路面柔性基层的设计分析
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摘要:本文作者介绍了几种主要柔性基层材料适用性，并对柔性基层的设计的进行了探讨，供大家参考借鉴，
中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：
目前在全国公路中沥青路面占了大多数，由于经济、技术等原因，以石灰稳定类和水泥稳定类为主的半刚性基层沥青路面是目前已建沥青路面的主要结构形式。半刚性基层以强度高、刚性大、稳定性好、工程造价较低、施工方便快速特点，因而受到广泛的应用。
1 几种主要柔性基层材料适用性
1.1 级配碎石
级配碎石是将一定级配的碎石碾压而成的一种材料,由于不使用胶结料,这种材料不具有抗拉的能力,因此有的将其作为半刚性基层或者水泥路面加铺层上面的应力消散层,作为阻止反射裂缝发展的一种功能层。对于柔性路面的结构层,由于承载能力不高,级配碎石一般用于铺筑底基层,或者路基上的整平层,用以加强路基。在良好的压实条件下,级配碎石层的强度也能达到良好的水平,国外有将其应用于上基层的成功例子。
级配碎石的回弹模量明显低于半刚性基层材料,并且与半刚性材料相比,级配碎石材料具有较显著的非线性,这种非线性使其在刚性较大的下卧层上,表现出较大的回弹模量(刚性),从而亦具有足够的抵抗应力及变形的能力,最终使得级配碎石作为上基层不仅具有减缓半刚性沥青路面反射裂缝的作用,同时也具有一定的抗疲劳能力。
1.2 大碎石沥青混合料(LSM)
大碎石沥青混合料也称为大粒径沥青碎石混合料(LSM)。它分为密实式(空隙率一般为3% ~7% )和开式级配(空隙率一般为10% ~15% )两种形式,其最大粒径一般在25~63 mm,常用的有30 mm、40 mm、50 mm三种规格。LSM的优点是改善了基层的结构性能和提高了经济效益,有调查显示路面的最大粒径越大,受到剪切荷载时变形越小,强度也越高;LSM与普通的混合料相比,沥青用量约降低30%,但由于较大的VMA和因大粒径减小的集料表面积将导致沥青膜变厚,提高了混合料抗老化和水损害的能力。研究表明:最大粒径37 mm的LSM与最大粒径19 mm的普通混合料相比,无侧限抗压强度增大,蠕变显著变小,回弹模量和疲劳强度显著提高。
1.3 乳化沥青混合料
乳化沥青稳定基层是以乳化沥青为胶结材料对一定级配的矿料进行稳定的基层。作为柔性基层的一种,乳化沥青稳定基层具有节约能源和资源、延长施工季节、改善施工条件、减少环境污染的优点,并且可以提供良好的路用性能,具有广阔的应用前景。
1.4 路面结构应力分布
由于半刚性材料的板体性强,承载力大,扩散荷载的能力强,柔性基层路面通常比半刚性路面厚许多。压应力在面层顶面最大,随深度增加,压应力逐渐减小,达到某一深度时,结构内部压应力恰好为0,深度继续增加,这时结构内部拉应力开始增大,一般最大弯拉应力出现在基层的底面。剪应力沿路面深度的分布情况,其峰值主要分布在面层0~10 cm的范围内,在重载、超载的条件下这一影响深度会继续扩大,但是剪应力的分布范围主要集中在0~15 cm的范围。也就是说,剪应力的影响范围主要集中在面层、基层。一般认为沥青层越厚越容易产生车辙。国外研究表明当沥青层厚度小于18 cm时,车辙随沥青层增加而增大,但是当沥青层厚度超过18 cm时,车辙与厚度的关系就不大了,这再次证明路面剪应力的影响范围主要在面层和基层。
2 柔性基层的设计
2.1 柔性基层路面的破坏模式
只要路面结构的设计、施工不出现问题,柔性基层路面的破坏一般始于面层,由于面层的车辙、开裂,这些破坏从上到下的顺序发展、延伸,其破坏属于功能性破坏。面层破坏形式有车辙、top-down裂缝和down-top裂缝,但是最主要的破坏还是车辙。车辙主要是由于路面结构处于反复剪切应力状况下而产生的塑性蠕变累积,路面最大剪切应力主要产生于5~10 cm的范围内; top-down裂缝产生的原因主要是由于路面的水平荷载造成推拉、由温度梯度引起路表面负弯矩的反复作用,当沥青层厚度超过36 cm时,沥青面层易产生这种裂缝; down-top裂缝,主要是由于沥青层增厚,层底剪应力将有所增加,但增加量相对较小,沥青路面层底出现较大的拉应力,经反复作用,最终在沥青层底形成反射裂缝。对于柔性基层路面内部出现的微小裂缝,由于沥青材料的粘弹性,这些微小裂缝往往能够自愈,而不致于象半刚性基层材料出现裂缝后,迅速进入裂缝扩展阶段。因此柔性基层路面的这种破坏属于功能性破坏,可以通过面层的预防性养护得以补救。为了保持路面的行车舒适性和良好的服务性能,需要定期进行沥青罩面或铣刨加铺,以保证整个路面结构的功能性。
2.2 设计思想
由于两种材料的不同特点,因此两种路面的设计思想也不同。基于半刚性材料强度高、模量大、板体性强的优点,在我国,设计时将半刚性基层作为承重层,提出强基薄面的设计思想,虽然近几年面层设计也有增厚的趋势,一些高速公路的沥青面层加厚至18 cm,但是半刚性基层的强度仍然控制在3~5 MPa,在施工中强度甚至更高,同时半刚性基层材料变形小,易断裂的缺点依然没有改变。反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式。柔性路面的损坏模式是自上向下破坏,由路面层的功能性损坏,进而发展到基层和路基的结构性损坏,为了将路面的破坏控制在路面表层较薄的范围内,国外提出了“长寿命路面”的思想,确保路面基层、路基结构层不受损坏。因此在路面结构中,将路面上面层设计为功能层,将中下面层、基层设计为结构的承重层。
在柔性基层路面结构中,基层层底出现的拉应力最大,在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大,因此要求基层具有很好的耐久性,特别具有优良的抗疲劳性能,而且作为承重层要求有一定的抗车辙能力。它可以通过增加沥青用量达到目的,设计适宜的层厚也能取得同样的效果;剪切应力峰值主要集在中、下面层,因而中、下面层最有可能出现剪切破坏,所以要求有较好的抗车辙性能,同时要求有一定的抗水损害的能力。设计时采用改性沥青,塑料隔栅,混合料采用骨架嵌锁结构;上面层设计就要求其材料有较好的抗车辙性能、水稳定性,必要时使用改性沥青。如果仅以初期投资来比,柔性基层路面的造价将肯定会
大大高于半刚性基层路面,但是毕竟我们现在的经济承受能力已经有了相当的提高。前面讲过,半刚性基层的破坏模式属于结构性破坏,柔性基层路面的破坏属于功能性破坏,因此从养护角度来讲,半刚性基层材料的养护费用更高,使用寿命更短。美国使用的长寿命路面,其使用年限一般20~40年,若按照总的全寿命成本效益计算,柔性基层路面更加经济。正是出于这种考虑,不少地方已经开始铺筑试验路,以探讨它对于我国高速公路使用的可行性,改进我国沥青路面结构单一的问题。
3 结束语
参考文献:
[1]李长江,王哲人.柔性基层与半刚性基层优化组合的关键技术[J].公路, 2007, (8).
[2]胡伟.乳化沥青稳定基层永久变形特性的分析[J].公路交通科技, 2009, (12).
[3]周军,周海生,王永林.柔性基层路面的研究[J].浙江交通职业技术学院学报, 2010, 5(2).
[4]严二虎,沈金安,李福普.沥青路面级配碎石基层的设计与施工工艺[J].公路交通科技, 2011, (3).
[5] 山东省交通厅公路局、山东省交通科学研究所、东南大学.大粒径沥青混合料柔性基层在老路补强中的应用研究[R].2007.