【正文】 ④ 比較方案三(復(fù)合式路面結(jié)構(gòu))比較方案三為復(fù)合式路面，采用 SMA13 和雙層改性瀝青，瀝青面層具有較強(qiáng)的表面抗滑性能和抗車轍性能；溶劑型粘結(jié)劑提高了瀝青層與基層的粘結(jié)力，同時(shí)有利于路面防水；SBS 改性瀝青封層可對(duì)基層形成有效的保護(hù)，減小動(dòng)水壓力對(duì)基層的沖刷。④基層采用 28cm fcm= 混凝土，具有較高的強(qiáng)度，整體性好，應(yīng)力擴(kuò)散能力強(qiáng)，對(duì)重載交通和路基不均勻沉降具有非常良好的適應(yīng)性，抗疲勞性能好。⑤路面結(jié)構(gòu)的中上面層屬于高應(yīng)力區(qū)，需要承受行車荷載較大的壓應(yīng)力和剪應(yīng)力作用，因此中上面層均采用改性瀝青，以提高路面抗車轍性能。 由材料的疲勞機(jī)理，要發(fā)生疲勞破壞的條件是在荷載作用下首先產(chǎn)生微裂紋，而后在荷載的重復(fù)作用下，微裂紋逐漸擴(kuò)展，最后斷裂，達(dá)到疲勞破壞。 根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果可知： （1）瀝青面層底部一般在輪胎單輪中軸線和輪胎邊緣之間的位置出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和拉應(yīng)變，當(dāng)其產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)變超出了結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力后會(huì)導(dǎo)致面層底部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，隨著日后交通荷載的反復(fù)作用，破壞逐漸反射到路表面，而出現(xiàn)整體行破壞。這樣在面層和基層接觸面上會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的剪切疲勞作用，容易造成路面的剪切破壞。邊界條件假設(shè)為:底面沒有 z 方向位移；左右兩面有 x 方向位移，前后兩側(cè)沒有 y 方向位移，層間完全連續(xù)。胡小弟對(duì)瀝青路面受到非均布荷載進(jìn)行重點(diǎn)研究，由于輪胎胎面有花紋，考慮作用面積折減效果，研究中將接地形狀看做矩形，并認(rèn)為在不同胎壓下，接地形狀是不同的，但多為矩形；研究還發(fā)現(xiàn)，路面在超載作用時(shí)，壓應(yīng)力表現(xiàn)為凹型分布，在欠載作用時(shí)，表現(xiàn)為凸型分；且瀝青路面結(jié)構(gòu)在非均布荷載作用下的影響遠(yuǎn)大于均布荷載。交通量的變換算根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，國(guó)際運(yùn)輸聯(lián)合會(huì)上世紀(jì) 70 年代將單軸雙輪的軸載質(zhì)量限值從10t 提高到 13t，雙聯(lián)軸載質(zhì)量提高到 21t，列車重質(zhì)量提高到 45t。瀝青路面在使用過程中，受到重載超載交通的影響，出現(xiàn)了不同程度的路面損害現(xiàn)象。所以有必要了解交通量隨時(shí)間的變化情況，即需要確定交通量月調(diào)節(jié)系數(shù)和小時(shí)調(diào)節(jié)系數(shù)。在計(jì)算得時(shí)候主要是日平均交通量的確定，基于軸載譜對(duì)其進(jìn)行分析。根據(jù)圖中的規(guī)律，將軸載分為兩段，小于 130KN 的，成線性變化；大于 130KN時(shí)，成非線性關(guān)系，根據(jù)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到如下關(guān)系。 典型路面結(jié)構(gòu)形式選擇。在進(jìn)行軸載換算時(shí)遵循以下兩原則：不同軸載在同一路面結(jié)構(gòu)上重復(fù)作用不同次數(shù)后，使路表彎沉值或基層底彎拉應(yīng)力達(dá)到同一極限狀態(tài)。在進(jìn)行交通量調(diào)查的時(shí)候，應(yīng)該按車型和軸型的不同，將車輪分類后進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)。 兩項(xiàng)次要標(biāo)準(zhǔn)為: (1)水泥穩(wěn)定類基層底面的拉應(yīng)力其容許值按下式計(jì)算: 式中：σr為一次荷載作用下材料的極限彎拉強(qiáng)度。(5)考慮環(huán)境的影響依據(jù)凍脹和膨脹性土對(duì)路面服務(wù)能力的影響。在季節(jié)性冰凍地區(qū)，必須滿足防凍層厚度的規(guī)范要求。但是從總體上講，路面破壞可以分為兩大類：功能性破損和結(jié)構(gòu)性破損?？硬坜H試驗(yàn)和層間粘結(jié)力試驗(yàn)，對(duì)其性能進(jìn)行研究，提出了新的路面結(jié)構(gòu)組合方案，優(yōu)化了路面層厚度、模量。 技術(shù)路線根據(jù)本課題的特點(diǎn)和目的，本文以實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合前人研究成果和經(jīng)驗(yàn)，以理論分析為主，對(duì)山區(qū)高速公路路面設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。他們對(duì)于早期出現(xiàn)推移和車轍的現(xiàn)象進(jìn)行了原因分析，并從設(shè)計(jì)上如何因地置宜地考慮進(jìn)行探討和研究。重載下瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)和在譜載下的響應(yīng)是不同的，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。同時(shí)，山區(qū)高速公路的建設(shè)遇到了一些經(jīng)濟(jì)技術(shù)問題。因山區(qū)受地質(zhì)和經(jīng)濟(jì)因素的制約，在高速公路設(shè)計(jì)建造時(shí)受到一定的阻力，而且山區(qū)高速公路建設(shè)成套技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后。[2]研究了高接觸壓力和重載對(duì)瀝青路面疲勞性能的影響。全麗春借鑒汽車與路面之間的作用原理，分析汽車在瀝青陡坡路面行進(jìn)中減速換檔、剎車制動(dòng)對(duì)路面造成的嚴(yán)重?fù)p害，從設(shè)計(jì)上提出改進(jìn)意見，這時(shí)于延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命具有特別重要的現(xiàn)實(shí)意義?？傮w技術(shù)路線如下圖：第二章 山區(qū)高速瀝青路面情況概述 山區(qū)高速公路特點(diǎn)隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，內(nèi)地的開發(fā)，原有的普通公路已難以承受大量的運(yùn)輸需求，現(xiàn)在山區(qū)都已開始大規(guī)模的高速公路建設(shè)。沉陷沉陷是由于路基、路面產(chǎn)生豎向變形而導(dǎo)致路面下沉的現(xiàn)象。 （1）功能性破壞功能性破損是由于路面提供給道路用戶的服務(wù)功能下降引起的，反映在路面上則是平整度降低和車轍的加深，影響高速行車的安全性和舒適性。（4）根據(jù)設(shè)計(jì)彎沉值和彎拉應(yīng)力指標(biāo)計(jì)算設(shè)計(jì)出厚度，如不滿足要求，變更路面結(jié)構(gòu)層組合，或者調(diào)整路面結(jié)構(gòu)層厚度，或者調(diào)整材料配合比，從新計(jì)算，直到滿足要求為止。建立服務(wù)能力指數(shù)降低量隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。(2)道路表面的永久變形容許車轍深度，對(duì)于高速道路為 10mm ，一般道路為30mm。如美國(guó)聯(lián)邦公路局將車輛劃分為 13 類：摩托車，轎車，2 軸 4 輪整車，大型客車，2 軸 6 輪整車，3 軸整車，4 軸或者以上整車，4 軸或以下單拖掛車，5 軸單拖掛車，6 軸多拖掛車，7 軸或以上多拖掛車。無(wú)論何交通組成無(wú)論用哪種方法進(jìn)行換算，計(jì)算得到的路面厚度應(yīng)該相同。結(jié)構(gòu)層組合如下表：根據(jù)線性模型和非線性模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，得到三種結(jié)構(gòu)在線性和非線性模型下的彎沉計(jì)算結(jié)果，下圖為結(jié)構(gòu) 2 的線性和非線性模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比的關(guān)系圖： 從圖中可知，當(dāng)軸載大于 130kN 的時(shí)候兩條線開始出現(xiàn)了分離，隨著荷載的增加，兩條線距離越來(lái)越大，也就是彎沉值變化率越來(lái)越大，這就是兩模型之間的差異。 基于軸載譜的累計(jì)當(dāng)量軸次研究累計(jì)當(dāng)量軸次是進(jìn)行路面厚度設(shè)計(jì)的依據(jù)，我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范路面設(shè)計(jì)中采用累計(jì)當(dāng)量軸次作為設(shè)計(jì)依據(jù)。由于規(guī)范中計(jì)算方法沒有涉及日交通量與時(shí)間的關(guān)系。交通量月調(diào)節(jié)系數(shù)代表的是某一特定種類的車型，其在一特定月的交通量在年交通量中所占的比重。許多的路面根本達(dá)不到設(shè)計(jì)使用年限，產(chǎn)生的許多損害嚴(yán)重縮短了瀝青路面的使用壽命，使其性能不斷衰減而且速度加快，給國(guó)家和社會(huì)造成了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。亞太經(jīng)社委員會(huì) 1983 年提出車輛單軸軸載不應(yīng)超過 11t、雙聯(lián)軸不超過 18t、汽車總重量不超過 43t。陸輝等對(duì)荷載的接地形狀進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際情況下荷載的接地形狀和規(guī)范規(guī)定的圓形均布荷載有很大差異，隨著胎壓和荷載的不同，呈現(xiàn)出不同的形狀，主要有凸型、鋸齒形和鞍型等。選擇 solid45 單元，solid45 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)結(jié)合而成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 x、y、z 三個(gè)方向的自由度。3 、瀝青面層最大剪應(yīng)力分析標(biāo)準(zhǔn)荷載下瀝青路面剪應(yīng)力隨深度的變化如下從圖中我們可以得知1) 隨著路面深度的加大，剪應(yīng)力成先增大后減小的趨勢(shì)，最大值出現(xiàn)在面層的中部 10cm 左右。所以，層底拉應(yīng)力過大是引起瀝青路面破壞的主要原因之一；（2）瀝青面層表面最大應(yīng)力出現(xiàn)位置與底層不同，主要出現(xiàn)在輪緣外側(cè)與輪隙部分，當(dāng)其最大應(yīng)力超過結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力后，面層表面會(huì)出現(xiàn)開裂破損，而后在交通荷載反復(fù)作用下，不斷擴(kuò)大。 前面講到，瀝青混合料不是絕對(duì)密實(shí)的材料，其內(nèi)部存在大量的不同大小不同方向的開口空隙和微觀閉口，而在交通荷載的作用下，薄弱環(huán)節(jié)往往出現(xiàn)在微觀空隙、細(xì)小裂縫、集料和瀝青質(zhì)檢的粘結(jié)區(qū)域，而且這些位置也是高應(yīng)力區(qū)，這些地方會(huì)早于其他位置出現(xiàn)微小裂縫，在荷載的反復(fù)作用下，裂縫不斷擴(kuò)張，最后導(dǎo)致路面的損壞，疲勞損壞不僅出現(xiàn)在面層底面，也出現(xiàn)在路表，疲勞損壞是主要的路面病害之一。下面層則采用普通瀝青，以降低路面造價(jià)。同時(shí)考慮到廣東英德為主要水泥生產(chǎn)基地，該方案可以充分利用當(dāng)?shù)刎S富的水泥材料。比較方案三總體具有良好的抗滑、抗車轍和抗水損壞性能，對(duì)重載交通和路基不均勻沉降具有非常良好的適應(yīng)性,同時(shí)也具有非常好的長(zhǎng)期耐久性，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比壽命周期內(nèi)的直接費(fèi)用減少 21%～32%，具有較好的長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益。比較方案二初期投資較高，路面新建費(fèi)用比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加約 15％，該結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)不夠多，對(duì)級(jí)配碎石基層施工質(zhì)量和路基強(qiáng)度要求也比較高。③封層采用機(jī)械撒布 SBS 改性瀝青，具有良好的可延展性和密水性，可在施工與運(yùn)營(yíng)過程中對(duì)基層形成有效的保護(hù)，減小動(dòng)水壓力對(duì)基層的沖刷。④面層結(jié)構(gòu)瀝青混凝土層總厚度 20cm，瀝青路面抗反射裂縫和抗水損壞性能在使用初期基本能滿足需要。混凝土路面在經(jīng)受長(zhǎng)期的交通荷載下，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度逐漸下降，直到結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞破壞。等效應(yīng)力根據(jù)破壞類型不同而不同，可以是最大剪應(yīng)力，也可以是最大拉應(yīng)力。綜合上述，面層和基層、底基層的產(chǎn)生的應(yīng)力不同，面層底部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，基層底基層表現(xiàn)為拉應(yīng)力，說(shuō)明結(jié)構(gòu)層在荷載的反復(fù)作用下，瀝青層會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)變和彎曲變形，而基層以下各層則產(chǎn)生彎曲和拉伸變形。依據(jù)垂直應(yīng)力和接地尺寸的特性，分析范圍 x、y、z 軸方向各為 6。國(guó)內(nèi)外對(duì)此研究廣泛，Ikeda[36]通過實(shí)測(cè)和數(shù)學(xué)回歸的方法研究輪壓、輪載與平均接地壓力之間的關(guān)系，得到相應(yīng)的回歸方程；而南非 Beer 通過研究發(fā)現(xiàn)，在重載作用下，胎面的接地壓力是高于胎壓的，可以到達(dá) 30~58%，輪載對(duì)輪胎邊緣的壓力起到很大作用，但對(duì)輪胎中部的接地壓力影響不大。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)重載交通的限值規(guī)定也有所變化。第四章 重載交通下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析 重載交通規(guī)定近年來(lái)，我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，區(qū)域貿(mào)易也迅速增加，區(qū)域之間的交通量增大，對(duì)道路需求也越來(lái)越高，交通量增大不僅體現(xiàn)在數(shù)量上，而且超載重載也越來(lái)越多。如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度因環(huán)境因素的影響而下降，而如果這一時(shí)間段交通又較為集中，則路面結(jié)構(gòu)在這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的破壞將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的時(shí)間段。kkk 類車輛的標(biāo)準(zhǔn)軸載當(dāng)量換算系數(shù)jpj 軸型在 k 類車輛中的組成比例kpk 類車輛的組成比例標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)計(jì)算公式： 基于軸載譜的軸載換算研究提出上述研究中，用軸載譜的方法計(jì)算交通荷載已經(jīng)有很大進(jìn)步。其原因是材料在很大軸載的情況下，材料不能完全恢復(fù)原來(lái)的形狀而形成永久變形，這樣就加大了路面的破壞。本節(jié)選擇三種典型路面結(jié)構(gòu)從線性和非線性理論計(jì)算上對(duì)其進(jìn)行分析。雙后軸的換算公式如其他車型為雙后軸，則 L0=2 每軸荷載為 x klbf，則總軸載為 P=2x，其軸載通過數(shù)以 N2x表示，則它與 100kN 單后軸標(biāo)準(zhǔn)軸載的換算公式是： 我國(guó)瀝青路面軸載換算方法換算基本原則由于路面實(shí)際作用的車輛種類繁多，需要將不同軸重的軸載換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載。組合車的前軸也為單軸一單輪，后面的掣肘可以有 25 或 46 個(gè)以上，由單軸、雙聯(lián)軸或三聯(lián)軸組成。若置信水平擬提高到 95%，則應(yīng)將式中的 改為 。分期修建時(shí)，各階段的目標(biāo)可靠度按下式確定: (4)確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)能力指數(shù)變化量 PSI。根據(jù)材料進(jìn)行配合比實(shí)驗(yàn)測(cè)得相應(yīng)材料的抗壓強(qiáng)度和抗壓回彈模量。并且產(chǎn)生病害的機(jī)理也不盡相同，可能是一個(gè)原因?qū)е碌慕Y(jié)果，也可能是多個(gè)原因綜合作用的結(jié)果。 裂縫瀝青路面產(chǎn)生裂縫的原因很復(fù)雜，按其成因可分為荷載型裂縫和非荷載型裂縫，按其形式分則有縱向裂縫、橫向裂縫、龜裂與網(wǎng)裂幾種。通過文字，圖形，表格等形式得到理論分析成果，從而得到本課題的相關(guān)研究成果資料。劉艷華，劉英軍研究了關(guān)于重交通的陡坡路段以及被礦山包圍區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題。重載交通有如下特點(diǎn)：軸載重、軸載作用次數(shù)多、接地壓力分布不均、輪胎胎壓大和動(dòng)力學(xué)特征明顯等特點(diǎn)。我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，我國(guó)的山地占國(guó)土面積的 33％，丘陵占 10％，崎嶇高原占 10％以上，大體上講，山區(qū)面積占國(guó)土 50％以上，并且山區(qū)大部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)滯后，為提高人民生活水平，交通便利是一個(gè)必要條件，因此，解決好山區(qū)的交通狀況非常的重要。山區(qū)高速公路地質(zhì)復(fù)雜，環(huán)境難以預(yù)測(cè)，路面病害多發(fā)。他認(rèn)為，軸載不變的情況下，對(duì) 2IN 厚的瀝青面層，當(dāng)接觸增大 50%的時(shí)候，將會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命降低 85%。陳哲，朱士東，張家峰對(duì)高模量瀝青混合料用于陡坡路段進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力應(yīng)變有明顯的改善，高模量瀝青路面比普通瀝青路面的壓應(yīng)變和剪應(yīng)變減少了 30%，提高了陡坡路段路面抵抗車轍的能力，高模量瀝青混合料的使用為重載和超載下瀝青路面設(shè)計(jì)提供了新的方向。 我國(guó)是一個(gè)多山的國(guó)家，所謂山區(qū)通常是指山地、丘陵和地形比較崎嶇的高原?？梢苑譃槿悾壕鶆虺两?、不均勻沉降、局部沉降。（2）結(jié)構(gòu)性破壞結(jié)構(gòu)性破損是由于路面結(jié)構(gòu)層的承載力降低和不在導(dǎo)致的。（5）對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，確定最終路面結(jié)構(gòu)方案。(6)確定路基土的有效回彈模量根據(jù)不同路基干濕狀況以及不同時(shí)期測(cè)定的土的回彈模量按有效的方法來(lái)計(jì)算有效回彈模量。 本章小結(jié)本章概述了山區(qū)高速公路的特點(diǎn)、以及瀝青路面基本病害和病害分類，為后面瀝青路面的設(shè)計(jì)提供基本的理論支持，同時(shí)介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外瀝青路面設(shè)計(jì)方法概況，其主要有 AASHTO 瀝青路面設(shè)計(jì)方法、SHELL 瀝青路面厚度設(shè)計(jì)方法、美國(guó)的力學(xué)經(jīng)驗(yàn)法和我國(guó)規(guī)范中的瀝青路面的設(shè)計(jì)方法。前 4 種為客車，后 9 種為貨車。我國(guó)設(shè)計(jì)方法中采用的是彎沉和層低彎拉應(yīng)力指標(biāo)，所以在換算時(shí)應(yīng)以彎拉應(yīng)力為指標(biāo)和彎沉為指標(biāo)軸載換算方法。線性模型下，彎沉成直線走勢(shì)；在非線性模型下，呈加速上升趨勢(shì)。但是規(guī)范中由于車型劃分以及考慮因素不足，而存在一些缺陷，不能完全真實(shí)的反應(yīng)設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次。很多調(diào)查都是一次性的調(diào)查結(jié)果，而該結(jié)果不具有全年的代表性，因?yàn)槊吭隆⒚咳?、每小時(shí)的交通量都不一樣的，可能存在季節(jié)性和勞動(dòng)性的影響。 根據(jù)《廣東省高速公路交通運(yùn)行情況調(diào)查報(bào)告》中間成果，調(diào)查數(shù)據(jù)如圖所示，由于數(shù)據(jù)繁多，在此只列舉 2 圖表。 隨著上述情況的不斷出現(xiàn)，重載交通得到了交通行業(yè)的普遍關(guān)注。姚祖康等著的公路設(shè)計(jì)手冊(cè)《路面》中總結(jié)了各國(guó)對(duì)于軸載的規(guī)定，如圖：系數(shù)；由于當(dāng)前使用規(guī)范中