级配碎石过渡层沥青路面结构设计方法研究

刘皓琨

(京台高速公路廊坊建设管理处　廊坊　065000)

级配碎石过渡层沥青路面结构设计方法研究

刘皓琨

(京台高速公路廊坊建设管理处廊坊065000)

摘要基于级配碎石过渡层沥青路面结构典型病害——车辙和疲劳开裂，确定控制级配碎石过渡层沥青路面4个设计指标：沥青层底弯拉应变、级配碎石层顶面竖向剪切应力、半刚性基层层底弯拉应力与路基顶面竖向压应变，给出推荐容许值和路面结构设计流程图；在不同土基强度和交通量分级下，给出级配碎石过渡层沥青路面的合理结构。

关键词沥青路面级配碎石过渡层结构设计

1　级配碎石过渡层沥青路面设计指标

车辙和疲劳开裂是级配碎石过渡层沥青路面结构的主要破坏类型。在设计典型路面结构时，根据其内部的受力特性，应确定路面结构控制设计的主要因素，即沥青面层层底弯拉应力及土基顶面竖向压应变，并同时考虑半刚性底基层弯拉应力及级配碎石顶面竖向剪切应力。

1.1永久变形

路面结构的永久变形由路面各个组成部分的永久变形组合而成，包括面层、基层、底基层、垫层和路基。这些并不是规范要求的设计控制指标，而主要是是通过采用控制材料动稳定度或其他指标达到减少车辙的目的[1]。

为限制过量永久变形，在路面结构设计中提出：

(1) 路基顶面竖向压应变。控制路表永久变形量简单方便，因此它是限制路基顶面竖向压应变指标的方法。路表永久变形包括面层、基层和路基在内的总永久变形，为使在重复荷载作用下的永久变形稳定在有限容许范围内，确保路基土不发生剪切破坏，用路基土应力水平指标来评价。

在我国交通部西部交通建设科技项目中[2]，建立了推荐作为我国柔性路面设计指标之一的路基土顶面竖向压应变设计方程：

(1)

(2) 分层应变总和。分层应变总和法分析计算路面结构永久变形，按式2计算：

(2)

式中：N为荷载重复作用次数；n为路面结构分层数；εpi(N)为作用N次时第i层的竖向塑性压应变；hi为第i层的厚度。

(3) 沥青层永久变形。在工程实践中，由于沥青与沥青混合料粘滞性和塑性的性质及复杂的应力应变、温度与作用时间的依赖性，通常通过沥青混合料组成设计保证混合料抵抗永久变形的能力。

(4) 级配碎石塑性变形量。推荐选用我国交通部西部交通建设科技项目[2]中提出的典型柔性路面结构粒料基层永久变形量的回归公式：

(3)

式中：δ为粒料永久变形量，mm；N为当量轴载作用次数；h1为面层厚度,cm；E1为面层模量，MPa；h2为基层厚度，cm；E2为基层模量，MPa；E0为土基模量，MPa。

1.2疲劳开裂性能

(1) 沥青层底弯拉应变。为控制沥青路面疲劳开裂的性能，本文采用沥青层层底弯拉应变。弯拉应变相对于弯拉应力而言，其便于测试，并能有效评价路面性能；柔性基层沥青路面沥青层疲劳状态接近常应变疲劳状态；其指标更便于同国外方法进行比较。

(2) 半刚性底基层的弯拉应力。深入研究半刚性基层材料的疲劳损坏和疲劳性能，对路面结构设计有着重要意义。半刚性底基层的疲劳应力与路面寿命之间的关系式：

(4)

式中：σr为半刚性底基层材料弯拉应力；fr为次荷载下的极限弯拉应力；Nf为路面结构设计年限内累计当量轴次；a,b为系数。

2　路面结构设计指标容许值的计算

2.1设定指标容许值

含级配碎石过渡层的沥青路面结构其路面与路基的响应值有：沥青层层底水平弯拉应变；级配碎石粒料层顶面竖向剪切应力；无机结合料稳定材料层底水平弯拉应力；土基顶面竖向压应变[3-4]。

控制以上响应值发生破坏的设计指标有：

(5)

式中：εr为单圆荷载中心处沥青层底弯拉应变；εRr为沥青层底容许弯拉应变。

(6)

式中：σm为单圆荷载中心处级配碎石层顶面竖向剪切应力；σRm为级配碎石层容许剪切强度。

(7)

式中：σr为轮隙中心处半刚性层底弯拉应力；σR为半刚性层底容许弯拉应力。

(8)

式中：εs为轮隙中心处路基顶面竖向压应变；εRs为路基顶面容许竖向压应变。

2.2设计指标容许值的计算

设计指标容许值的计算是国外设计方法的核心也是最难以确定的问题，需要区别不同路面结构特点与当地环境因素与交通状况综合考虑，各设计指标计算如下。

(1) 级配碎石层容许剪切强度通过对级配碎石材料进行剪切试验确定。

(2) 路基顶面容许竖向压应变与路面寿命之间的关系通过路基顶面竖向压应变设计方程式(1)确定。

(3) 半刚性底基层的容许弯拉应力与路面寿命之间的关系通过无机结合料稳定类基层疲劳方程即方程(4)确定。

(4) 沥青层底面容许弯拉应变与路面寿命之间的关系采用我国交通部西部交通建设科技项目中所用的沥青混合料动态预估模型确定。

3　级配碎石过渡层材料要求与设计参数的确定

3.1材料要求

对级配碎石材料的要求如下。

(1) 级配碎石过渡层的作用是有效地防止和减缓半刚性基层沥青路面反射裂缝，因此级配碎石应具有高密度、高强度及良好的透水性。

(2) 应采用强度较高，且压碎值<26%，液限<25%，细料并无塑性的优质轧制碎石作为级配碎石。

(3) 采用集料颗粒分布相对较粗的密实级配碎石为宜，最大粒径宜取40mm，通过5mm筛含量≤40%，通过0.5mm筛含量≤15%，通过0.075mm筛含量≤5%的级配为宜。

3.2设计参数的确定

级配碎石材料的设计参数取表1中级配碎石回弹模量的推荐值。其他材料层设计参数同现行规范。

表1　级配碎石回弹模量推荐值

3.3结构设计流程

含级配碎石过渡层的沥青路面结构及其厚度的确定见图1[5-6]。

图1　路面结构设计流程图

4　推荐合理结构

根据《公路沥青路面设计规范》，交通量以累计当量轴次划分为4个等级，见表2，土基强度划分为3个等级：S1(30～45 MPa)，S2(45～65 MPa)，S3(≥65 MPa)。考虑到不同土基强度分级与交通量分级，参照国外柔性基层沥青路面结构设计经验，并按照设计原则通过理论计算分析，初拟级配碎石过渡层沥青路面结构见表3。

表2　交通量等级

表3　级配碎石过渡层沥青路面合理结构

表3中推荐的路面合理结构适用于：

(1) 拟定的含级配碎石过渡层的沥青路面结构主要针对二级或二级以上高等级公路沥青路面设计，其设计年限内一个车道的累计当量轴次为200万次以上。

(2) 土基回弹模量E0<30 MPa 时，应采取设置垫层或改善层的方法对路基进行工程技术处理，直到E0>30 MPa 后再用该表中的路面合理结构。

(3) 具体的设计需结合当地气候、材料及经济水平等因素，结合本路面合理结构进行设计。

5　结论

(1) 级配碎石过渡层的沥青路面结构破坏类型主要是车辙和疲劳开裂，因此，将沥青层底弯拉应力或应变及土基顶面竖向压应变作为控制路面结构设计的主要因素。

(2) 确定控制级配碎石过渡层沥青路面发生破坏的4个指标，并给出推荐的容许值。同时根据级配碎石层材料要求，给出设计流程图。

(3) 根据不同交通量分级和土基强度分级，初拟路面合理结构，供实际应用参考选取。

参考文献

[1]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]中交公路规划设计院有限公司.沥青路面设计指标和参数研究报告[R].北京：中交公路规划设计院有限公司，2007.

[3]谢军,曹彬.刚性基层复合式沥青路面层间剪应力分析[J].武汉理工大学学报:交通科学与工程版,2013(6):1165-1168.

[4]袁峻.级配碎石基层性能与设计方法的研究[D].南京：东南大学，2004.

[5]袁峻,黄晓明.级配碎石夹层半刚性底基层沥青路面结构分析[J].中南公路工程，2006(10):43-47.

[6]孟书涛.沥青路面合理结构的研究[D].南京：东南大学，2005.

收稿日期：2015-04-23

ApplicabilityResearchoftheMicro-surfacingMixturetoAnti-slidingTreatment

Wang Guozhong

(ShanxiProvincialResearchInstituteofCommunications,

keylaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceinLoessRegion,Taiyuan030006,China)

Abstract：For further research on the relationship between texture depth and asphalt content of Micro-surfacing pavement, the paper selected 6 representative insufficient anti-sliding performance index sections, measured the texture depth and anti-sliding performance before and after the treatment, researched the applicability of the Micro-surfacing mixture to anti-sliding performance treatment. The results show that texture depth have a good correlation with aggregate gradation and asphalt content; texture depth and anti-sliding performance index had no obvious relationship；Micro-surfacing mixture can only improve the anti-sliding performance of pavement temporary, but cannot have a long-term effect.

Key words:MS-2 micro-surfacing mixture; anti-sliding performance; texture depth; decay law

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.016