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1、第2 6 卷第4 期2 0 0 9 年4 月公路交通科技J o u r n a lo fH i g h w a ya n dT r a n s p o r t a t i o nR e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tv 0 1 2 6N o 4A p r 2 0 0 9文章编号：1 0 0 2-0 2 6 8(2 0 0 9)0 4-0 0 2 9-0 4半刚性材料作为长寿命沥青路面基层的适应性研究平树江1 2，蒋亮3，申爱琴1，刘晓光4(1 长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西西安7 1 0 0 6 4；2 滨州市公路管理局，山东滨州2
2、5 6 6 1 4；3 唐山市交通局，河北唐山0 6 3 0 0 0；4 邹平县城市建设综合开发公司，山东邹平2 5 6 2 0 0)摘要：针时半刚性材料作为长寿命沥青路面基层使用问题，通过拟定典型路面，采用B I S A R 3 0 计算了不同沥青层厚度下半刚性基层沥青路面的承载能力和疲劳寿命，分析了沥青层加厚对半刚性基层的基层应力和半刚性材料干缩、温缩的影响，研究了半刚性材料作为长寿命沥青路面基层的适应性。结果表明：相同荷载作用下，沥青层厚度增加，半刚性基层层顶压应力和层底拉应力明显减小，基层疲劳寿命大幅提高；半刚性基层受温度、水等外界因素影响明显减弱。半刚性基层的开裂、冲刷和路面反射裂缝
3、等问题得以有效控制。关键词：道路工程；半刚性基层；开裂；疲劳破坏；长寿命；适应性中图分类号：U 4 1 6 2 2 3文献标识码：AR e s e a r c ho nA d a p t a b i l i t yo fS e m i r i g i dM a t e r i a la sL o n gL i f eA s p h a l tP a v e m e n tP I N GS h u j i a n 9 1”，J I N A GL i n l，S H E NA i q i r,1，L I UX i a o g u a I l g(1 K e yL a b o r a t o r y
4、f o rs o e c i 1A r e aH i g h w a yE n g i n e e r i n go f 施n i s 时o fE d u e a d o n，蛐觚U n i v e r s i t y，X i 8 1 1S h a a n x i7 1 0 0 6 4，C h l n a；2 B i m h o ur l i g h w 矗yA d m i n i s m i t i o nB u r e a u，B i r m h o uS h a n,t o l l g2 5 6 6 1 4，C h i n a；3 T a n g s h a nM u n i c i p
5、 a lC o m m u n i c a t i o n sB u r e a u，T a n g s h a nI t e b e i0 6 3 0 0 0，C h i n a；4 Z o u p i n gC i t yC o m t r u c t i n gS y l r l t h e t i cD e v e l o p m e n tC o。，L t d，Z o u p i r I gS h a n d o n g2 5 6 2 0 0，C h i n a)A b s t r a c t：I nt h el i g h to fs e m i r i g i dm a t e
6、r i a l 鹊b a s ee O U l s ef o rp e r p e e t u a lp a v e m e n t，t h eb e a t i n gc a p a c i t ya n df a t i g u el i f eo fs e m i r i g i db a s ep a v e m e n to fd i f f e r e n ta e p t hw e r ec o m p u t e dw i t hB I S A R 3 0f o rt h ec h o s e nt y p i c a lp a v e m e n t，t h ei m p a
7、 c to ft h i c k e n e dl a y e ro nt h es t r L=獬o ft h es e m i r i g i ab a s ea n dt h ec L r ya n dt e m p e r a t u r es h r i n k a g e so ft h em a t e r i a lw a sa n a l y z e d a n di t sa d a p t a b i l i t ya sb a s ef o rp e r p e t u a lp a v e m e n tw a ss t u d i e d T h er e s u
8、l ts h o w st h a t(1)w i t ht h es a m el o Ma n dt h i c k e n i n go ft h ea s p h a l t1 y e r，t h ec o m p r e s s i v es t r e s so nt h et o pa n dt h et e n s i l es t r e 鹳a tt h eb o t t o mo ft h es e m i r i g i ab a s ed e c r e a s eo b v i o u s l ya n dt h ef a t i g u el i f eo ft h
9、 eb a s ei n c r e a s e ss u b s t a n t i a l l y；(2)t h ei m p a c to ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yO i lt h es e m i 一啦埘b a s ei sr e m a r k a b l yw e a k e n e d，w h i c hl e a d st ot h ef r a c t u r e s，e r o s i o na n dr e f l e c t i n gc r a c k so ft h es e m i r i g i db
10、a s et ob ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l y K o yw o r d s：r o a de n g i n e e r i n g；s e m i r i g i ab a s e；c r a c k；f a t i g u ed a m a g e；l o n gl i f e；a d a p t a b i l i t y0 引言半刚性材料作为沥青路面基层具有强度与刚度较大，水稳定性与抗冻性较好，对地方材料质量要求较低等优点，但使用中也暴露出易导致沥青路面产生反射裂缝，发生水损害，并最终出现早期损坏问题1。引。在法国、日本等发达国
11、家，较厚沥青层半刚性基层沥青路面具有优良的使用性能 4-6 。我国京津塘以及广深高速具有较厚沥青层的半刚性基层沥青路面结构也取得了较好使用效果阻引。东南大学研究认收稿E t 期：2 0 0 8-0 3-2 5作者简介：平树江(1 9 6 6 一)，男，山东沾化人，研究员，博士研究生，研究方向为道路与铁路工程(p s j 0 7 0 6 1 6 3 咖)万方数据公路交通科技第2 6 卷为增加沥青层的厚度和基层的厚度可以增加具有基底裂缝的路面的疲劳寿命 1 0 1。据此，分析沥青层加厚对半刚性基层受环境条件和结构应力的影响，研究半刚性基层作为长寿命沥青路面基层的适应性。1半刚性基层承载能力和疲劳寿
12、命分析1 1 典型路面结构拟定对国内外半刚性基层沥青路面调查发现，大部分使用性能良好的路面结构具有较厚的沥青层，其沥青层厚一般为2 0 3 0c m，而半刚性基层厚度为1 5 5 0c m，据此拟定典型路面结构进行承载力和疲劳寿命分析。路面结构及设计参数见表1。表1 路面结构设计参数表T a b 1D e s e r tp a r a m e t e r so fp a v e m e n ts t r u c t u r e采用B I S A R 3 0 计算路面结构内应力，荷载为双圆均布荷载，按标准轴载1 0 0k N、超载3 0、5 0 和8 0 分别计算，计算点位于双圆荷载中心向下基层
13、底。半刚性基层极限劈裂强度按规范取0 4 5M P a。1 2 承载能力和疲劳寿命分析不同轴载作用下，不同厚度半刚性基层沥青路面基层底拉应力计算结果及变化趋势如图1 所示。芒至、R伪图1 不同轴载作用下半刚性基层基底拉应力F l j g 1T e m i l es t r e s si nt h eb o t t o mo f 刚嘶r i g 谴I m s e m m tw i t h 出岱盯霸na x l el o a d s公路沥青路面设计规范(J T G D S 0 2 0 0 6)中提供的容许拉应力计算公式为：口R=F o r s，(1)J、S式中，口R 为路面结构层材料的容许拉应力；
14、盯。为沥青混凝土或半刚性材料的极限劈裂强度；K。为抗拉强度结构系数。无机结合料稳定粒料类的抗压强度结构系数按下式计算：K s=o 3 5 肥1 1 A。，(2)对高等级沥青路面A。为1。变换的当量轴次的换算公式为：忙(志r根据基层层底拉应力计算基层的疲劳寿命，结果见表2。表2 半刚性基层疲劳寿命T a b 2F a t i g u el i f eo fs e n d。r i n db a s e m e n t长寿命沥青路面4 0a 设计使用寿命的累计当量。轴次按l 扩次进行计算，由表2 可见：要达到1 伊次的疲劳寿命，标准荷载作用下半刚性基层厚应不小于2 0c m；超载3 0 时基层厚度至
15、少为3 0c m，超载踟时基层厚4 0c m 疲劳寿命可达59 0 0 万次。理论计算结果表明：沥青层合理厚度确定后，针对不同荷载标准计算选择一定厚度半刚性材料作长寿命沥青路面基层，能满足承载力和疲劳寿命要求。笔者对唐山通往曹妃甸工业区一条干线公路车辆荷载和车流量进行统计，发现超载车辆占总车流量的7 0 以上，而超载基本达到8 0 以上，有些车辆甚至超载达4 0 0。针对目前我国各地公路交通重载车、超载车辆所占比重大的现状，若选用半刚性材料作为长寿命沥青路面基层，其厚度应超过4 0c m。2 沥青层加厚对半刚性基层的影响半刚性材料自身材料性质和受环境条件变化的影响 1 卜驯，在强度形成过程和使
16、用过程中常出现开裂，荷载作用下裂缝自下而上反射 1 3 1 制。雨水沿着沥青表面孔隙或反射裂缝渗入基层，在荷载作用下动力水对基层冲刷造成水损害，导致整个路面发生结构性破坏。长寿命沥青路面要求基层不发生结构性损坏u 5 J，半刚性材料要用作长寿命沥青路面基层，必须解决结构性开裂问题。普通半刚性基层沥青路面沥青层较薄，这使半刚性基层处于较不利的养生环境和受力环境之中。当采用较厚(大于2 0c m)的沥青层时，半刚性基层受环境条件变化影响以及其受力状态都会发生较大变化，分析这些变化对研究半刚性材料作为长寿命沥青路面基层具有重要的现实意义。万方数据第4 期平树江，等：半刚性材料作为长寿命沥青路面基层的
17、适应性研究3 12 1沥青层加厚对基层应力的影响为分析沥青层厚度对半刚性基层结构应力的影响，拟定不同厚度沥青层的路面结构型式，路面结构组合及各结构层设计参数见表3。表3 路面结构组合及各结构层设计参数表T a b 3D 嫡田p s r a n l e t e r so fd i f f e r e n tp a v e m e a ts t r u c t u r e s采用B I S A R 3 0 软件计算路面基层内应力。荷载为双圆均布标准轴载，计算点位于2 轮中心以下基层内。结果如图2 所示，拉应力为正，压应力为负。芷至、R氇；三蓁|霪差2”0薰cm25声J30c m+沥青层厚一7+沥青
18、层厚*沥青层厚彭乡彳-tttj一1 21 62 02 42 83 0距基层顶部距离c mj-4 种不同厚度沥青层的基层在不同深度应力分布图卫龟2S t r e s s0 f 蛔跚【m 毗喇恤f o u r 蛐0 fI 姒l a)惯缅i c I m 姻s 幅缸d i f f e r e n td e p t I l s由图2 可见，随着沥青层的增厚，沿基层顶面向下的应力变化梯度减小，基层顶面最大压应力和层底的最大拉应力的绝对值也减小。1 5c m 沥青层较3 0咖沥青层基层内应力梯度高8 7，而层底最大拉应力高4 3；沥青层的加厚一方面可大幅度降低基层底部拉应力，使基层的疲劳寿命增加；另一方面在
19、满足疲劳寿命的前提下，对基层力学性能的要求也可适当降低。当沥青层较厚时，半刚性材料结合料的用量可适当减少。半刚性材料的开裂与结合料的用量密切相关，减少结合料用量对减少开裂十分有效。2 2 沥青层加厚对半刚性材料收缩的影响(1)对干缩的影响干缩主要发生在材料强度形成的过程中，水分过快散失导致干缩加剧 1 引。半刚性基层上尚未铺筑沥青层前，采取保湿养生法可显著减少开裂，但铺筑沥青层后，基层中的水分仍会透过沥青混合料空隙蒸发出来而加剧干缩。沥青层较厚时，水分散失的路径延长，蒸发散失量大幅减小。因此，从后期养生角度而言，长寿命沥青路面半刚性基层的干缩程度要比普通沥青路面明显减小。(2)对温缩的影响调查
20、表明 1 扎培：薄沥青路面温度与环境气温的变化同步，如图3 所示。沥青路面结构不同深度内温度随气温呈现周期性变化，但变化幅度随着深度的增加而减少，温度峰值也随着深度的增加而滞后。时刻024681 01 2 1 4 1 61 82 02 2p魁疆图3 某地1 月份沥青路面不同深度温度变化飚3T e m 呛0 fa s p h a l tp a v e m e n ta td i 岱e r e n td e p 山si I lac e r t a i n 脚i nJ a n u a r y由图3 可知，路表面温度一定，随路面结构深度的不同，其温度变化呈现一定的规律性。路表气温在一2 0 一2o C
21、 间波动，振幅为1 8o C；1 5c n l 深度处温度在一1 5 一7 间波动，振幅为8，为气温变化幅度的4 4；3 0 锄深度处温度在一1 2 一1 0 间波动，振幅仅为2，为气温变化幅度的1 1。随着深度的增加沥青层内温度波动幅度降低很快。长寿命沥青路面较厚的沥青层(一般大于2 0 锄)使得基层温度变化梯度较普通沥青路面基层小很多。因此，较厚沥青面层可明显减轻和减少基层温缩开裂。沥青层的加厚减少了半刚性基层开裂和降低应力水平，可在很大程度上减少路面的反射裂缝，有效截断地表水渗入路面结构层的路径，从根本上解决了水对基层的冲刷问题。分析表明，长寿命沥青路面沥青层的加厚可有效减少半刚性基层开
22、裂，解决冲刷问题，为半刚性材料作为长寿命沥青路面基层使用提供了有利的条件。3 结论(1)沥青层厚度不变，随半刚性基层厚度增加其疲劳寿命增加，3 0 伽基层其疲劳寿命比2 0c m 基层增加近1 0 倍，而4 0c m 厚基层其疲劳寿命比3 0c m 基层增加近9 倍。半刚性基层厚度不变，沥青层增厚使基层底拉应力减小，2 5 锄厚沥青层其基底拉应力比1 5c m 厚沥青层基底拉应力减小2 5，而沥青层厚为。之4石加也w舶舶珈万方数据3 2公路交通科技第2 6 卷3 0c m 时减小值增加到3 5。(2)沥青层厚度增加，基层受环境温度变化影响大幅减弱，利于减少基层内的温度收缩和干缩。(3)通过合理
23、确定沥青层和半刚性基层厚度，可解决半刚性材料疲劳断裂、开裂和冲刷问题，能满足长寿命路面对基层的功能要求，半刚性材料可用作长寿命路面基层使用。参考文献：M b 舶O e s：1 蒋亮长寿命沥青路面基层适应性以及设计与施工控制一体化研究 D 西安：长安大学，2 0 0 7 J I A N GL i a n g S t u a yo nB a s e m e n tA d a p t a b i l i t ya n dI n t e g a t i o no fB a s e m e n to e s i 印a n dC o m t r u c t i o no fL o n g l i f eA
24、 s p h a l tP a v e m e r i t D X i B I I -嘁锄U n i v e r s i t y，2 0 0 7 2 沙庆林高速公路半刚性基层沥青路面 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 1 S H AQ i n 班n A s p I 盐P a v d n e n tw i t hS e l 面一r i o dB a s e m e n to fE x p r e s s w a y M B e i j i n g：C h i n aC o m n 砌i e a t i o mh 嘲，：a 0 0 1 3 沈金安，李福普，陈景，等高速公路沥青路面早期损坏分析与
25、防治对策 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 4 S I-I F _,NJ i n 狮，L IF u p u，C H E NJ i I l g，e ta 1 A n a l y s i so ft h eE a r l yD a m a g ea n dC o n t r o lM e a s u r e so fE x p r 嘲w a yA s p h a l tP a v e m e n t M B e i j i n g：C h i n aC o m m u n i c a t i o mP r e s s，2 0 0 4 4 吕文江沥青路面结构与材料设计一体化研究 D 西安：长安大
26、学，2 0 0 6 L VW e j i a l l g S t u a y0 1 1I I 馏洒咖o fS m l e t ma n dN a t e r i a l 脯g-n a t i o n0 fA 舭P a v e m e n t D X i 8 1 1；嘶锄U n i v e 商t y，2 0 0 6 5 岳卫民水泥粉煤灰稳定碎石配合比设计方法及路用性能研究 D 西安：长安大学，2 0 0 6 Y U EW e i m i n S t u d y0 1 1M i x t u r eR a t i oD e s i g nM e t h o da n dP a v e m e n t
27、P e r f o r m a n c eo fC e m e n t。t l y a s hS t a b i l i z e dA 霞即归 D X i 锄：C h a,l g 锄U n i v e r s i t y，2 0 0 6 6 沙庆林高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 M 北京：人民交通出版社，2 0 0 1 S H AQ i w 1 i n A s p h a l tP a v e m e n tE a r l yD a 蛐l g ea n dP r e v e n t i o nW a yo fE x p r e 鲫v a y M B e i j i n g：C h i n
28、aC o m m u n i c a t i o n sP r e 8 s 2 0 0 1 7 武建民半刚性基层沥青路面使用性能衰变规律研究 D 西安：长安大学，2 0 0 5 W I JJ i a n m i n S t u d yo nt h eP e r f o r m a n c eD e t e r i o r a t i o no fS e m i m g i aB a s eA s p h a l tP a v e m e n t D X i a l l,C h a n g 锄U n i v e r-1 0 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 s i t y，
29、2 0 0 5 杨涛半刚性基层沥青路面反射裂缝的产生机理及其防治措施 D 武汉：武汉理工大学，2 0 0 5 Y A N GT a o A n a l y s i so nt h eC a u s eo fR e f l e c t i o nC r a c ko fA s-p h a l tP a v e m e n tB a s e do nt h eS e m i l i g i dT y p eB a a n dA n t i c r a c kM e t h o d D W u h a n：W u h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o
30、g Y，2 0 0 5 尹金华基于使用性能的沥青路面设计研究 D 西安：长安大学，2 0 0 5 Y 矾J i n h u a S t u a yO n 脚0 fA 印I l f l l tP a v m ,e a tB a s e dO nS e r-v i c eP e r f o n m m e D X i a n：0 1 a I l g a I lU n i v e r s i t y，：a 0 0 5 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，2 0 0 4 S H E NJ i n B I F I D e s i g nM e t h o d so fA s p h
31、 a l tP a v e m e n ti nA b r o a d M B e i j i n g：C h i n aC o n a n u n i c a t i o n sP r e s 8，2 0 0 4 K I NKW E v a l u a t i o no fE f f e c t i v e n e s so fR e i n f o r c i n gI n t e r-l a y e rA g a i n s tR e f l e c t i o nC r a c k i n g C ，1 h e4 t I II n t e r n a t i o n a lC o n
32、f e r e n e eO i lR o a d A i r f i l dP a v e m e n tT e c h n o l o g y 粕dE x h i b i t i o n0 1 3 R o a da n dA i r f i e l dC o n s t r u c t i o na n dM a n a g e m e n t Y u n n a n：2 0 0 2：1 0 9 9 一1 1 2 4 I V I O L E N A A RA AA N O D SM P a v e m e n t sD e s i g nM e t h o df o rP l a i na
33、 n dG e o g r i dR e i n f o r c e s dO v e r l a y so nC r a c k e dP a v e m e n t s M L o n d o n：R e f l e c t i v eC r a c k i n gi nP a v e m e n t s，1 9 9 6 F R A N C K E NL R e f l e c t i v eC r a c k i n gi nP a v e m e n tD e s i g na n dP e r f o r m a n c eo fO v e r l a ys y s t e n n
34、s M 1 0 n d o n：T a y l o r F r a n c i s，1 9 9 7 V A N S m A EA F R A N C K E NL P r e v e n t i o no fR e f l e c t i v eC r a c k i gi nP a v e m e n t R R m E MR e p o r t1 8，1 9 9 7 李锋，孙立军，胡晓长寿命沥青路面设计方法和实践综述 J 公路，2 0 0 5(7)：1 2 2 1 2 5 L IF e n g，S U NL i j u n，H UX i a o S t u a yO i lP e r p
35、e t u a lB i t u m i n o u sP a v e m e n tD e s i g na n dC o n s m 圮t i o n J H i g h w a y，2 0 0 5(7)：1 2 2 1 2 5 杨文丁半刚性基层材料收缩性能研究 D 西安：长安大学，2 0 0 4 Y A N GW e n a i g S t u a y0 1 3 N a t e r i a lC o n t r a c t i l i t yo fS e m i 一喇B,a s e m e r l t D X i a n：C h a n g f i l lU n i v e r s i
36、t y，2 0 0 4 张玉斌二灰砂砾级配优化及路用性能研究 D 西安：长安大学，2 0 0 5 Z t t A N GY u b i n S t u d yO i lG r a d a t i o nO p t i m i z i n ga n dP a v e m e n tP e r f o r m a n c eo fL i m eF l y a s hG r a v e l D X i f i l l 嘁锄U n i v e r s i t y，2 0 0 5 韩子东道路结构温度场研究 D 西安：长安大学，2 0 吆H A NZ i d o n g s t u a yo nT e m p e r a t u r eF i e l do ft h eR o a dS m i e t 虢 D X i 锄：溉B n U n i v e r s i t y，2 0 0 2 万方数据