝結(jié)構(gòu)層的受力特點，總結(jié)了各層模量和厚度變化對力學計算指標的影響規(guī)律。提出了對我國長壽命瀝青路面的思考，指出了我國倒裝結(jié)構(gòu)在理論上有實現(xiàn)長壽命的潛能和優(yōu)勢，但還需要大量工程實踐的摸索和證明。

關(guān)鍵詞：典型結(jié)構(gòu)；倒裝結(jié)構(gòu)；有限元分析；長壽命瀝青路面

1.引言

瀝青路面是我國公路的主要形式，在國省道干線路面中占據(jù)了90%以上 。瀝青路面的結(jié)構(gòu)主要包括面層、基層和路基三部分，其中基層是主要的承重層，承受了從面層傳遞下來的垂直應力，并將其擴散到路基，同時基層一般也是拉應力的主要承受層，因此基層材料的特性對于瀝青路面結(jié)構(gòu)的剛度、強度、穩(wěn)定性以及耐久性等性能至關(guān)重要，瀝青路面結(jié)構(gòu)的分類也主要是依據(jù)基層材料的類型來進行。在我國早期，由于“強基薄面”思想的影響，90%以上的高等級公路瀝青路面都采用了半剛性基層結(jié)構(gòu)，其基層和底基層都是由無機結(jié)合料穩(wěn)定材料組成，這種結(jié)構(gòu)具有很強的強度和剛度，但耐久性和穩(wěn)定性卻略顯不足，因此我國的瀝青路面很多都達不到路面要求的涉及年限 [2]。為了克服傳統(tǒng)半剛性基層結(jié)構(gòu)的缺陷，同時解決我國路面結(jié)構(gòu)單一性的問題，近年來，我國對于柔性基層、倒裝結(jié)構(gòu)等其他類型的結(jié)構(gòu)形式展開了大量的研究和實踐，并與半剛性基層進行了對比，本文在此基礎上總結(jié)現(xiàn)有的一些研究成果，并基于有限元的手段，對我國倒裝結(jié)構(gòu)的力學性能進行分析，總結(jié)對長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)形式的思考。

2. 瀝青路面典型結(jié)構(gòu)組合

2.1. 半剛性基層結(jié)構(gòu)

半剛性基層在我國使用最為廣泛，我國的高速公路大都采用了瀝青面層 + 半剛性基層 + 半剛性底基層的結(jié)構(gòu)。其中，瀝青面層大都為14~18 cm，分3層鋪筑，少數(shù)面層較薄，僅有9~12 cm，分為兩層鋪筑，而半剛性基層厚度一般為20~40 cm，通常采用強度較高的無機結(jié)合料穩(wěn)定集料來進行鋪筑，底基層厚度與其類似，但材料稍次，一般使用的是無機結(jié)合料穩(wěn)定土。表1給出了我國部分采用半剛性基層的高等級公路的路面結(jié)構(gòu)形式 。

半剛性基層結(jié)構(gòu)中的面層是直接的荷載接觸層，承受了較大的壓應力和由于加減速、啟動、制動等因素造成的水平剪應力，因此面層要有足夠的抗車轍能力。而半剛性基層承受了從面層傳遞下來的壓應力，同時層底承受了由于彎拉特性引起的拉應力，因此半剛性基層是結(jié)構(gòu)中的主要承重層。單從受力角度而言，半剛性基層結(jié)構(gòu)實際上是一種合理的結(jié)構(gòu)形式，因為無機結(jié)合料穩(wěn)定材料強度和模量較高，板體性強，與半剛性基層的受力特性適應性很好。但實際工程中，半剛性基層結(jié)構(gòu)的使用效果往往并不理想，這實際上并不是因為半剛性基層的力學性能不足所導致的，而是因為無機結(jié)合料穩(wěn)定材料本身的穩(wěn)定性和耐久性不足，導致力學性能的衰減，進而引發(fā)的破壞。總的來說，半剛性基層結(jié)構(gòu)具有如下的優(yōu)缺點 ：

半剛性基層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢：

1) 剛度和承載能力都較高，結(jié)構(gòu)板體性強，抗變形能力強；

2) 造價低廉，方便就地取材，施工方便。

半剛性基層結(jié)構(gòu)的缺陷：

1) 無機結(jié)合料穩(wěn)定材料容易產(chǎn)生干縮和溫縮開裂，進而引起瀝青路面的反射裂縫；

2) 無機結(jié)合料穩(wěn)定材料水穩(wěn)定差，抗沖刷能力弱，容易產(chǎn)生唧漿等病害；

3) 由于開裂和水損害等因素的影響，半剛性基層的強度和剛度衰減嚴重，造成路面結(jié)構(gòu)整體性能的下降；

4) 半剛性基層的疲勞開裂對軸載的敏感性很高，在我國超載嚴重的情況下，很難達到設計的使用壽命。

5) 半剛性基層壓實后表面過密，噴灑透層油后滲透情況不佳，因此，半剛性基層與瀝青面層間的粘結(jié)很難達到設計假定的完全連續(xù)的狀態(tài)，容易產(chǎn)生脫空和開裂。

正是因為半剛性基層具有上述的缺陷，因此在實際使用過程中，務必要遏制裂縫和水損害的產(chǎn)生，才能發(fā)揮好半剛性基層結(jié)構(gòu)良好的力學性能。實際工程中，可以考慮從材料設計、結(jié)構(gòu)設計以及施工工藝等多方面進行改善：例如做好級配設計，選擇骨架密實型結(jié)構(gòu)；設置應力吸收的隔離層；做好施工過程中的養(yǎng)護和補水工作；做好排水和隔水措施，減少水分下滲入基層，避免動水沖刷等。如果難以做到對裂縫和動水沖刷的遏制，則半剛性基層往往難以發(fā)揮預期的使用效果，此時應考慮其他的結(jié)構(gòu)形式。

2.2. 級配碎石基層結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的半剛性基層結(jié)構(gòu)由于縮裂特性和水損害，容易產(chǎn)生早期破壞，尤其是在東部區(qū)域的長江中下游平原、四川盆地和云貴高原等地區(qū)，道路早期損壞問題嚴重 。為了克服半剛性基層的缺陷，國內(nèi)不少學者都把目光轉(zhuǎn)向了柔性材料，例如瀝青穩(wěn)定碎石和級配碎石等。其中級配碎石可以作為路面結(jié)構(gòu)的上基層，配以無機結(jié)合料穩(wěn)定材料作為底基層，形成倒裝結(jié)構(gòu)，可以有效遏制反射裂縫的產(chǎn)生，也可以作為路面結(jié)構(gòu)的底基層，配以無機結(jié)合料穩(wěn)定材料或瀝青穩(wěn)定材料的上基層，可以有效減小路基不均勻沉降的影響，同時也具有隔水或排水的作用，當然也可以直接全部使用級配碎石材料，形成完全的級配碎石基層結(jié)構(gòu)，不過這種結(jié)構(gòu)抗變形能力較弱，實際承載能力并不高，因此在高等級公路中很少使用，但在等級較低的公路中，確有應用的實例。例如廣西南寧三塘至五塘的二級公路，就使用了5 cm瀝青碎石 + 27 cm級配碎石的結(jié)構(gòu)，該公路實際服役的軸載累積作用次數(shù)遠大于設計值，路用性能表現(xiàn)。

與半剛性基層瀝青路面相比，級配碎石基層結(jié)構(gòu)優(yōu)勢在于不再有反射裂縫的干擾，因此在輕交通荷載作用下，級配碎石基層結(jié)構(gòu)往往能使用很長時間，其穩(wěn)定性和耐久性要優(yōu)于半剛性基層結(jié)構(gòu)，在破壞之前表現(xiàn)出了很強的安定性 [6]，這也是柔性基層材料的共性。此外級配碎石基層結(jié)構(gòu)還具有排水性能好、行車舒適度高的優(yōu)勢 [7]。但級配碎石終究屬于無粘結(jié)材料，其力學強度的形成主要依賴于集料之間的嵌擠，因此級配碎石基層必須要有良好的級配設計，形成嵌擠結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮出力學性能。同時級配碎石結(jié)構(gòu)還具有明顯的應力依賴性，其強度和剛度依賴于側(cè)限的圍壓應力，但實際工程中，能提供的圍壓是有限的，因此級配碎石結(jié)構(gòu)的強度和模量終究不能與有粘結(jié)材料相比，而且級配碎石結(jié)構(gòu)不能承受拉應力，不具備板體性，這些是它的缺陷，導致純級配碎石基層的路面結(jié)構(gòu)無法在高等級公路中使用，只能應用于小交通荷載的較低等級公路中。此時，整個結(jié)構(gòu)中，瀝青層承受了主要的壓應力、拉應力和剪應力，級配碎石層在結(jié)構(gòu)上更多的是傳遞荷載的作用，將瀝青層中的壓應力傳遞到路基中，同時有一定的緩解路基差異性沉降的效果。

2.3. 倒裝結(jié)構(gòu)

倒裝結(jié)構(gòu)是指對基層的倒裝，即在底基層使用剛度較高的無機結(jié)合料穩(wěn)定材料，而在基層使用柔性的級配碎石或瀝青穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)。表2給出了國內(nèi)外部分典型的倒裝結(jié)構(gòu)的路面結(jié)構(gòu)形式 ：

可以發(fā)現(xiàn)，對于倒裝結(jié)構(gòu)中的柔性材料，國外主要使用的是瀝青穩(wěn)定材料，而國內(nèi)更偏向于級配碎石材料。這與兩者瀝青路面發(fā)展歷史的差異有關(guān)，國外大都以柔性路面為主，以瀝青混合料層為主要受力層，對無機結(jié)合料穩(wěn)定材料使用較少，即便在倒裝結(jié)構(gòu)中有所涉及，但總的來說厚度較薄，并不能在承擔荷載方面發(fā)揮很大作用。而我國一直以半剛性基層瀝青路面為主，雖然引入了倒裝結(jié)構(gòu)，但也并不愿放棄半剛性層高剛度和高強度的優(yōu)勢，因此，其厚度相對更厚，能承擔一定的荷載，而基層便可以相對國外進行一定的削弱，使用級配碎石材料或者是級配碎石與ATB的組合。

目前來看，倒裝結(jié)構(gòu)在我國南方多雨地區(qū)使用較多，因為在這些地區(qū)半剛性基層損害比較嚴重，需要引入級配碎石層進行改善?？偟膩碚f，在我國引入這種倒裝結(jié)構(gòu)具有如下的優(yōu)勢 ：

1) 級配碎石屬于散粒結(jié)構(gòu)，具有一定的抗壓強度，但不能傳遞拉應力和拉應變，因此，級配碎石層可以很好地吸收半剛性層開裂釋放的應變能，能夠反射裂縫的產(chǎn)生。

2) 級配碎石層在中間能起到隔離層的作用，使下方的半剛性層受溫度濕度變化影響小，減少了環(huán)境因素變化引起的開裂。

3) 級配碎石層具有很好的排水效果，避免了水分在基層集聚，從而引起的沖刷現(xiàn)象。

4) 由于下臥層半剛性層的剛度較大，有利于級配碎石層充分碾壓獲得較高的密實度，同時較高的下臥層剛度也有利于發(fā)揮級配碎石非線性的受力特性，即圍壓越大，模量越高。

當然這種倒裝結(jié)構(gòu)也存在著自身的缺陷 [10]：因為級配碎石層對設計和施工的要求很高，它要求有的級配組成和良好的壓實質(zhì)量，才能形成密實的嵌擠結(jié)構(gòu)，才能發(fā)揮出其非線性的受力特性，形成較高的模量。另外，倒裝結(jié)構(gòu)從根本上改變了原本半剛性基層結(jié)構(gòu)的受力分布：原本半剛性層與瀝青層直接接觸，完全連續(xù)，半剛性層模量很大，相當于對瀝青層底有約束作用，因此瀝青層層底一般不會產(chǎn)生拉應力，但由于級配碎石的引入，相當于在兩者之間加入了軟弱夾層，瀝青層層底的約束作用大大減弱，由此產(chǎn)生了彎拉應力，導致瀝青層成為了荷載的重要承擔層，而半剛性層承受的彎拉應力大大降低，級配碎石層厚度越大，這種現(xiàn)象越明顯。因此，級配碎石的引入實質(zhì)上會導致原本半剛性基層中的彎拉應力轉(zhuǎn)嫁到了瀝青層，瀝青層負擔加重，所以我國在引入級配碎石基層后一般都需要對瀝青層進行加厚，例如表2中福建省便同時加入了ATB層，為的便是加強瀝青層的承載能力。需要指出的是級配碎石層的引入會增大路面變形量，同時過厚的級配碎石層也不利于發(fā)揮半剛性層的承載能力，所以實際工程中級配碎石層厚度有限，當然也不能過薄，過薄不利于反射裂縫的吸收，所以實踐中級配碎石的厚度一般為10~20 cm [11]。

2.4. 全厚式瀝青路面

全厚式瀝青路面在國外使用較多，是美國、德國、法國等國高等級公路的主要結(jié)構(gòu)形式，其中全厚式的瀝青層一般由瀝青混合料面層 + 瀝青穩(wěn)定材料基層構(gòu)成，整體的厚度法國一般為23~47 cm，德國一般為22~34 cm，美國實際使用一般為18~50 cm [12]。在2002年，AASHTO指南中，也給出了推薦厚度，對于12~100百萬標準軸次對應的瀝青層厚度一般取29~43 cm [13]。但值得一提的是，在不同，全厚式瀝青路面的概念有所差別，美國的全厚式瀝青路面被嚴格定義為路基之上只有瀝青材料，如果加鋪了無機結(jié)合料穩(wěn)定層或者粒料層就都不屬于全厚式瀝青路面，其中加鋪粒料底基層的結(jié)構(gòu)被稱為高強度厚瀝青層路面。但在法國，全厚式瀝青路面一般要求設置一定厚度的無機結(jié)合料處置層或者粒料層，德國也要求需要設置一定厚度的粒料層，相當于美國的高強度厚瀝青路面結(jié)構(gòu)。

但無論有沒有加鋪無機結(jié)合料穩(wěn)定層或者粒料層，其路面結(jié)構(gòu)的受力原理都是一致的，即利用瀝青層作為主要甚至全部的承重層，承擔壓應力、剪應力和拉應力，這就要求瀝青層具有較高的厚度。瀝青層越厚，層底的拉應變便會越小，如果瀝青層的厚度超過某一閾值，以至于瀝青層底的拉應變小于材料的疲勞極限，那么理論上瀝青層便永遠不會發(fā)生彎拉形式的疲勞破壞，也就不會產(chǎn)生down-top類型的貫穿結(jié)構(gòu)層的裂縫。當然，由于路表水平拉應變、瀝青老化以及溫度應力等原因，瀝青層往往會產(chǎn)生一定量的top-down類型的裂縫 [14]，但這種裂縫一般局限于路表，只需要進行及時的罩面修復，便不會擴展到整個結(jié)構(gòu)層，形成結(jié)構(gòu)性損壞 [15]。因此，全厚式瀝青路面只要瀝青層厚度足夠，理論上來說可以通過及時的養(yǎng)護維修實現(xiàn)長期甚至的使用，這是全厚式瀝青路面優(yōu)勢，也正是因為如此，全厚式瀝青路面成為了國外長壽命瀝青路面或瀝青路面的主流。

需要指出的是，并不是柔性的全厚式瀝青路面車轍變形就一定比半剛性基層瀝青路面大，因為在半剛性基層結(jié)構(gòu)中，由于下臥層剛度過大，導致瀝青層的剪應力會很高，而在全厚式瀝青路面中，由于面層和基層模量相近，變形協(xié)調(diào)更好，此時其剪應力相對于半剛性基層結(jié)構(gòu)會更小，相應的由于側(cè)向流動引起的車轍變形也會減小，因此沒必要對全厚式瀝青路面的車轍變形量過分擔憂 。

3. 倒裝結(jié)構(gòu)的力學分析

實際工程中，路基路面的結(jié)構(gòu)形式很多，本文在第一節(jié)中節(jié)選了四種比較典型的結(jié)構(gòu)形式，但在這四種結(jié)構(gòu)中，半剛性基層路面一直飽受早期開裂的干擾，而級配碎石瀝青路面難以滿足高等級道路的要求，只有倒裝結(jié)構(gòu)和全厚式瀝青路面，無論是力學表現(xiàn)還是長期使用性能，都能保持良好且穩(wěn)定，符合當前長壽命瀝青路面建設的需要。不過在我國，由于歷史和成本等因素的影響，無機結(jié)合料穩(wěn)定材料仍然在路面結(jié)構(gòu)中被廣泛保留，因此全厚式瀝青路面在我國使用較少，而倒裝結(jié)構(gòu)現(xiàn)在反而使用較多。因此，在本節(jié)中，也將主要針對倒裝結(jié)構(gòu)進行力學分析，另外，本文所采用的力學計算方法主要是基于ABAQUS的有限元法。

3.1. 初始模型參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)設計過程中的力學計算一般基于的是彈性層狀體系理論，并采用標準的雙圓形荷載，所選取的計算面是雙圓荷載橫向?qū)ΨQ軸所在面，因為設計過程中需要計算的力學指標都是在該面達到。這里，值得一提的是，由于對稱性，該面上任意一點在垂直于該面方向上的位移為零，應變很小，與平面應變狀態(tài)接近，因此，可以將實際的三維模型簡化成平面應變模型。當然，由于車輛荷載與路表的接觸面并不是長條形結(jié)構(gòu)，因此這樣的簡化會造成力學響應計算結(jié)果偏大，與實際設計不符，但本文主要是定性分析路面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對力學響應變化的影響規(guī)律，不要求對實際荷載作用下結(jié)構(gòu)力學響應的量值進行計算，因此，這樣的簡化是可以接受的。

另外，路面結(jié)構(gòu)設計中，使用雙圓形荷載更多的是為了方便使用彈性層狀體系理論進行計算，但實際上，由于輪胎扁平化的發(fā)展趨勢，當今汽車輪胎與路表的接觸面更接近于矩形，因此，在有限元分析中，如果采用平面應變模型，一般會使用標準的雙矩形荷載，如圖1所示，為了與雙圓形荷載等效，一般取19.2 cm，此時兩者面積相等，標準軸載下的接觸壓力一致 。

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