金陽(yáng)瀝青路面施工：瀝青路面典型結(jié)構(gòu)分析來(lái)了

咱們和貴州瀝青路面施工小編一起來(lái)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(duì)半剛性基層、級(jí)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(guó)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(diǎn)、適用性以及受力特性。然后本文基于我國(guó)長(zhǎng)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(diǎn)，總結(jié)了各層模量和厚度變化對(duì)力學(xué)計(jì)算指標(biāo)的影響規(guī)律。提出了對(duì)我國(guó)長(zhǎng)壽命瀝青路面的思考，指出了我國(guó)倒裝結(jié)構(gòu)在理論上有實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命的潛能和優(yōu)勢(shì)，但還需要大量工程實(shí)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(zhǎng)壽命瀝青路面

1.引言

瀝青路面是我國(guó)公路的主要形式，在國(guó)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(lái)的垂直應(yīng)力，并將其擴(kuò)散到路基，同時(shí)基層一般也是拉應(yīng)力的主要承受層，因此基層材料的特性對(duì)于瀝青路面結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)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(lái)進(jìn)行。在我國(guó)早期，由于“強(qiáng)基薄面”思想的影響，90%以上的高等級(jí)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(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料組成，這種結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的強(qiáng)度和剛度，但耐久性和穩(wěn)定性卻略顯不足，因此我國(guó)的瀝青路面很多都達(dá)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(shí)解決我國(guó)路面結(jié)構(gòu)單一性的問(wèn)題，近年來(lái)，我國(guó)對(duì)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(shí)踐，并與半剛性基層進(jìn)行了對(duì)比，本文在此基礎(chǔ)上總結(jié)現(xiàn)有的一些研究成果，并基于有限元的手段，對(duì)我國(guó)倒裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行分析，總結(jié)對(duì)長(zhǎng)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(guó)使用最為廣泛，我國(guó)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(qiáng)度較高的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料來(lái)進(jìn)行鋪筑，底基層厚度與其類似，但材料稍次，一般使用的是無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定土。表1給出了我國(guó)部分采用半剛性基層的高等級(jí)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(yīng)力和由于加減速、啟動(dòng)、制動(dòng)等因素造成的水平剪應(yīng)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(lái)的壓應(yīng)力，同時(shí)層底承受了由于彎拉特性引起的拉應(yīng)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(shí)際上是一種合理的結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)闊o(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料強(qiáng)度和模量較高，板體性強(qiáng)，與半剛性基層的受力特性適應(yīng)性很好。但實(shí)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(shí)際上并不是因?yàn)榘雱傂曰鶎拥牧W(xué)性能不足所導(dǎo)致的，而是因?yàn)闊o(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料本身的穩(wěn)定性和耐久性不足，導(dǎo)致力學(xué)性能的衰減，進(jìn)而引發(fā)的破壞?？偟膩?lái)說(shuō)，半剛性基層結(jié)構(gòu)具有如下的優(yōu)缺點(diǎn) ：

半剛性基層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)：

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

2) 造價(jià)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(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料容易產(chǎn)生干縮和溫縮開裂，進(jìn)而引起瀝青路面的反射裂縫；

2) 無(wú)機(jī)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(qiáng)度和剛度衰減嚴(yán)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(duì)軸載的敏感性很高，在我國(guó)超載嚴(yán)重的情況下，很難達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命。

5) 半剛性基層壓實(shí)后表面過(guò)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(dá)到設(shè)計(jì)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?yàn)榘雱傂曰鶎泳哂猩鲜龅娜毕?，因此在?shí)際使用過(guò)程中，務(wù)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(xué)性能。實(shí)際工程中，可以考慮從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及施工工藝等多方面進(jìn)行改善：例如做好級(jí)配設(shè)計(jì)，選擇骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)；設(shè)置應(yīng)力吸收的隔離層；做好施工過(guò)程中的養(yǎng)護(hù)和補(bǔ)水工作；做好排水和隔水措施，減少水分下滲入基層，避免動(dòng)水沖刷等。如果難以做到對(duì)裂縫和動(dòng)水沖刷的遏制，則半剛性基層往往難以發(fā)揮預(yù)期的使用效果，此時(shí)應(yīng)考慮其他的結(jié)構(gòu)形式。

2.2. 級(jí)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(zhǎng)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(wèn)題嚴(yán)重 。為了克服半剛性基層的缺陷，國(guó)內(nèi)不少學(xué)者都把目光轉(zhuǎn)向了柔性材料，例如瀝青穩(wěn)定碎石和級(jí)配碎石等。其中級(jí)配碎石可以作為路面結(jié)構(gòu)的上基層，配以無(wú)機(jī)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(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料或?yàn)r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(shí)也具有隔水或排水的作用，當(dāng)然也可以直接全部使用級(jí)配碎石材料，形成完全的級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)，不過(guò)這種結(jié)構(gòu)抗變形能力較弱，實(shí)際承載能力并不高，因此在高等級(jí)公路中很少使用，但在等級(jí)較低的公路中，確有應(yīng)用的實(shí)例。例如廣西南寧三塘至五塘的二級(jí)公路，就使用了5 cm瀝青碎石 + 27 cm級(jí)配碎石的結(jié)構(gòu)，該公路實(shí)際服役的軸載累積作用次數(shù)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，路用性能表現(xiàn)。

與半剛性基層瀝青路面相比，級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)在于不再有反射裂縫的干擾，因此在輕交通荷載作用下，級(jí)配碎石基層結(jié)構(gòu)往往能使用很長(zhǎng)時(shí)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(qiáng)的安定性 [6]，這也是柔性基層材料的共性。此外級(jí)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(shì) [7]。但級(jí)配碎石終究屬于無(wú)粘結(jié)材料，其力學(xué)強(qiáng)度的形成主要依賴于集料之間的嵌擠，因此級(jí)配碎石基層必須要有良好的級(jí)配設(shè)計(jì)，形成嵌擠結(jié)構(gòu)才能發(fā)揮出力學(xué)性能。同時(shí)級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)還具有明顯的應(yīng)力依賴性，其強(qiáng)度和剛度依賴于側(cè)限的圍壓應(yīng)力，但實(shí)際工程中，能提供的圍壓是有限的，因此級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和模量終究不能與有粘結(jié)材料相比，而且級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)不能承受拉應(yīng)力，不具備板體性，這些是它的缺陷，導(dǎo)致純級(jí)配碎石基層的路面結(jié)構(gòu)無(wú)法在高等級(jí)公路中使用，只能應(yīng)用于小交通荷載的較低等級(jí)公路中。此時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)中，瀝青層承受了主要的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力，級(jí)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(yīng)力傳遞到路基中，同時(shí)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(duì)基層的倒裝，即在底基層使用剛度較高的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料，而在基層使用柔性的級(jí)配碎石或?yàn)r青穩(wěn)定材料的結(jié)構(gòu)。表2給出了國(guó)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(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)中的柔性材料，國(guó)外主要使用的是瀝青穩(wěn)定材料，而國(guó)內(nèi)更偏向于級(jí)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(guó)外大都以柔性路面為主，以瀝青混合料層為主要受力層，對(duì)無(wú)機(jī)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(lái)說(shuō)厚度較薄，并不能在承擔(dān)荷載方面發(fā)揮很大作用。而我國(guó)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(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)，因此，其厚度相對(duì)更厚，能承擔(dān)一定的荷載，而基層便可以相對(duì)國(guó)外進(jìn)行一定的削弱，使用級(jí)配碎石材料或者是級(jí)配碎石與ATB的組合。

目前來(lái)看，倒裝結(jié)構(gòu)在我國(guó)南方多雨地區(qū)使用較多，因?yàn)樵谶@些地區(qū)半剛性基層損害比較嚴(yán)重，需要引入級(jí)配碎石層進(jìn)行改善?？偟膩?lái)說(shuō)，在我國(guó)引入這種倒裝結(jié)構(gòu)具有如下的優(yōu)勢(shì) ：

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

2) 級(jí)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(jí)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(jí)配碎石層充分碾壓獲得較高的密實(shí)度，同時(shí)較高的下臥層剛度也有利于發(fā)揮級(jí)配碎石非線性的受力特性，即圍壓越大，模量越高。

當(dāng)然這種倒裝結(jié)構(gòu)也存在著自身的缺陷 [10]：因?yàn)榧?jí)配碎石層對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求很高，它要求有的級(jí)配組成和良好的壓實(shí)質(zhì)量，才能形成密實(shí)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(dāng)于對(duì)瀝青層底有約束作用，因此瀝青層層底一般不會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，但由于級(jí)配碎石的引入，相當(dāng)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(yīng)力，導(dǎo)致瀝青層成為了荷載的重要承擔(dān)層，而半剛性層承受的彎拉應(yīng)力大大降低，級(jí)配碎石層厚度越大，這種現(xiàn)象越明顯。因此，級(jí)配碎石的引入實(shí)質(zhì)上會(huì)導(dǎo)致原本半剛性基層中的彎拉應(yīng)力轉(zhuǎn)嫁到了瀝青層，瀝青層負(fù)擔(dān)加重，所以我國(guó)在引入級(jí)配碎石基層后一般都需要對(duì)瀝青層進(jìn)行加厚，例如表2中福建省便同時(shí)加入了ATB層，為的便是加強(qiáng)瀝青層的承載能力。需要指出的是級(jí)配碎石層的引入會(huì)增大路面變形量，同時(shí)過(guò)厚的級(jí)配碎石層也不利于發(fā)揮半剛性層的承載能力，所以實(shí)際工程中級(jí)配碎石層厚度有限，當(dāng)然也不能過(guò)薄，過(guò)薄不利于反射裂縫的吸收，所以實(shí)踐中級(jí)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(guó)外使用較多，是美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)高等級(jí)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(guó)一般為23~47 cm，德國(guó)一般為22~34 cm，美國(guó)實(shí)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(duì)于12~100百萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)軸次對(duì)應(yīng)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(guó)的全厚式瀝青路面被嚴(yán)格定義為路基之上只有瀝青材料，如果加鋪了無(wú)機(jī)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(qiáng)度厚瀝青層路面。但在法國(guó)，全厚式瀝青路面一般要求設(shè)置一定厚度的無(wú)機(jī)結(jié)合料處置層或者粒料層，德國(guó)也要求需要設(shè)置一定厚度的粒料層，相當(dāng)于美國(guó)的高強(qiáng)度厚瀝青路面結(jié)構(gòu)。

但無(wú)論有沒(méi)有加鋪無(wú)機(jī)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(dān)壓應(yīng)力、剪應(yīng)力和拉應(yīng)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(yīng)變便會(huì)越小，如果瀝青層的厚度超過(guò)某一閾值，以至于瀝青層底的拉應(yīng)變小于材料的疲勞極限，那么理論上瀝青層便永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生彎拉形式的疲勞破壞，也就不會(huì)產(chǎn)生down-top類型的貫穿結(jié)構(gòu)層的裂縫。當(dāng)然，由于路表水平拉應(yīng)變、瀝青老化以及溫度應(yīng)力等原因，瀝青層往往會(huì)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(jìn)行及時(shí)的罩面修復(fù)，便不會(huì)擴(kuò)展到整個(gè)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(lái)說(shuō)可以通過(guò)及時(shí)的養(yǎng)護(hù)維修實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期甚至的使用，這是全厚式瀝青路面優(yōu)勢(shì)，也正是因?yàn)槿绱?，全厚式瀝青路面成為了國(guó)外長(zhǎng)壽命瀝青路面或?yàn)r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?yàn)樵诎雱傂曰鶎咏Y(jié)構(gòu)中，由于下臥層剛度過(guò)大，導(dǎo)致瀝青層的剪應(yīng)力會(huì)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(shí)其剪應(yīng)力相對(duì)于半剛性基層結(jié)構(gòu)會(huì)更小，相應(yīng)的由于側(cè)向流動(dòng)引起的車轍變形也會(huì)減小，因此沒(méi)必要對(duì)全厚式瀝青路面的車轍變形量過(guò)分擔(dān)憂 。

3. 倒裝結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

實(shí)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(jí)配碎石瀝青路面難以滿足高等級(jí)道路的要求，只有倒裝結(jié)構(gòu)和全厚式瀝青路面，無(wú)論是力學(xué)表現(xiàn)還是長(zhǎng)期使用性能，都能保持良好且穩(wěn)定，符合當(dāng)前長(zhǎng)壽命瀝青路面建設(shè)的需要。不過(guò)在我國(guó)，由于歷史和成本等因素的影響，無(wú)機(jī)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(guó)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(duì)倒裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，另外，本文所采用的力學(xué)計(jì)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(shè)計(jì)過(guò)程中的力學(xué)計(jì)算一般基于的是彈性層狀體系理論，并采用標(biāo)準(zhǔn)的雙圓形荷載，所選取的計(jì)算面是雙圓荷載橫向?qū)ΨQ軸所在面，因?yàn)樵O(shè)計(jì)過(guò)程中需要計(jì)算的力學(xué)指標(biāo)都是在該面達(dá)到。這里，值得一提的是，由于對(duì)稱性，該面上任意一點(diǎn)在垂直于該面方向上的位移為零，應(yīng)變很小，與平面應(yīng)變狀態(tài)接近，因此，可以將實(shí)際的三維模型簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變模型。當(dāng)然，由于車輛荷載與路表的接觸面并不是長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，因此這樣的簡(jiǎn)化會(huì)造成力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果偏大，與實(shí)際設(shè)計(jì)不符，但本文主要是定性分析路面結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)力學(xué)響應(yīng)變化的影響規(guī)律，不要求對(duì)實(shí)際荷載作用下結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的量值進(jìn)行計(jì)算，因此，這樣的簡(jiǎn)化是可以接受的。

另外，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)算，但實(shí)際上，由于輪胎扁平化的發(fā)展趨勢(shì)，當(dāng)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(yīng)變模型，一般會(huì)使用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)兩者面積相等，標(biāo)準(zhǔn)軸載下的接觸壓力一致 。

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