【正文】 第五章 陡坡路段瀝青路面設(shè)計(jì)研究陡坡路段是山區(qū)高速公路中常遇見的情況之一，而對(duì)于陡坡路段的界定國內(nèi)沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，而根據(jù) 2007 年全國道路交通安全工作部際聯(lián)席會(huì)議公布的《全國和。 本章小結(jié)本章根據(jù) ANSYS 有限元分析軟件對(duì)重載下瀝青路面做力學(xué)響應(yīng)分析，得到重載對(duì)瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)有很敏感的影響，彎沉、拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都明顯增大，對(duì)瀝青路面的使用非常不利。 方案推薦綜合上述四種方案，由于推薦方案在造價(jià)上、施工工藝上和可靠性方面均能夠滿足廣樂路的使用要求，對(duì)重載交通的適應(yīng)性強(qiáng)，與其它方案相比有較大優(yōu)勢，因此選擇推薦方案。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 比較方案二（柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)）比較方案二采用 SMA13 和雙層改性瀝青，路面結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的表面抗滑性能和抗車轍性能；38cm 厚的瀝青層將瀝青層層底水平拉應(yīng)變減小到疲勞極限以下，避免了瀝青層產(chǎn)生由下至上的疲勞裂縫，路面結(jié)構(gòu)符合長壽命路面設(shè)計(jì)理念的要求，具有非常良好的耐久性；基層采用級(jí)配碎石柔性基層，因此完全避免了半剛性基層的裂縫反射問題； 厚的封層和較厚瀝青層，有效阻隔了動(dòng)水壓力對(duì)基層的影響，從而避免了因動(dòng)水壓力沖刷引起的基層破壞；38cm 厚的瀝青層還可起到明顯的應(yīng)力擴(kuò)散作用，減小級(jí)配碎石基層和路基頂面壓應(yīng)變，避免基層和路基在荷載作用下產(chǎn)生過大變形。比較方案一路面各項(xiàng)性能在短期內(nèi)基本能滿足廣樂高速高溫多雨環(huán)境和重載交通的需求，但由于瀝青層厚度較薄，基層收縮裂縫向上反射容易形成貫穿型反射裂縫，裂縫進(jìn)一步則引起其他病害，半剛性基層作為主要承重層，在重載交通作用下容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，維修養(yǎng)護(hù)比較困難。②比較方案一(傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面)比較方案一采用 SMA13 和雙層改性瀝青，路面結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的表面抗滑性能和抗車轍性能；采用骨架密實(shí)型水穩(wěn)碎石可在一定程度上減少基層裂縫，從而減少路面的裂縫類病害；采用改性乳化瀝青稀漿封層，可在一定程度上減小動(dòng)水壓力對(duì)半剛性基層的沖刷破壞，從而減少路面的早期水損壞。推薦方案總體具有較好的抗滑、抗車轍、抗裂縫和抗水損壞性能，能較好地滿足廣樂高速高溫多雨和重載交通對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能的需求，同時(shí)具有較好的長期耐久性，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比壽命周期內(nèi)的直接費(fèi)用減少 30%～38%，具有良好的長期經(jīng)濟(jì)效益。②造價(jià)偏高。⑥瀝青層與混凝土層之間采用溶劑型粘結(jié)劑作為防水粘結(jié)層，溶劑型粘結(jié)劑滲透性強(qiáng)，粘結(jié)力和抗斜剪力高，可提高路面瀝青層與混凝土層的粘結(jié)力。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。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。該結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)：①該結(jié)構(gòu)屬于長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，國外特別是西方發(fā)達(dá)國家用得較多，國內(nèi)剛處于起步階段，其使用效果如何，能否達(dá)到國外的使用效果，與國內(nèi)的機(jī)械設(shè)備、施工工藝和施工水平有較大的關(guān)系；②該結(jié)構(gòu)造價(jià)昂貴，初期投資費(fèi)用高，但后期養(yǎng)護(hù)費(fèi)用較低方案三（復(fù)合式路面）到排水和阻隔路基毛細(xì)水上升的作用。⑤表面層采用 SMA13 瀝青碼蹄脂碎石混合料，具有較好的表面抗滑性能、抗車轍性能和抗水損壞性能；中、下面層分別采用 AC20C 和 AC25C 瀝青混合料，具有較好的密水性；底面層則采用密級(jí)配瀝青碎石混合料 ATB25，具有較好的密水性和抗車轍性能，且瀝青用量較低，可降低路面造價(jià)。④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。②由于級(jí)配碎石基層施工后表面粗糙度通常會(huì)比半剛性基層大，采用 ，難以滿足基層密水的要求，因此本方案采用了 cm 的 ES3 改性乳化瀝青稀漿封層，以保護(hù)級(jí)配碎石基層，提高基層密水性。③由于路基段瀝青路面中上層瀝青混凝土厚度與橋面鋪裝層厚度存在 ，實(shí)施有一定的困難。同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)：① 由于瀝青層較薄，半剛性基層是主要的承重層，在重載交通作用下容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞，維修養(yǎng)護(hù)比較困難。下面層則采用普通瀝青，以降低路面造價(jià)。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。②底基層采用骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，采用振動(dòng)成型法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其良好的級(jí)配嵌擠效果可使水穩(wěn)碎石在使用較低水泥劑量條件下達(dá)到較高的強(qiáng)度，可在一定程度上減少半剛性基層的裂縫。該結(jié)構(gòu)具有以下缺點(diǎn)：1) 厚瀝青結(jié)構(gòu)層的使用，使路面工程費(fèi)用增加較多，價(jià)格較貴；2)該結(jié)構(gòu)在國內(nèi)尚屬于試驗(yàn)階段，無長期使用經(jīng)驗(yàn)。下面層和底面層則采用普通瀝青，以降低路面造價(jià)。④面層結(jié)構(gòu)瀝青混凝土層總厚度為 18cm，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比下面層改為了 8cmATB25 密級(jí)配瀝青碎石，一方面可提高路面結(jié)構(gòu)的密水性，延長動(dòng)水壓力到達(dá)基層的路徑長度，避免了動(dòng)水壓力對(duì)半剛性基層的沖刷破壞，從而減少路面的早期水損壞；另一方面，較厚的瀝青混凝土層可減小半剛性基層裂縫處的應(yīng)力集中，厚瀝青面層的使用可有效的避免反射裂縫，同時(shí)，較厚的瀝青層還可以減小瀝青層層底拉應(yīng)變，提高路面的抗疲勞性能，延長路面使用壽命。 ②下基層、底基層采用骨架密實(shí)型水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石，采用振動(dòng)成型法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，其良好的級(jí)配嵌擠效果可使水穩(wěn)碎石在使用較低水泥劑量條件下達(dá)到較高的強(qiáng)度，可在一定程度上減少半剛性基層的裂縫；上基層采用 24cm 的碾壓混凝土，有效減輕了重載對(duì)其的影響。 根據(jù)國內(nèi)外重載交通路面結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢，充分考慮路面結(jié)構(gòu)在壽命周期內(nèi)的長期經(jīng)濟(jì)性，結(jié)合國內(nèi)外高速公路路面的施工經(jīng)驗(yàn)及其使用效果，并結(jié)合沿線材料的調(diào)查結(jié)果，在參照新規(guī)范的基礎(chǔ)上提出了四種方案，并對(duì)幾種方案在路面性能和經(jīng)濟(jì)性上進(jìn)行了綜合比較。 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?；炷谅访嬖诮?jīng)受長期的交通荷載下，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。以面層底部某點(diǎn)為例，當(dāng)車輛荷載處于該點(diǎn)正上方位置時(shí)，該點(diǎn)收到拉應(yīng)力的作用；當(dāng)車輛行駛過后，應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)，而且其值變小，同時(shí)產(chǎn)生剪應(yīng)力；最后當(dāng)車輛行駛一定距離后，該點(diǎn)又主要呈現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)。瀝青混合料在低溫時(shí)，呈現(xiàn)出彈性性狀，材料容易發(fā)生剪切破壞或脆斷現(xiàn)象，然而在高溫條件下則呈現(xiàn)出粘性性狀，此時(shí)發(fā)生剪切破壞或脆斷的可能性就很小，此時(shí)，混合料表現(xiàn)出疲勞特性?；旌狭蠌?qiáng)度主要來自于集料本身的強(qiáng)度以及集料與瀝青之間粘結(jié)強(qiáng)度決定，它不同于金屬材料，金屬材料從理論上說是完全密實(shí)的，而瀝青混合料由于本身的特征不是絕對(duì)密實(shí)的材料，其存在大量的開口空隙和微觀閉口，所以其疲勞機(jī)理也和金屬不一樣，有自己的疲勞機(jī)理。 瀝青混合料是一種粘彈性材料，它是由瀝青、礦粉以及集料經(jīng)過高溫?cái)嚢鑹簩?shí)成型。也就是說即使材料所受得應(yīng)力小于材料的容許應(yīng)力，即屈服點(diǎn)，但是在長期的交通荷載反復(fù)作用下，同樣會(huì)發(fā)生破壞現(xiàn)象。因此，在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們應(yīng)該重點(diǎn)考慮上述作用位置。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。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。破壞原因是因?yàn)樵诤奢d作用下，結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力超出了結(jié)構(gòu)層材料本身能夠抵抗最大應(yīng)力值。 瀝青路面力學(xué)破壞分類通過上述的力學(xué)分析，同時(shí)查閱大量的文獻(xiàn)資料，結(jié)合重載下瀝青路面的典型破壞特征，可以把瀝青路面力學(xué)破壞模式主要分為兩種模式：強(qiáng)度破壞和疲勞破壞。說明重載對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響巨大，容易導(dǎo)致路面產(chǎn)生橫向剪切流動(dòng)及路面參數(shù)開裂等早期破壞。 分析結(jié)論通過以上的有限元計(jì)算分析，對(duì)重載下的瀝青路面力學(xué)響應(yīng)有如下結(jié)論：瀝青路面在不同荷載下，彎沉表現(xiàn)具有差異，隨著荷載的增加，路表彎沉明顯增大，說明重載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響顯著。圖為不同荷載下最大剪應(yīng)力的變化情況。2) 路表最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在輪跡邊緣附近，與最大拉應(yīng)力出現(xiàn)的位置很接近，因此在剪應(yīng)力和拉應(yīng)力的共同作用下，容易出現(xiàn)平行于行車帶的裂縫，及縱向裂縫。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，最大值出現(xiàn)在面層的中部 10cm 左右。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。下圖為不同荷載下的瀝青層層底、半剛性基層層底、底基層層底的彎拉應(yīng)力情況。下圖為不同荷載情況下路表最大拉應(yīng)力情況。2) 在不同荷載的作用下，隨著荷載的增加，彎沉明顯增加，在荷載為 250KN時(shí)，彎沉值達(dá)到了 148（），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了標(biāo)準(zhǔn)荷載下的彎沉值，使得路面更容易破壞。我國現(xiàn)行規(guī)范中，瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉采用的是輪跡中心處的彎沉值，其具有一定的局限性。它是由路面各結(jié)構(gòu)層各自變形的綜合結(jié)果，因此該變形在一定程度上反映了路面各結(jié)構(gòu)層及土基的力學(xué)性質(zhì)。模型如下圖 41： 計(jì)算結(jié)果及分析根據(jù) ANSYS 有限元計(jì)算結(jié)果以及瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)其主要指標(biāo)進(jìn)行考察分析，包括：路表彎沉、面層、基層和底基層的彎拉應(yīng)力、面層剪應(yīng)力。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。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。動(dòng)態(tài)模量能夠客觀地反應(yīng)路面結(jié)構(gòu)在不同條件下的對(duì)荷載的反應(yīng)。而路面設(shè)計(jì)的必然趨勢就是有靜態(tài)力學(xué)體系向動(dòng)態(tài)力學(xué)體系轉(zhuǎn)變。就路面材料本身而言，大多是粘彈塑性的組合體，對(duì)其影響十分敏感的因素就是時(shí)間，荷載在路面結(jié)構(gòu)上的作用時(shí)間不同，所表現(xiàn)出來的性質(zhì)是完全不一樣的。材料參數(shù)路面各結(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)通過泊松比和彈性模量來表征，計(jì)算中不同路面結(jié)構(gòu)組合相同材料的參數(shù)應(yīng)取一致，以便其結(jié)果具有代表性和可比性。有限元計(jì)算時(shí)，考慮 100、1160、190、2250kN 七個(gè)級(jí)別荷載。《重載條件下瀝青路面疲勞響應(yīng)及設(shè)計(jì)方法研究》一文中也對(duì)輪胎與路面的接觸形式進(jìn)行了研究，也認(rèn)為輪胎接地形式應(yīng)為矩形，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。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。國內(nèi)外對(duì)此研究廣泛，Ikeda[36]通過實(shí)測和數(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。首先，輪胎接觸地面時(shí)的形狀不完全是圓形，而更多表現(xiàn)為矩形，而且隨著荷載的不斷增加，越趨向于矩形；其次，荷載作用區(qū)域并不是均勻的，即不是均布荷載；最后，輪胎的花紋形式也對(duì)荷載分布有影響。 在此，本論文選擇廣東省內(nèi)具有代表性的半剛性基層瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，其結(jié)構(gòu)組合參數(shù)如下： 參數(shù)的選取荷載參數(shù)在我國瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，路面計(jì)算采用的仍然是單軸雙輪 100KN 為標(biāo)準(zhǔn)軸載，而且是圓形均布荷載。許多文獻(xiàn)對(duì)此也有研究，王旭東基于已有分級(jí)提出關(guān)于重軸載交通分級(jí)表如下： 典型瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析重載交通下的路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng)和受力特征和普通交通相比有明顯區(qū)別，有必要選取典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，為解釋瀝青路面受力破壞提供理論基礎(chǔ)。 我國瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于公路等級(jí)的選擇有如下規(guī)定： 同時(shí)，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于交通等級(jí)的劃分根據(jù)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次 Ne(萬次/車道) 或公路日平均汽車交通量(輛/日)劃分為五個(gè)等級(jí)。 交通量分級(jí)我國規(guī)范中對(duì)交通量也做出了分級(jí)，其可以指導(dǎo)路面類型的選擇。 我國交通部 2000 年 2 月頒布的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》（交通部2000 年 2 號(hào)令）中規(guī)定重載車輛指：單軸單輪軸重大于 6t、單軸雙輪軸重大于 10t、雙聯(lián)軸單輪大于10t、雙聯(lián)軸單雙輪混合軸軸重大于14t、雙聯(lián)軸雙輪軸重大于18t、三聯(lián)軸單輪軸重大于 12t、三聯(lián)軸雙輪軸重大于 22t 的車輛。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。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。在實(shí)際運(yùn)行過程中，為了避免大型車輛過多，車輛過重等對(duì)公路、橋梁的設(shè)施的破壞，世界各國都對(duì)重載交通有一定的規(guī)定。 重載交通的規(guī)定和限值按照各個(gè)國家實(shí)際情況的不同，都會(huì)采取不同標(biāo)準(zhǔn)。 重載交通對(duì)路面的破壞極大，是造成我國山區(qū)高速公路出現(xiàn)早期破壞的主要原因之一。而鑒于我國的現(xiàn)階段發(fā)展情況，我們處于發(fā)展階段，出現(xiàn)大量的超限超載的情況，即是道路上的車輛軸重超過了規(guī)范的規(guī)定。然而由于國內(nèi)外環(huán)境的不同，對(duì)重載的理解不同，卻各有側(cè)重。所謂的重載交通是指道路通車后累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次大大超過一般水平，路面性能衰減超常規(guī)發(fā)展的現(xiàn)象