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    長壽命瀝青路面結構在冰凍重載區的應用分析

    ?? 日期:2016-03-02???? 來源:《中國公路》????作者:郭臣????評論:0????
    核心提示:  內蒙古地區的冰凍區集中在呼倫貝爾市境內占8 0%以上,氣候條件惡劣,且車輛超載嚴重,對瀝青路面早期的破壞影響很大。針對這
       內蒙古地區的冰凍區集中在呼倫貝爾市境內占8 0%以上,氣候條件惡劣,且車輛超載嚴重,對瀝青路面早期的破壞影響很大。針對這些問題,依托阿榮旗至博克圖段高速公路項目,對該地區瀝青路面結構設計進行試驗對比,力求從根本上提高瀝青路面的使用性能,延長使用壽命,并引入重冰凍區路面結構優化設計組合。

      本文結合內蒙古地區交通量、軸載分布以及路面使用現狀和交通狀況,對重冰凍區路面設計軸載參數進行深入研究,得出了重冰凍區季節軸載換算參數。通過長壽命瀝青路面設計理念,按照長壽命瀝青路面結構層位功能要求,路面結構特殊功能層設置及合理基層類型,提出了該地區長壽命瀝青路面結構組合設計及層間處置方法。

      設計原則

      重冰凍區長壽命瀝青路面的結構組合設計,需要結合本地區氣候及交通條件,遵從一定的設計原則。首先,結構組合與路面結構類型要相匹配。根據基層類型的不同,重冰凍區長壽命瀝青路面在基層面層之間設置應力吸收層或采用復合式基層結構較為合理。其次,層間結合保證連續。在設計中必須考慮封層、粘層、透層等設計的粘結層,要滿足重冰凍區長壽命瀝青路面結構要求。瀝青結構的薄弱環節是瀝青結構層間結合處,必須加強長壽命瀝青路面層間結合,避免產生層間滑移。最后,長壽命路面需滿足設計指標及要求。設計中疲勞極限的彎拉應變低于彎拉應變的臨界點疲勞極限,瀝青混合料層底就不會產生疲勞損傷,從而得出重冰凍區長壽命瀝青路面結構設計指標。

      確定計算參數

      為提高路面的抗裂性能、抗低溫性能、抗剪切及抗車轍性能,降低裂縫的發生等技術問題,應改進路面設計。在保證路基穩定的前提下,提高路面結構整體強度,半剛性基層應具有一定抗開裂性能和強度;復合基層應考慮柔性和半剛性結構層的合理組合;在半剛性基層與瀝青面層之間設置應力吸收層,防止半剛性路面的反射裂縫。下面層主要考慮抗疲勞開裂和抗車轍性能;中面層要有良好的抗剪切性能和抗車轍性能;上面層要有良好的抗低溫性能和抗裂性能。根據室內試驗和原施工圖設計,確定路面各結構層的軸載參數分析、材料參數以及本地區交通量的調查,確定重冰凍區長壽命瀝青路面軸載參數。并通過超載情況、軸載換算指數取值、交通量增長率、設計年限以及土質的季節修正系數,計算綜合季節修正系數,之后再計算重冰凍區長壽命瀝青路面設計的標準軸載累計作用次數。

      重冰凍區瀝青路面結構設計優化

      路面結構初步擬定

      借鑒長壽命路面設計理念,針對綏滿高速阿榮旗至博克圖段地質條件,結合重冰凍區的自然環境和交通特點,擬定了以下路面結構形式做為試驗路段進行驗證。

      原路面結構:基層厚度52 c m(水泥穩定碎石2 0 c m和水泥穩定砂礫3 2 c m),強度高,有足夠的承載力;面層總厚度16 c m,采用三層A C結構(4+5+7cm)的厚基薄面型式。

      試驗設計結構1:基層采用原設計結構;面層和半剛性基層之間加入了一層A C-13(4 c m)應力吸收層,來降低半剛性基層的裂縫反射到面層,S U P結構能提高路面的抗車轍和耐久性,提高路面的承載力,因此,在中面層(7c m)和下面層(9c m)采用此結構;上面層采用S M A-13(5c m),能夠提供好的抗滑性、強度和低溫性能,有效地降低上面層的低溫破壞,因此各方案中均選用SMA-13作為上面層。

      試驗設計結構2:屬于倒裝結構,在面層和基層之間設置級配碎石應力吸收層(2 0 c m),系松散結構,能夠吸收半剛性基層反射裂縫產生的能量,從而減緩裂縫反射到面層,提高路面的使用品質和使用年限。同時,中下面層采用(7+9c m)AC結構,基層采用原設計結構,降低裂縫的產生。

      路面結構力學分析

      通過分析瀝青面層底部拉應變、半剛性基層底部拉應力、面層最大剪應力的力學試驗為設計控制指標,并根據國內外設計指標控制的情況,以及長壽命瀝青路面結構是結合半剛性基層特點,得出層間拉應變數量變化值作為設計依據。

      由表1可以看出路面不同的結構設計有以下規律:1、當系數小于10 0 r時,隨著層間接觸系數的增大,瀝青層底最大拉應變同時增大;當系數大于10 0r時,拉應變沒有太大變化。所以研究層間不完全連續狀態時,取層間系數為10 0 r。2、各結構在軸載增大時,瀝青層底最大拉應變同時增大,接近線性關系,說明超載越嚴重對路面的破壞越嚴重。3、當層間接觸為完全連續狀態時,相同軸載作用下,瀝青層底的拉應變的順序由大到小為:結構2>原結構>結構1;當層間狀態為不完全連續時(層間系數為10 0 r時):原結構>結構2>結構1。

      半剛性基層層底拉應力

      路基和基層的接觸狀態對基層層底拉應力也是有影響的,而且路基和基層的接觸狀態不會是絕對的完全連續。對各結構取完全連續和不完全連續(層間系數為10 0r)兩種狀態下的不同軸載,研究分析半剛性基層層底彎拉應力。各結構的基層層底最大拉應力呈線性增加,層底最大拉應力隨著軸載的增加,不完全連續狀態下的基層層底拉應力比完全連續狀態下大,且各結構在兩種不同狀態下的大小規律一樣。在不同軸載作用下各結構基層層底最大拉應力的大小順序為:原結構>結構1>結構2。而結構2基層層底最大拉應力較小的原因,是采用了柔性復合基層,柔性基層能夠吸收荷載的能量,模量較低,減小了層底拉應力。

      面層最大剪應力

      在溫度較高或重載時,瀝青路面都很容易引起擁包、推移或者車轍等病害,這是由于瀝青面層的抗剪能力不足造成的。對不同軸載下各結構的面層最大剪應力計算,如表2所示。

      從表2可以看出,在完全連續狀態下,剪應力也是隨著軸載增加呈線性增長。各結構的面層最大剪應力的變化情況,在標準軸載、不同的軸載和不同層間接觸條件下,力學響應有不同的規律,通過綜合分析,結構1、結構2比原結構的力學指標要好。

      路面結構疲勞壽命計算

      通過永久變形設計法、疲勞壽命預估方法和瀝青層疲勞設計法,對重冰凍區長壽命瀝青路面結構數據分別代入公式計算分析,可以看出結構1、2在永久變形模型和半剛性基層疲勞模型下的疲勞壽命較長,在瀝青層疲勞模型下卻極小。因此,結構1、結構2的疲勞壽命要明顯優于原結構。

      經濟效益分析

      根據呼倫貝爾地區近年高等公路建設中的人工、材料、機械費用情況,通過對路面結構初期造價、設計年限、殘值等進行經濟分析,普通路面結構在單位年限內,造價要高于長壽命路面結構。如在考慮維修交通中斷、運營成本隨時間增加而提高等成本,普通路面結構所發揮的效益遠遠不如長壽命路面。

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