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瀝青路面典型結構分析
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瀝青路面典型結構分析
2022年07月04日    閱讀量:40140    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:公路工程中,瀝青路面的結構形式很多,本文針對半剛性基層、級配碎石基層、倒裝結構以及全厚式瀝青路面這幾種典型的結構形式,總結了國內外工程中部分典型的結構組合,并分析了各自的優缺點、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展需要,基于有限元的方法,著重分析了倒裝結構層的受力特點,總結了各層模量和厚度變化對力學計算指標的影響規律。最后提出了對我國長壽命瀝青路面的思考,指出了我國倒裝結構在理論上有實現長壽命的潛能和優勢,但還需要大量工程實踐的摸索和證明瀝青網sinoasphalt.com。


關鍵詞:典型結構;倒裝結構;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了90%以上 [1]。瀝青路面的結構主要包括面層、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構的剛度、強度、穩定性以及耐久性等性能至關重要,瀝青路面結構的分類也主要是依據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構,其基層和底基層都是由無機結合料穩定材料組成,這種結構具有很強的強度和剛度,但耐久性和穩定性卻略顯不足,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]。為了克服傳統半剛性基層結構的缺陷,同時解決我國路面結構單一性的問題,近年來,我國對于柔性基層、倒裝結構等其他類型的結構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現有的一些研究成果,并基于有限元的手段,對我國倒裝結構的力學性能進行分析,最后總結對長壽命瀝青路面結構形式的思考。


2. 瀝青路面典型結構組合


2.1. 半剛性基層結構


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 + 半剛性底基層的結構。其中,瀝青面層大都為14~18 cm,分3層鋪筑,少數面層較薄,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合料穩定集料來進行鋪筑,底基層厚度與其類似,但材料稍次,一般使用的是無機結合料穩定土。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構形式 [3]。

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半剛性基層結構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構中的主要承重層。單從受力角度而言,半剛性基層結構實際上是一種十分合理的結構形式,因為無機結合料穩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,半剛性基層結構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,而是因為無機結合料穩定材料本身的穩定性和耐久性不足,導致力學性能的衰減,進而引發的破壞??偟膩碚f,半剛性基層結構具有如下的優缺點 [2]:


半剛性基層結構的優勢:


1) 剛度和承載能力都較高,結構板體性強,抗變形能力強;

2) 造價低廉,方便就地取材,施工方便。


半剛性基層結構的缺陷:


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


2) 無機結合料穩定材料水穩定差,抗沖刷能力弱,容易產生唧漿等病害;


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,造成路面結構整體性能的下降;


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很難達到設計假定的完全連續的狀態,容易產生脫空和開裂。


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生,才能發揮好半剛性基層結構良好的力學性能。實際工程中,可以考慮從材料設計、結構設計以及施工工藝等多方面進行改善:例如做好級配設計,選擇骨架密實型結構;設置應力吸收的隔離層;做好施工過程中的養護和補水工作;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揮預期的使用效果,此時應考慮其他的結構形式。


2.2. 級配碎石基層結構


傳統的半剛性基層結構由于縮裂特性和水損害,容易產生早期破壞,尤其是在東部區域的長江中下游平原、四川盆地和云貴高原等地區,道路早期損壞問題十分嚴重 [4]。為了克服半剛性基層的缺陷,國內不少學者都把目光轉向了柔性材料,例如瀝青穩定碎石和級配碎石等。其中級配碎石可以作為路面結構的上基層,配以無機結合料穩定材料作為底基層,形成倒裝結構,可以有效遏制反射裂縫的產生,也可以作為路面結構的底基層,配以無機結合料穩定材料或瀝青穩定材料的上基層,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構,不過這種結構抗變形能力較弱,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級配碎石的結構,該公路實際服役的軸載累積作用次數遠大于設計值,路用性能表現十分優越 [5]。


與半剛性基層瀝青路面相比,級配碎石基層結構最大的優勢在于不再有反射裂縫的干擾,因此在輕交通荷載作用下,級配碎石基層結構往往能使用很長時間,其穩定性和耐久性要優于半剛性基層結構,在破壞之前表現出了很強的安定性 [6],這也是柔性基層材料的共性。此外級配碎石基層結構還具有排水性能好、行車舒適度高的優勢 [7]。但級配碎石終究屬于無粘結材料,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,形成嵌擠結構才能發揮出力學性能。同時級配碎石結構還具有明顯的應力依賴性,其強度和剛度依賴于側限的圍壓應力,但實際工程中,能提供的圍壓是有限的,因此級配碎石結構的強度和模量終究不能與有粘結材料相比,而且級配碎石結構不能承受拉應力,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構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,整個結構中,瀝青層承受了主要的壓應力、拉應力和剪應力,級配碎石層在結構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. 倒裝結構


倒裝結構是指對基層的倒裝,即在底基層使用剛度較高的無機結合料穩定材料,而在基層使用柔性的級配碎石或瀝青穩定材料的結構。表2給出了國內外部分典型的倒裝結構的路面結構形式 [8]:

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根據表2,可以發現,對于倒裝結構中的柔性材料,國外主要使用的是瀝青穩定材料,而國內更偏向于級配碎石材料。這與兩者瀝青路面發展歷史的差異有關,國外大都以柔性路面為主,以瀝青混合料層為主要受力層,對無機結合料穩定材料使用較少,即便在倒裝結構中有所涉及,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,雖然引入了倒裝結構,但也并不愿放棄半剛性層高剛度和高強度的優勢,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,倒裝結構在我國南方多雨地區使用較多,因為在這些地區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構具有如下的優勢 [9]:


1) 級配碎石屬于散粒結構,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,能夠抑制反射裂縫的產生。


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。


當然這種倒裝結構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,它要求有最佳的級配組成和良好的壓實質量,才能形成密實的嵌擠結構,才能發揮出其非線性的受力特性,形成較高的模量。另外,倒裝結構從根本上改變了原本半剛性基層結構的受力分布:原本半剛性層與瀝青層直接接觸,完全連續,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,這種現象越明顯。因此,級配碎石的引入實質上會導致原本半剛性基層中的彎拉應力轉嫁到了瀝青層,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。最后需要指出的是級配碎石層的引入會增大路面永久變形量,同時過厚的級配碎石層也不利于發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構形式,其中全厚式的瀝青層一般由瀝青混合料面層 + 瀝青穩定材料基層構成,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,在不同國家,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,如果加鋪了無機結合料穩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構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構。


但無論有沒有加鋪無機結合料穩定層或者粒料層,其路面結構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生彎拉形式的疲勞破壞,也就不會產生down-top類型的貫穿結構層的裂縫。當然,由于路表水平拉應變、瀝青老化以及溫度應力等原因,瀝青層往往會產生一定量的top-down類型的裂縫 [14],但這種裂縫一般僅僅局限于路表,只需要進行及時的罩面修復,便不會擴展到整個結構層,形成結構性損壞 [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護維修實現長期甚至永久的使用,這是全厚式瀝青路面最大的優勢,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永久性瀝青路面的主流。


最后,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構中,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,變形協調更好,此時其剪應力相對于半剛性基層結構會更小,相應的由于側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 [16]。


3. 倒裝結構的力學分析


實際工程中,路基路面的結構形式很多,本文在第一節中節選了四種比較典型的結構形式,但在這四種結構中,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,只有倒裝結構和全厚式瀝青路面,無論是力學表現還是長期使用性能,都能保持良好且穩定,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,無機結合料穩定材料仍然在路面結構中被廣泛保留,因此全厚式瀝青路面在我國使用較少,而倒裝結構現在反而使用較多。因此,在本節中,也將主要針對倒裝結構進行力學分析,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


路面結構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對稱軸所在面,因為設計過程中需要計算的力學指標都是在該面達到最大值。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構,因此這樣的簡化會造成力學響應計算結果偏大,與實際設計不符,但本文主要是定性分析路面結構參數變化對力學響應變化的影響規律,不要求對實際荷載作用下結構力學響應的量值進行精確計算,因此,這樣的簡化是可以接受的。


另外,路面結構設計中,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,圖中L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 [9]:


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圖1. 雙矩形荷載示意圖(單位:cm)


而對于路面結構,本文針對倒裝結構,建立了3 × 6 m的有限元模型,并分為6層,各層材料以及初始的參數如表3所示 [17]:

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3.2. 倒裝結構的受力特性


圖2給出了在輪隙中心點所在軸以及矩形荷載中心點所在軸處,結構豎向壓應力隨深度方向的變化規律??梢钥吹?,在矩形荷載中心軸處,豎向壓應力一直隨深度增加而減小,瀝青層中豎向壓應力較大,但衰減很快,到級配碎石層豎向應力就已經很小,而到了無機結合料穩定層,豎向壓應力已不足最大值的20%。因此可以發現,倒裝結構中,無機結合料穩定材料的底基層由于深度太深,在承擔壓力荷載方面并沒有顯著作用。而在輪隙中心軸處,其路表在豎向會產生拉應力而非壓應力,隨后,隨著深度增加,拉應力會不斷衰減乃至變成壓應力并增大,達到峰值之后又會呈現衰減趨勢,這是由于雙矩形荷載應力泡疊加的緣故。不過總的來說,在瀝青層輪隙中心軸處的豎向壓應力是小于荷載中心軸的,另外,在瀝青路面設計中,在考慮最不利位置時,除了這兩個軸外,還有其它三個軸,但對于豎向壓應力而言,這三個軸上的量值都是介于圖中兩條曲線之間的,因此,在進行瀝青混合料累計變形驗算時,可以取荷載中心軸作為最不利位置。


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圖2. 倒裝結構中豎向壓應力隨深度變化規律


圖3給出了倒裝結構水平拉應力的分布云圖??梢钥吹?,有兩處集中分布有水平方向的拉應力,其所在位置正是瀝青層和無機結合料穩定層的層底,這驗證了倒裝結構由于存在著軟弱夾層,導致瀝青層和無機結合料穩定層層底均會產生拉應力,在進行結構疲勞驗算時,這兩處均要進行驗算,這是倒裝結構設計過程中相對于傳統半剛性基層結構最大的不同。


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圖3. 倒裝結構水平拉應力的分布云圖


圖4給出了荷載中心軸和輪隙中心軸處水平拉應力隨深度的變化規律??梢钥吹匠嗽诼繁硪欢ǚ秶鷥?,其余深度處兩軸上點的水平拉應力是非常接近的,對于水平拉應力而言,其余3個需要考慮的最不利位置點所在軸上的應力量值也是介于這兩軸之間的,因此,在計算最不利位置水平應力時,可以任取一個軸。另外,沿深度方向水平拉應力的變化并不像豎向壓應力變化那樣連續,而是具有一定的突變特性,突變發生在材料的過渡界面上,尤其是瀝青層到級配碎石層、級配碎石層到無機結合料穩定層以及無機結合料穩定層到路基層這三處,突變現象表現得非常明顯,這是由于完全連續的假設要求不同材料在界面上的應變相同,但由于模量差異巨大,導致應力在界面處發生劇變。最后需要指出的是,根據圖4也可以觀察到水平拉應力有兩個峰值,分別出現在了瀝青層底和無機結合料層底處,這與之前的結論以及實踐一致。


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圖4. 倒裝結構中水平拉應力隨深度變化規律


最后,關于剪應力,目前主流的研究認為:瀝青層中剪應力隨著深度方向先增大后減小,一般在5~10 cm范圍內達到峰值,隨后減小,如圖5所示,此時剪應力的最不利位置在荷載外邊緣的軸上,由此得出結論:中面層會承擔最大的剪應力,因而要具有較強的抗車轍能力。但需要指出的是,這里的剪應力是指平行于坐標軸平面的水平向或豎向的剪應力,并不是材料中某點的極限剪應力,而實際工程中,瀝青路面的車轍變形并不是因為某一固定水平面或豎直面的剪切破壞,而是由于某一平面上切應力達到極限值后塑性變形引起的材料的側向流動,這個極限值可以近似用最大剪應力來表征,但與坐標軸平面上的剪應力有很大不同。而結構中最大剪應力的分布與坐標軸平面剪應力的分布也并不一致,如圖6所示。


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圖5. 倒裝結構中坐標軸平面剪應力


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圖6. 倒裝結構中最大剪應力隨深度變化規律


最大剪應力的最不利位置已經不是在荷載外邊緣的軸上,而是與壓應力或拉應力類似,需要計算5個可能的最不利位置點。圖6給出了輪隙中心軸和荷載中心軸上最大剪應力隨深度的變化規律,可以看到兩者量值在深層處比較接近,但在瀝青層中有一定差距。不過,在瀝青層中,它們都具有相同的變化規律:都是在路表達到最大值,隨后減小,但在降低到極值之后又有所回彈,整個瀝青層的最大剪應力分布呈現出上下高中間小的狀態。這就要求整個瀝青層的上部和下部都要求較強的抗車轍能力,當然由于下部溫度偏低,抗車轍的要求可以適當減弱,但不能忽視。


3.3. 參數變化的影響分析


倒裝結構中,級配碎石層并不能在受力方面發揮重要作用,其在整體結構中更多的是發揮遏制半剛性基層反射裂縫的功能性作用,因此級配碎石層的模量和厚度對整體結構影響并不大,實際工程中其厚度一般也是按經驗取為15 cm左右。故而在本節中,不再對級配碎石層的參數進行改變,著重研究瀝青層以及無機結合料穩定層厚度和模量變化對力學響應的影響。另外,對于長壽命瀝青路面而言,最核心的要求是路面不至于發生結構性病害,而對于車轍、裂縫等病害可以考慮通過材料設計、施工優化以及后期養護等措施來彌補,因此本節在這里主要計算的力學指標是瀝青層層底的拉應變和無機結合料穩定層層底拉應力。


瀝青層參數的變化主要通過改變ATB層的模量和厚度來實現,表4給出了ATB層模量改變后結構力學響應的變化規律??梢钥吹?,隨著ATB層模量的增大,瀝青層層底的拉應變及無機結合料層層底的拉應力均呈現出減小趨勢。實際上增大瀝青層模量會使瀝青層承擔的彎拉荷載增大,因此無機結合料穩定層承擔的彎拉荷載便會相對減小,故而其層底拉應力不斷減小,而瀝青層層底拉應力實際上是增加的,其拉應變減小是由于模量增大的緣故。這說明,增加瀝青層模量對于提高無機結合料穩定層的使用壽命是有利的,但對于瀝青層未必如此,因為一般瀝青材料的模量與其疲勞壽命是負相關的,因此,增大模量未必會使瀝青層使用壽命延長,實際設計過程中需要對此綜合考慮。

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同樣,保證初始模型的其它參數不變,只改變ATB層的厚度,得到相應的力學響應變化如表5所示??梢钥吹?,與模量改變的結果類似,ATB層厚度的減小,會導致瀝青層承擔的彎拉荷載減小,而無機結合料穩定層承擔的彎拉荷載增大,因此,無機結合料穩定層層底的拉應力會不斷增大,同時其增大的幅度遠遠大于由于ATB層模量改變引起的變化幅度,說明無機結合料穩定層層底拉應力對瀝青層厚度敏感性更高。另外,減小ATB層厚度,瀝青層層底拉應變先增大后減小,這是因為減小厚度一方面會使瀝青層承擔荷載減小,但另一方面也會使在相同彎拉荷載作用下瀝青層底的拉應力和拉應變增大,兩個因素在不同階段主導地位不同,因此會有不同的變化趨勢。但總的來說,瀝青層厚度達到一定值后,繼續增加瀝青層厚度,瀝青層底的拉應變和無機結合料穩定層層底拉應力都會減小,若減小至小于材料的疲勞極限,理論上便會成為長壽命瀝青路面。

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圖7給出了CTB層模量改變的結果??梢钥吹?,隨著CTB層模量的增大,瀝青層底拉應變減小,而無機結合料層層底拉應力不斷增大,這實際上也是由于彎拉荷載在兩層之間分配變化的結果,在原理上與之前并無區別。但通過對比可以發現,增大CTB層模量,雖然可以減小瀝青層的拉應變,但并沒有增大瀝青層模量效果明顯,同樣,減小瀝青層模量,可以增大無機結合料層層底拉應力,但也沒有增大CTB層模量效果明顯。說明這兩層的力學響應變化對其本身層的參數變化更為敏感,改變另一層的參數雖然可以取得類似的效果,但在影響幅值上稍顯不足。


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圖7. CTB層模量改變對結構力學響應的影響


圖8給出了CTB層厚度變化的結果??梢钥吹?,CTB層厚度增大,會導致無機結合料穩定層層底拉應力的減小,但值得一提的是,這里與瀝青層厚度變化的影響類似,實際上有兩個因素在共同作用,一方面厚度增大會導致無機結合料承擔的彎拉荷載增大,這原本會導致應力的增大,但另一方面同等荷載作用下增大厚度會導致應力減小。在本次模擬的工況中,顯然第二個因素占據了主導作用,但并不排除在某些參數條件下,出現厚度增大,拉應力也同時增大的情況,此時將是第一個因素占據主導地位。但可以確定的一點是,隨著厚度增大,彎拉荷載的增長趨勢會放緩,也就是說第一個因素的影響會不斷減弱,所以只要厚度達到一定值,后續繼續增加厚度時,拉應力必定會不斷減小。另外,CTB層的厚度增大,同樣也會導致,瀝青層層底拉應變的減小,并且與模量增大的結果相比,顯然瀝青層底拉應變對厚度更為敏感。


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圖8. CTB層厚度改變對結構力學響應的影響


總的來說,瀝青層與半剛性層厚度和模量變化的影響都是比較類似的,因為它們原理一致,提高瀝青層或半剛性層的厚度或模量都相當于增強該結構層,會導致該層承擔的彎拉荷載加大,而另一層承擔的荷載則相對減少。但并非是承擔荷載加大,該層計算的力學指標就一定增大,因為有時候模量或厚度對力學指標的影響存在著兩方面因素的共同作用。另外,就參數敏感性而言,某一層層底的拉應力或拉應變對本層模量變化更為敏感,對另一層的模量變化的響應幅度稍弱,但對于厚度,卻不一定有這個規律,主要是本層厚度變化會對本層應力應變響應產生兩方面的影響,且這兩方面影響的效果是相反的。此外,一般而言,如果要比較某一層參數變化對另一層力學指標的影響,調整該層的厚度比調整模量變化更為明顯,但如果是研究本層參數對本層力學指標的影響,就未必有這個規律,這也是由于厚度對本層力學響應的影響有兩個方面所導致的。


 4. 長壽命瀝青路面的思考


長壽命瀝青路面最早由歐洲提出,主要針對的是重載瀝青路面,其設計基本理念是要求路面能夠使用40~50年以上,在設計年限內只需針對表面的可修復層進行周期性的養護和修復即可保證道路的使用性能,而無需結構性的修復和重建 [12]。國外的長壽命瀝青路面主要指的是全厚式瀝青路面,這里的全厚式瀝青路面是廣義的全厚式,包括瀝青層直接鋪筑在路基上以及瀝青層鋪筑在粒料或無機結合料穩定材料底基層上3中情況。其原理在于使用較厚的瀝青層,使得瀝青層底的拉應力低于材料的疲勞極限,進而避免了down-top類型的疲勞開裂,這樣便不會產生貫穿結構層的結構性裂縫。當然,隨著路面使用年限的增長,瀝青路面也會不可避免地產生top-down類型的裂縫,但這種裂縫自表層產生,很容易被發現,只要及時地進行養護和修復,便不會擴展至整個結構層,進而保證整個路面結構的長期使用性能。這是長壽命瀝青路面的原理和最核心的要求,但不少國家對長壽命瀝青路面修復層的使用壽命以及整個使用年限內綜合的服務水平也有嚴格要求,因此長壽命瀝青路面一般還要求面層和中層有較強的抗車轍能力,同時表面層有較強的抗磨耗能力。


我國與西方國家路面結構的發展歷史不同,我國主流的路面結構是半剛性基層瀝青路面。其實單從力學原理上來看,半剛性基層瀝青路面并非不能達到長壽命的要求,因為半剛性材料同樣存在著疲勞極限,理論上來說只要層底拉應力低于疲勞極限,半剛性基層瀝青路面也能長期使用。而我國之所以半剛性基層路面的使用壽命偏低,是因為無機結合料穩定材料本身的穩定性和耐久性不足的緣故,其干縮溫縮特性以及水損害使得其無法長期保持優良的力學性能,進而在荷載作用下產生難以修復的結構性損壞。近年來,我國瀝青路面建設也有向長壽命瀝青路面發展的趨勢,但我國并不愿完全放棄長期以來一直使用的半剛性基層結構,而是更傾向于對該結構的改良,倒裝結構便是其中一種主流的做法。倒裝結構實質上是全厚式瀝青路面與半剛性基層瀝青路面的結合,其在半剛性基層頂部引入了級配碎石結構,一方面可以遏制半剛性層的反射裂縫,并減小了溫度變化對該層的影響,同時還有良好的排水效果,減少了半剛性層的水損害,進而提高半剛性層的長期使用能力,但另一方面同時也會導致瀝青層層底出現拉應力,為此倒裝結構也需要對瀝青層進行加厚,這一點與全厚式瀝青路面一致。


倒裝結構若想實現長壽命,則瀝青層層底的最大拉應變及無機結合料穩定層層底的拉應力均要小于材料的疲勞極限,雖然看起來要求變多,但在成本上,倒裝結構是有優勢的。因為原本全厚式瀝青路面荷載都是瀝青層承擔的,而根據第2節的模擬結果,倒裝結構相當于利用半剛性層分擔了一部分荷載,使得瀝青層力學響應減弱,因此瀝青層厚度可以相對減小,道路工程中,瀝青層的成本要遠高于半剛性層,因此這樣的做法對于節省造價是比較有利的。


最后,需要指出的是,我國近年來進行了不少倒裝結構的路面建設,但在很多工程中存在著錯誤的傾向,其對于路面各層的重視程度自上而下逐漸降低,但對于長壽命瀝青路面而言,其上層都是可以修復替換的,唯有底層需要長期使用,倒裝結構的半剛性底基層原本在耐久性方面就比較脆弱,因此加強半剛性底基層的設計和施工質量就顯得尤為重要,否則將很難達到長壽命的要求。另外,國外的全厚式瀝青路面之所以能被稱為長壽命路面,是建立在大量實踐經驗總結的基礎上,但倒裝結構在我國起步較晚,目前還只是在理論上認為其具有實現長壽命的潛能,并沒有大量工程實踐證明其在長壽命方面的可行性,因此我國的倒裝結構若想提高使用壽命,還需長期的工程摸索,對于其中的一些細節問題,例如瀝青層和半剛性層的厚度分配還需要大量的研究和總結。


5. 總結


本文針對半剛性基層、級配碎石基層、倒裝結構以及全厚式瀝青路面4種典型的瀝青路面結構形式,總結了其在國內外工程實踐中使用的一些典型結構組合,并針對其各自的優缺點、適用性和受力特點進行了分析。然后基于我國長壽命瀝青路面的發展要求,針對我國常用的倒裝結構,進行了力學分析,最后總結了對我國長壽命瀝青路面發展的思考,主要結論如下:


1) 半剛性基層瀝青路面耐久性存在缺陷,級配碎石瀝青路面難以適應高等級重載交通的要求,倒裝結構和全厚式瀝青路面是比較合理的長壽命瀝青路面結構形式的選擇。


2) 倒裝結構中,加強瀝青層或者半剛性層都會導致本層承擔彎拉荷載增大,另一層承擔荷載減小,但各層的應力應變等力學指標未必有相同的變化規律,因為其量值不僅僅與彎拉荷載有關,路面結構設計時需要注意此點。


3) 倒裝結構中,某層的拉應力或拉應變對本層的模量變化更為敏感,對另一層模量變化的響應幅值相對較弱。


4) 倒裝結構中,調整某層的厚度,其對于另一層力學響應量值的改變效果比調整模量更明顯。


5) 我國倒裝結構是對半剛性基層瀝青路面的改善,是半剛性基層結構與全厚式瀝青路面結合的產物,其在成本上相對于全厚式瀝青路面優勢,但目前只是在理論上具有實現長壽命的可能性,缺乏實踐的證明。另外,若想通過倒裝結構實現長壽命,必須加強對半剛性底基層的重視,因為該層才是不可修復層。


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標簽:綜合論文,技術中心,瀝青混凝土
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