岩 土 力 学 2009 年 646 外 长 寿 沥 青 路 面 结 构 设 计 方 法 进 行 必 要 的 技 术 储 备 辙 深 度 作 为 判 断 标 准, 是 因 为 过 去 美 国 对 在 役 路 面 的 调 查 表 明, 达 到 这 样 的 损 坏 程 度, 一 般 就 需 要 启 动

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1 第 30 卷第 3 期 2009 年 3 月 岩 土 力 学 Rock and Sol Mechancs Vol.30 No.3 Mar 文章编号 (2009) 长寿沥青路面结构的层厚设计与分析 邹维列 1, 2 王 钊 1 彭远新 1 1.武汉大学 土木建筑工程学院 武汉 岩土与结构工程安全湖北省重点实验室 武汉 摘 要 介绍和讨论了一种用于重交通长寿沥青路面的层厚设计方法 该方法基于限制沥青层底的拉应变和路基顶面的压应 变 采用两个准则来校核所设计的沥青层厚度的适宜性 一是控制设计荷载作用下的最大路表弯沉 二是控制相邻两个无结 合料处治的集料层的模量比 采用 等效模量 概念来考虑路基 路面材料的模量随季节的变化 在预测疲劳 与荷载相关 的裂缝 和路基变形时 采用了 累计损伤 的概念 给出了广东 梧州高速试验路段长寿沥青路面结构组合设计实例 最 后对与疲劳裂缝有关的两个关键问题进行了讨论 关 键 词 长寿沥青路面 响应模型 累计损伤 等效模量 疲劳极限 疲劳裂缝 中图分类号 U 文献标识码 A Desgn and analyss of layer thckness of perpetual asphalt pavement structure ZOU We-le1, 2, WANG Zhao1, PENG Yuan-xn1 (1.School of Cvl Engneerng, Wuhan Unversty, Wuhan , Chna; 2. Hube Key Laboratory of Securty of Geotechncal and Structural Engneerng, Wuhan , Chna) Abstract: A desgn method of layer thckness of perpetual asphalt pavement structure for heavy traffc s ntroduced and dscussed. Based on lmtng the tensle stran at the bottom of the asphalt layer and the vertcal compressve stran at the top of the subgrade, the sutablty of layer thckness s checked by two crtera. One s controllng the maxmum surface deflecton under the desgn load, and the other s controllng the modulus rato between adjacent unbound aggregate base and subbase layer. The cumulatve damage concept n predctng the fatgue (load-related crackng) and subgrade dstorton s appled. Seasonal varatons of materal propertes are consdered by usng equvalent modulus concept. A practcal desgn of perpetual asphalt pavement structure for Guangdong to Wuzhou Expressway n Guangdong Provnce, Chna, s presented. Two key desgn ssues related to fatgue crackng are dscussed. Key words: perpetual asphalt pavement; response model; cumulatve damage; equvalent modulus; fatgue crackng 1 引 公路沥青路面设计规范 仍规定采用 弯沉 作 言 为设计和施工质量检验的唯一指标 这在世界上也 由于半刚性基层沥青路面的缺点 甚至是无法 是唯一的[2] 若采用柔性基层沥青路面 施工质 克服的缺点 在我国广泛修建的半刚性基层沥青路 量检验就过不了关 所以沈金安研究员在第二届全 面结构频繁产生各种损坏 短期损坏最直接的原因 国公路科技创新高层论坛上呼吁 在这种情况下 是施工质量不到位及离析造成的 较长时间的损坏 努力引进国际上的先进技术 引进国外的标准 规 [1] 或者说耐久性不足则具有某种共性 影响也更大 范 实现交通建设的跨越式发展 否则 再进行几 目前我国一些交通部 年的研究 也未必能够统一意见 而每年几千公里 门主观上希望按照现在国际上通行的方法 建设一 的高速公路可等待不起 这种状况不能再延续下去 些采 用柔性基层 复合式基 层的长寿沥 青路面 了 [2] 基于此 本文对美国长寿沥青路面的沥青 perpetual asphalt pavement [2] 但因为目前我国 层厚度设计思想与方法进行介绍与讨论 为引进国 收稿日期 基金项目 交通部西部交通建设科技项目 No 山西省交通厅科技项目 No 第一作者简介 邹维列 男 1969 年生 博士 副教授 主要从事非饱和土特性 土工合成材料应用 道路中的岩土工程问题等方面的教学与科研 工作 E-mal: zwllam@126.com

2 岩 土 力 学 2009 年 646 外 长 寿 沥 青 路 面 结 构 设 计 方 法 进 行 必 要 的 技 术 储 备 辙 深 度 作 为 判 断 标 准, 是 因 为 过 去 美 国 对 在 役 路 面 的 调 查 表 明, 达 到 这 样 的 损 坏 程 度, 一 般 就 需 要 启 动 路 面 维 修 计 划 了 2 长 寿 路 面 的 力 学 设 计 法 以 往 采 用 经 验 方 法 ( 如 CBR 法 或 AASHTO 结 构 系 数 法 ) 设 计 沥 青 路 面 结 构 无 法 考 虑 按 功 能 设 置 的 路 面 各 结 构 层 在 抗 疲 劳 车 辙 和 低 温 裂 缝 方 面 的 贡 献 或 作 用 因 此, 长 寿 沥 青 路 面 采 用 能 考 虑 各 层 功 效 的 力 学 设 计 法 即 运 用 力 学 方 法 来 分 析 路 面 结 构 对 气 候 和 荷 载 的 响 应, 根 据 结 构 破 坏 的 临 界 状 态, 选 择 合 适 的 材 料 和 层 厚 设 计 长 寿 沥 青 路 面 的 性 能 目 标 为 : 服 务 期 内 路 基 有 足 够 的 水 温 稳 定 性 ; 中 间 沥 青 层 要 有 足 够 的 厚 度 和 柔 度, 以 避 免 出 现 从 下 至 上 的 疲 劳 裂 缝 (bottom-up fatgue crackng); 上 部 沥 青 层 要 有 足 够 的 刚 度 以 抵 抗 车 辙 它 要 求 路 面 结 构 层 的 上 层 的 混 合 料 为 骨 架 密 实 结 构, 在 使 用 年 限 内 ( 一 般 指 超 过 40 年 而 没 有 结 构 性 的 破 坏 ), 只 需 要 每 隔 一 定 年 限 ( 如 10 年 ) 对 表 面 的 材 料 进 行 铣 刨 和 罩 面, 因 此, 面 层 一 般 采 用 Superpave 混 合 料 开 级 配 抗 滑 表 层 OGFC(open-graded frcton course) 或 高 质 量 的 SMA 混 合 料 (Stone Matrx Asphalt mx) [3-5] 道 路 的 结 构 性 破 坏 通 常 主 要 与 裂 缝 车 辙 的 累 积 有 关, 因 此, 基 于 力 学 性 能 的 设 计 准 则 是 控 制 沥 青 层 底 弯 拉 应 变 不 超 过 疲 劳 极 限 对 应 的 应 变 临 界 值 Monsmth 和 Long [5] 建 议 沥 青 层 底 的 拉 应 变 不 超 过 60 ( 普 通 沥 青 ), 路 基 顶 面 的 垂 直 压 应 变 小 于 长 寿 沥 青 路 面 层 厚 度 设 计 另 外 采 用 了 两 个 准 则 对 基 于 力 学 方 法 得 到 的 设 计 厚 度 进 行 校 核 一 是 限 制 最 大 路 表 弯 沉 (maxmum surface deflecton); 二 是 限 制 相 邻 两 个 无 结 合 料 处 治 的 集 料 层 的 模 量 比 (modulus rato between two adjacent unbound pavement layers) 3.1 结 构 响 应 设 计 准 则 (1) 无 结 合 料 处 治 集 料 层 的 极 限 模 量 比 准 则 在 现 场, 无 处 治 的 基 层 和 底 基 层 的 长 期 模 量 取 决 于 其 支 撑 层 的 模 量 因 为 在 基 层 和 底 基 层 的 下 部 分 存 在 着 压 实 度 降 低 (de-compacton) 的 潜 势 美 国 工 程 师 兵 团 提 出 了 一 个 准 则 来 限 制 这 些 无 结 合 料 处 治 集 料 层 的 模 量, 见 图 1 [6] 此 图 可 用 于 确 定 无 结 合 料 处 治 集 料 基 层 和 底 基 层 的 最 大 模 量 柔 性 路 面 的 结 构 性 病 害 与 沥 青 混 合 料 表 面 裂 缝 或 轮 迹 带 车 辙 的 累 积 和 发 展 有 关 因 此, 本 文 要 介 绍 的 设 计 方 法 在 预 测 这 两 种 类 型 的 病 害 时 采 用 了 累 积 损 伤 (cumulatve damage) 的 概 念 该 方 法 也 考 虑 了 各 层 材 料 特 性 与 模 量 的 季 节 性 变 化 对 这 些 病 害 的 影 响 对 拟 定 的 不 同 路 面 结 构 组 合 ( 厚 度 模 量 ) 的 评 价, 就 是 基 于 在 不 同 季 节 下 对 各 种 荷 载 所 引 起 损 坏 ( 层 底 拉 应 变 车 辙 ) 的 计 算 结 果, 并 通 过 综 合 分 析 这 些 计 算 结 果 来 评 价 对 路 面 结 构 总 的 损 伤 柔 性 路 面 的 破 坏 定 义 为 网 裂 面 积 超 过 轮 载 作 用 面 积 的 10 %( 亦 即 裂 缝 率 超 过 10 %) 或 车 辙 深 度 达 到 12.5 mm 在 这 样 的 规 定 下, 认 为 破 坏 指 数 (damage ndex) 达 到 1.0 时, 则 需 要 进 行 路 面 表 层 的 维 修 之 所 以 选 取 10 % 的 网 裂 和 12.5 mm 的 车 图 1 无 结 合 料 处 治 集 料 基 层 和 底 基 层 的 模 量 控 制 准 则 [6] ( 注 :1 =25.4 mm) Fg.1 Modulus control crtera of unbound aggregate base and subbase layer [6] (1 =25.4 mm) (2) 路 基 顶 面 竖 向 压 应 变 路 基 保 护 准 则 车 辙 或 路 面 变 形 被 认 为 主 要 发 生 在 路 基, 并 与 路 基 顶 面 的 竖 向 压 应 变 有 下 面 的 经 验 关 系 : lg N b [lg( M )] b [lg( )] [ b ] (1) fv 3 R (sol) 2 vs v 1 式 中 : N fv 为 使 路 面 变 形 超 过 12.5 mm 的 荷 载 重 复 作 用 次 数 ; M 为 路 基 土 的 弹 性 模 量 (ps,10 5 ps R(sol) 698 MPa, 下 同 ); vs 为 路 基 顶 面 的 竖 向 压 应 变 ; b 1 b 2 b 3 为 室 内 重 复 荷 载 作 用 下, 由 土 的 三 轴 试 验 得

3 第 3 期 到 的 土 性 参 数 其 中 b 1 是 室 内 试 验 结 果 与 现 场 观 测 结 果 的 调 整 系 数, vb ; b ; b 0.955; 为 现 场 路 基 顶 面 竖 向 压 应 变 的 校 正 3 系 数 v 图 2 给 出 了 路 基 保 护 准 则 所 采 用 的 不 同 路 基 模 量 下, 路 基 顶 面 竖 向 压 应 变 与 车 载 重 复 作 用 次 数 的 关 系 曲 线 [6-7] 既 然 认 为 车 辙 主 要 发 生 在 路 基, 因 此 路 基 之 上 的 各 结 构 层 应 充 分 压 实, 并 具 有 足 够 的 强 度, 使 这 些 结 构 层 产 生 的 变 形 或 车 辙 是 可 以 忽 略 的 邹 维 列 等 : 长 寿 沥 青 路 面 结 构 的 层 厚 设 计 与 分 析 生 10 % 网 裂 的 荷 载 重 复 作 用 次 数 之 间 的 关 系 曲 线 ( 假 定 由 车 载 引 起 的 裂 缝 起 始 在 沥 青 层 底 ) [8] 沥 青 混 凝 土 的 拉 应 变 / 0.001(n/n) 647 路 基 竖 向 压 应 变 / 0.001(n/n) 图 2 变 形 破 坏 准 则 采 用 的 基 顶 竖 向 压 应 变 与 [6] 轮 载 重 复 作 用 次 数 的 关 系 曲 线 Fg.2 Relatonshp between subgrade vertcal compressve stran and wheel load applcatons for deformaton falure crtera [6] (3) 疲 劳 裂 缝 准 则 柔 性 路 面 的 疲 劳 裂 缝 主 要 是 由 于 重 复 的 车 辆 荷 载 作 用, 由 沥 青 层 底 的 水 平 拉 应 变 产 生 的 疲 劳 破 坏 和 沥 青 层 底 的 水 平 拉 应 变 之 间 有 如 下 的 经 验 关 系 [8] : lg N k k [lg( /10 )] k [lg( E /10 )] (2) 6 3 ft t 1 2 t 3 式 中 : N ft 为 产 生 疲 劳 裂 缝 的 荷 载 重 复 作 用 次 数 ; t 为 沥 青 层 底 的 拉 应 变 ;E 为 沥 青 混 合 料 的 模 量 ; k 1 k 2 k 3 为 室 内 梁 式 疲 劳 试 验 测 定 的 沥 青 混 合 料 的 特 性 参 数 ( 当 裂 缝 开 始 出 现 时, t k ; 裂 缝 率 10 % 时, t k ; 裂 缝 率 45 % 时, tk ; k ; k ); t 为 现 场 疲 劳 裂 缝 拉 应 变 的 校 正 系 数 此 值 随 破 坏 准 则 ( 即 疲 劳 破 坏 的 程 度 ) 而 变 化, 决 定 于 沥 青 混 合 料 的 组 成 Von Quntus 等 发 现, 现 场 校 正 系 数 主 要 决 定 于 破 坏 时 的 间 接 拉 应 变 和 总 的 弹 性 模 量 [9-10] 图 3 为 不 同 沥 青 混 合 料 模 量 下 沥 青 混 合 料 拉 应 变 与 产 图 3 路 面 网 裂 破 坏 准 则 采 用 的 沥 青 混 合 料 拉 应 变 [8] 与 的 轮 载 作 用 次 数 的 关 系 曲 线 Fg.3 Relatonshp between asphalt concrete tensle stran and wheel load applcatons for net crack falure crtera [8] 在 现 场, 总 的 疲 劳 裂 缝 采 用 累 计 损 伤 (cumulatve damage) 来 预 测 在 一 个 季 节 性 分 析 期 内, 对 于 不 同 的 车 载, 采 用 下 面 式 (3) 来 累 计 在 分 析 期 内, 不 同 季 节 里 不 同 车 载 产 生 的 疲 劳 裂 缝 损 伤 k m nj Dk (3) N j 1 1 fj 式 中 : D k 为 经 历 季 节 k 的 疲 劳 损 伤 ;m 为 车 载 等 级 数 量 ; n j 为 季 节 j 期 间, 某 一 等 级 车 载 ( 1,, m) 的 实 际 重 复 作 用 次 数 ; N fj 在 季 节 j 的 重 复 作 用 次 数 为 达 到 破 坏 时 车 载 荷 载 型 疲 劳 裂 缝 开 始 出 现 在 路 表 面 或 路 表 面 附 近, 并 向 下 贯 穿 这 种 形 式 的 疲 劳 裂 缝 被 认 为 在 具 有 较 大 模 量 梯 度 的 厚 沥 青 面 层 中 更 为 普 遍 总 体 上 看, 路 面 疲 劳 裂 缝 多 为 发 生 在 轮 迹 边 缘 附 近 的 纵 向 裂 缝 其 机 制 被 认 为 是 轮 迹 附 近 的 拉 应 力 和 剪 应 力 综 合 作 用 的 结 果 查 (4) 最 大 路 面 弯 沉 准 则 总 体 结 构 合 适 性 检 采 用 80 kn 标 准 轴 载 下 的 路 面 最 大 弯 沉 来 进 行 路 面 设 计 与 评 价 目 前 已 有 多 个 设 计 准 则, 但 应 用 最 广 泛 的 是 由 AASHO 道 路 试 验 室 或 英 国 交 通 研 究 实 验 室 (TRL) 提 出 的 临 界 弯 沉 关 系 [11-12] 临 界 弯 沉 关 系 可 用 于 判 断 路 面 结 构 是 否 可 以 接 受, 但 并 不 具 体 预 测 发 生 哪 种 病 害 3.2 材 料 响 应 准 则 (1) 永 久 变 形

4 648 尽 管 路 基 保 护 准 则 假 定 各 路 面 结 构 层 不 产 生 永 久 变 形, 但 路 面 变 形 或 车 辙 实 际 上 可 能 是 各 沥 青 层 和 / 或 无 结 合 料 处 治 的 集 料 层 永 久 变 形 ( 塑 性 应 变 ) 的 结 果 长 寿 沥 青 路 面 的 设 计 方 法 就 要 考 虑 二 者 对 车 辙 的 贡 献 式 (4) 给 出 了 一 个 经 验 性 的 有 结 合 料 的 和 无 结 合 料 的 材 料 的 永 久 变 形 模 型 p an b (4) r 式 中 : p 为 荷 载 重 复 作 用 N 次 后, 在 h 层 积 累 的 塑 性 应 变 ; r 为 在 h 层 的 中 间 位 置 的 弹 性 应 变 ;N 为 荷 载 重 复 作 用 次 数 ; a, b 为 材 料 特 性 参 数 ; 为 现 场 路 面 各 层 永 久 变 形 的 校 正 系 数 为 了 计 算 路 面 总 车 辙 量, 应 估 算 路 面 各 层 中 间 位 置 处 的 弹 性 应 变 采 用 式 (5) [10] 估 算 各 层 在 一 个 季 节 性 的 分 析 期 内, 不 同 轮 载 下 的 车 辙 深 度 RD [ ( N) h ] (5) p 式 中 :RD 为 包 括 路 面 各 层 和 路 基 的 总 车 辙 量 (mm); p 为 第 层 在 荷 载 重 复 作 用 N 次 后 的 积 累 塑 性 应 变 ; h 为 第 层 的 厚 度 (mm) (2) 温 度 裂 缝 温 度 裂 缝 预 测 模 型 是 基 于 Roque 和 Hltunen 在 SHRP 计 划 研 究 期 间 所 作 的 工 作 而 提 出 来 的 [13] 此 模 型 是 基 于 力 学 尤 其 是 断 裂 力 学 原 理 基 于 裂 缝 长 度 的 可 能 分 布 和 裂 缝 百 分 率 之 间 的 假 定 关 系, 采 用 式 (6) 来 预 测 现 场 裂 缝 的 程 度 lg ( C / hac) Cf 5Prob(lg C lg hac ) 5N (6) S lg a 式 中 : C f 为 观 测 的 横 向 温 度 裂 缝 总 量 ( 以 路 面 500 英 尺 内 产 生 的 裂 缝 长 度 来 表 示 ); 5 为 现 场 校 正 系 数 Prob( ) 表 示 可 能 性 ;C 为 预 测 的 裂 缝 深 度 ( 采 用 Roque 和 Hltunen 提 出 的 基 于 力 学 的 温 度 裂 缝 模 型 计 算 ); h AC 为 沥 青 层 厚 度 ;N() 为 标 准 正 态 分 布 ; S lg a 为 路 面 裂 缝 长 度 对 数 值 的 标 准 偏 差 3.3 结 构 层 模 量 的 确 定 等 效 损 伤 概 念 前 述 公 式 (1) (2) 涉 及 到 材 料 的 模 量, 它 们 会 随 着 季 节 和 其 他 因 素 的 影 响 而 变 化 为 此, 在 设 计 时 采 用 等 效 模 量 (equvalent modulus) 的 概 念 来 处 理, 即 不 是 将 一 个 典 型 年 分 成 不 同 季 节 分 别 取 材 料 的 模 量 值 来 计 算 车 载 产 生 的 损 伤, 而 是 对 一 个 完 整 年 采 用 等 效 ( 总 体 损 伤 相 同 ) 的 材 料 模 量 以 下 简 要 介 绍 对 于 沥 青 混 合 料 无 结 合 料 的 集 料 及 路 基 土 的 等 效 模 量 的 确 定 方 法 (1) 沥 青 混 合 料 等 效 温 度 概 念 岩 土 力 学 2009 年 在 疲 劳 方 程 (2) 式 中, 沥 青 混 合 料 的 等 效 年 度 模 量 采 用 式 (7) (8) 确 定 (7) Ed E( T ) DF DF DF [ E( T) ] (8) 式 中 : E 为 沥 青 混 合 料 等 效 年 度 模 量 或 设 计 模 量 ; d E( T ) 为 季 节 时 路 面 中 间 深 度 处 平 均 温 度 T ( F) 下 的 混 合 料 模 量 ( 由 室 内 测 量 或 根 据 现 场 弯 沉 盆 反 算 并 调 整 与 室 内 条 件 相 符 合 ); DF 为 季 节 时, 疲 劳 裂 缝 损 伤 系 数 (2) 无 结 合 料 处 治 集 料 和 路 基 土 等 效 季 节 模 量 1 采 用 无 结 合 料 处 治 的 集 料 基 层 和 底 基 层 的 损 伤 系 数 来 保 障 有 足 够 的 上 覆 或 表 面 厚 度, 以 防 止 在 含 水 率 增 大 期 间, 基 层 和 底 基 层 材 料 产 生 过 应 力 (overstressng) 沥 青 混 合 料 面 层 产 生 高 拉 应 力 基 层 和 底 基 层 的 等 效 年 度 模 量 按 照 式 (9) (10) 确 定 [14] R (Aggregate) ( RA ) ( ) ( ) (9) M M UF UF 式 中 : M ( UF ) ( M ) (10) R (Aggregate) 集 料 的 等 效 年 度 弹 性 模 量 ;( UF RA 为 无 结 合 料 处 治 的 基 层 和 底 基 层 ) 为 在 季 节 时, 无 结 合 料 处 治 的 集 料 基 层 和 底 基 层 的 损 伤 系 数 ; ( M RA ) 为 在 季 节, 某 一 含 水 率 状 态 时, 无 结 合 料 处 治 的 基 层 和 底 基 层 集 料 的 弹 性 模 量 2 采 用 由 路 基 变 形 引 起 的 永 久 变 形 损 伤 系 数 来 确 保 有 足 够 的 上 覆 厚 度 来 防 止 路 基 在 含 水 率 增 大 期 间, 路 基 产 生 过 应 力 和 过 量 的 永 久 变 形 式 (11) (12) 可 以 用 来 计 算 路 基 土 的 等 效 年 度 模 量 [14-15] R (Sol) ( RS) ( ) ( ) (11) M M US US ( US) ( M ) (12) RS 式 中 : M R (Sol) 为 路 基 土 的 等 效 年 度 弹 性 模 量 ; ( M RS) 为 在 季 节, 某 一 含 水 率 状 态 下, 室 内 测 得 的 路 基 土 的 弹 性 模 量 ;( US 为 在 季 节, 路 基 土 的 损 伤 系 数 4 广 - 梧 高 速 试 验 段 长 寿 沥 青 路 面 结 构 组 合 设 计 ) 广 ( 东 )- 梧 ( 州 ) 高 速 在 吸 收 国 外 已 有 长 寿 路 面 结 构 研 究 经 验 的 基 础 上, 结 合 我 国 多 年 的 研 究 实 践 积 累, 设 计 了 考 虑 路 面 各 层 受 力 特 点 和 作 用 的 长 寿 命 路 面 结 构 组 合, 并 修 建 了 3 种 试 验 路 路 面 结

5 第 3 期 邹 维 列 等 : 长 寿 沥 青 路 面 结 构 的 层 厚 设 计 与 分 析 构, 见 表 1 [16] [16] 表 1 广 梧 高 速 试 验 路 段 长 寿 沥 青 路 面 结 构 组 合 设 计 Table 1 Structure combnaton desgn of perpetual asphalt pavement n test secton of Guangdong-Wuzhou Expressway 结 构 1 结 构 2 结 构 3 级 配 碎 石 结 构 层 厚 度 / cm 水 泥 稳 定 碎 石 结 构 层 厚 度 / cm 级 配 碎 石 结 构 层 厚 度 / cm SMA -13 抗 滑 表 层 4 SMA -13 抗 滑 表 层 4 SMA -13 抗 滑 表 层 4 SAC-20Ⅰ 中 间 层 + 橡 胶 粉 13 SAC-20Ⅰ 中 间 层 + 橡 胶 粉 13 AC-20Ⅰ 中 间 层 13 AC-25ⅠHMA 承 力 层 15 AC-25ⅠHMA 承 力 层 8 AC-25ⅠHMA 承 力 层 15 2% 水 泥 稳 定 层 20 水 泥 稳 定 碎 石 层 32 4% 水 泥 稳 定 层 ( 振 碎 ) 20 级 配 碎 石 层 20 砂 砾 / 级 配 碎 石 层 15 级 配 碎 石 层 20 5 设 计 的 关 键 问 题 设 计 的 关 键 问 题 有 3 个 :1 沥 青 混 合 料 疲 劳 极 限 的 适 用 性 ;2 起 源 于 路 表 面 的 疲 劳 裂 缝 准 则 的 适 用 性 ;3 影 响 设 计 的 现 场 因 素 和 条 件 ( 如 气 候 地 表 下 岩 土 与 排 水 状 况 路 基 土 的 物 理 与 力 学 特 性 ) 鉴 于 过 去 人 们 对 第 3 个 问 题 已 有 较 多 的 研 究 和 相 当 的 重 视, 在 此 仅 讨 论 前 两 个 问 题 (1) 沥 青 混 合 料 的 疲 劳 极 限 疲 劳 极 限 或 称 耐 久 极 限 (endurance lmt) 被 定 义 为 荷 载 重 复 作 用 次 数 与 产 生 的 应 力 或 应 变 关 系 曲 线 的 水 平 渐 进 线 因 此, 较 低 的 应 力 或 应 变 会 导 致 无 限 大 的 车 载 重 复 作 用 次 数 对 于 长 寿 沥 青 路 面, 耐 久 极 限 或 疲 劳 极 限 的 适 用 性 已 成 为 确 定 沥 青 层 厚 度 的 关 键 问 题 根 据 过 去 提 出 的 疲 劳 方 程, 设 计 交 通 量 越 大, 则 路 面 沥 青 层 越 厚 沥 青 混 合 料 是 否 存 在 一 个 作 为 混 合 料 特 性 的 疲 劳 极 限 或 耐 久 极 限, 是 有 争 议 的 无 论 怎 样, 要 得 到 这 个 极 限, 需 要 荷 载 重 复 作 用 次 数 如 此 之 大, 以 至 于 采 用 室 内 梁 式 疲 劳 试 验 来 证 实 混 合 料 的 疲 劳 强 度 变 得 不 现 实 [17] 这 个 值 似 乎 更 多 的 是 一 个 实 际 的 限 制, 而 不 是 一 个 耐 久 极 限 (2) 起 于 表 面 的 疲 劳 裂 缝 大 多 数 为 确 定 沥 青 层 厚 度 所 进 行 的 与 荷 载 有 关 的 疲 劳 分 析, 都 假 定 裂 缝 从 沥 青 混 合 料 层 底 开 始, 并 向 上 发 展 贯 穿 至 路 表 面 但 对 于 厚 的 沥 青 层, 越 来 越 多 的 证 据 和 研 究 成 果 表 明 这 些 与 荷 载 有 关 的 裂 缝 是 从 路 表 面 开 始, 向 下 扩 展, 但 深 度 有 限, 一 般 不 会 波 及 到 联 结 层 和 基 层 其 机 制 解 释 有 各 种 观 点, 比 较 一 致 的 认 识 有 如 下 几 点 :1 在 轮 胎 边 缘 附 近, 具 有 高 接 地 压 力 的 轮 胎 对 沥 青 混 合 料 表 面 的 撕 裂 (tearng) 作 用, 致 使 在 剪 应 力 和 拉 应 力 作 用 下, 出 现 裂 缝 并 扩 展 ;2 路 表 面 附 近 沥 青 混 合 料 的 逐 渐 老 化 使 其 刚 度 增 大, 加 上 轮 载 附 近 的 接 地 压 力 高, 引 起 了 裂 缝 出 现, 并 在 剪 应 力 作 用 下 扩 展 ;3 在 温 度 应 变 应 力 和 轮 载 对 路 表 面 和 其 附 近 引 起 的 拉 应 变 的 共 同 作 用 下, 导 致 裂 缝 出 现, 并 在 拉 应 力 作 用 下 扩 展, 而 表 面 附 近 的 沥 青 老 化 加 速 了 这 一 过 程 6 结 语 本 文 介 绍 的 长 寿 沥 青 路 面 的 响 应 模 型 以 及 确 定 层 厚 的 设 计 方 法 代 表 了 目 前 长 寿 路 面 的 设 计 思 想 与 技 术 现 状 可 以 相 信 这 个 方 法 比 传 统 方 法 更 加 准 确, 不 过 它 对 于 损 伤 和 病 害 的 预 测 是 建 立 在 交 通 预 测 ( 包 括 交 通 量 轴 载 和 胎 压 ) 必 须 准 确 的 基 础 之 上 的 实 际 上 对 这 些 损 伤 的 预 测 也 是 近 似 的, 因 为 主 要 涉 及 到 对 土 体 和 路 面 材 料 的 工 程 分 析 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] 沈 金 安. 如 何 解 决 路 面 结 构 设 计 中 存 在 问 题 [J]. 交 通 世 界, 2004, 113(11): [3] NEWCOMB D E, BUNCHER M, HUDDLESTON I J. Concepts of perpetual pavements. transportaton research crcular 503: perpetual btumnous pavements[m]. [S. l.]: Asphalt Pavement Allance, [4] BROCK J D. The new generaton pavement-hgh performance asphalt[j]. Hot Mx Asphalt Technology, 2002, September/October: [5] MONISMITH C L, LONG F. Overlay desgn for cracked and seated portland cement concrete (PCC) pavement -nterstate route 710. Techncal Memorandum TM UCB PRC 99-3[R]. Berkeley: Pavement Research Center, Insttute for Transportaton Studes, Unversty of Calforna, [6] BARKER W R, BRABSTON W N. Development of a structural desgn procedure for flexble arport pavements[r]. U. S: Army Engneer Waterways Experment

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