公路沥青路面设计要素分析

时间:2022-09-17 08:38:49

公路沥青路面设计要素分析

沥青材料具有良好的施工性和路用性,对车辙、开裂、温缩等都具有较好的抵抗能力。同时,沥青路面的行车噪声小、耐老化、长期性能好等特点,使得其广泛应用于我国公路的路面工程建设中。尽管沥青路面具有较多优点,但是在我国长期实践应用中仍然发现其诸多的病害问题,例如水损害、路面开裂、局部沉陷、车辙等,这些病害的存在不仅仅有施工质量和管理养护方面的问题,设计的方法和质量也是关键影响因素[1-2]。本文探讨目前我国公路沥青路面设计的相关问题,针对设计理念、设计方法、设计指标等阐述目前存在的问题及改善措施,以提高设计人员对沥青路面路用性能和力学性能的把握,通过改善路面设计质量以减少运营中的病害问题和大量不必要的管养成本。

1沥青路面设计理念

1.1存在的问题。沥青路面根据其结构受力特性可以分为刚性、柔性和半刚性路面,其中半刚性沥青路面具有良好的强度、刚度和稳定性,同时具有很好的抗压和抗剪性能,通过在下层设置刚性的混凝土基层并在上层设置沥青消耗层,因此具有很好的路用特性,在国内外的设计实践中应用最多。然而,我国近几年货物运输荷载等级和运输量都在不断增加,道路处于车辆荷载反复作用的情形下,加上环境温度等作用,半刚性沥青路面也出现了诸多病害,如开裂、唧浆、破损、沉陷等。传统的设计理念主要考虑路面结构安全性,将弯沉等设计指标控制在安全范围内,使得基层拉应力低于路面开裂强度,设计使用年限往往是10~15年。但是因为实际运输荷载的不确定性,如果出现微小的裂缝问题就很容易导致路面性能快速衰减,致使实际的路面使用寿命往往只有5~8年。在这方面,国外开始提高路面设计厚度,并采用长寿命路面设计理念。1.2解决对策。从国外实践来看,1980年沥青路面设计厚度往往只有12cm,20世纪初期路面厚度发展到18cm左右,到目前路面厚度已经设计到18~30cm,长寿命沥青路面设计理念就是提高路面设计厚度。大量研究证实[3]:沥青路面存在极限拉弯应变值,在外界车轮荷载和温度荷载作用下,拉弯应变值在该范围之内时,就不会产生疲劳开裂和破坏,而只要路面厚度超过一定设计值,路面底部基层的拉弯应变就会低于上述疲劳极限而不会产生开裂。首先,直接接触车轮压力的是面层结构,往往需要采用高质量的沥青混凝土,不仅要求具有良好的抗车辙、抗剥蚀和抗渗性能,还需要具有良好的材料品质,使得不能出现初始缺陷和裂缝,因为车轮作用下该区域是高应力区,很容易发生各类病害。其次,中间层是保证路面刚度的,应该具有较高的弹性模量,同时车轮作用的剪切力主要作用在该面层上,需要具有良好的抗车辙性能。底部基层是荷载作用下整个路面层产生弯沉效应最大的区域,该区域需要具有良好的抗裂性和抗疲劳性能,因此可以设计采用高柔性抗疲劳沥青混凝土,使得路面层不出现开裂,保障路面层的使用寿命。长寿命沥青路面的设计理念明确,通过增加路面层厚度并在不同区域设置对应性能的沥青混凝土,从而使得整个路面层的使用寿命得到延长。在当前我国沥青路面病害问题严重、车辆超载重载问题突出的情况下,大量的沥青路面维修和更换会产生高昂的管理和养护成本,而引入长寿命沥青路面的设计理念,可以改善这一现状。

2沥青路面设计方法

目前,国内外沥青路面设计的方法主要有经验法和力学-经验法。经验法就是基于试验段的沥青路面进行测试分析,从而建立路面、荷载、力学性能之间的经验关系,比较成熟的经验设计方法有CBR法和AASHTO法[4],以AASHTO方法为例,其设计基础就是通过试验路段数据观测和分析建立了路面性能-荷载-路面结构的关系,通过PSI(服务能力指数)确定路面的状况,为设计提供标准。我国沥青路面设计则是在借鉴国外经验方法基础上结合我国沥青路面试验数据修正模型,总体上也是经验法。经验法的缺陷就是随着环境的变化而不能适用,而实际上环境对于路面的长期使用性能影响非常显著。力学-经验法则是根据荷载和环境参量确定路面结构性能的反应量,建立力学反应量与结构破损模式之间的关系,从而形成路面性能模型进行沥青路面设计。力学-经验法将路面结构视为多层线性弹性体系,各层材料用弹性模量和泊松比表征,设计的主要目的是通过力学分析确定沥青底面层水平拉应变和道路表面的压应变,具有两个设计表征指标:底面层拉应力和道路表面永久变形(车辙深度)。力学-经验法目前越来越多被推广使用,但是由于路面的力学特性和实际使用性能之间缺乏明确的定量关系,根据力学分析结果直接推算路面层的受力性能缺乏合理性,这使得很多力学参数的设计控制指标不尽合理。总结而言,经验法缺乏理论基础也不具有广泛适用性,对于特殊环境和变化的沥青路面层构造,需要大量的试验进行修正才能获得较为准确的设计控制指标;力学-经验法具有理论基础,但是目前的体系没有建立全面的力学关系,且沥青路面使用性能是复杂的,通过若干个力学指标难以准确反应。改进的方法是将经验法的相关参数融入力学-经验法中,采用更加全面的指标体系来衡量沥青路面的使用性能,并改进目前的力学理论和方法。

3沥青路面设计指标

沥青路面的设计指标需要根据其破坏损伤模式进行判别。目前沥青路面的主要破坏损伤模式有结构性损伤和局部损伤两种。结构性损伤就是在车轮荷载及环境作用下的疲劳开裂和永久性变形等,疲劳开裂主要是车轮作用下基层弯沉应变超过疲劳极限产生的开裂,永久变形则是长期车轮作用下路基顶面产生的不可恢复变形,针对这些破坏模式的主要设计指标是弯拉应力值。局部损伤是载重量大的车轮荷载对路面产生的剪切应力作用,伴随着环境作用下的路面层退化,局部损伤主要表现为车辙病害,针对局部损伤的设计指标是面层剪切应力。这些设计指标相对比较单一。以弯沉指标为例,仅仅通过弯沉拉应力判断路面是否会发生疲劳开裂是不尽合理的,实际的沥青路面是显著的弹塑性材料,在较大的车轮荷载作用下路面底部可能会发生弹塑性变形,而判断是否开裂是拉应变超过材料的极限拉应变,而非拉应力。因此,采用拉应变作为控制是否开裂的标准更加合理。又如,路面剪应力是判断车辙病害的指标,但是车辙问题往往受到水损害及环境温度等影响显著,例如高温环境下沥青路面的颗粒之间黏结性较低,此时重载货车的车轮荷载作用很容易使得局部出现破坏,导致车辙病害,因此需要加入温度等环境指标更加合理地判断。鉴于沥青路面使用性能的复杂性,目前这些简化的沥青路面设计指标具有一定的适用性,但是仍然不能全面地反应沥青路面的使用状况,需要建立更加全面而系统的指标体系判断。

4结论

本文详细讨论了我国公路沥青路面设计的若干问题,对设计理论、设计方法和设计指标等存在的不足进行了深入分析,并提出了解决措施和方向,力图提高我国沥青路面的设计质量。

参考文献:

[1]王鑫.沥青混凝土路面病害分析及防治[J].公路交通科技(应用技术版),2016(1):132-135.

[2]钟梦武,吴善周,谢立新,等.我国现行沥青路面设计方法存在问题分析[J].湖南交通科技,2007,33(1):7-9.

[3]张耀将.长寿命沥青混凝土路面结构特点与设计分析[J].黑龙江交通科技,2016,39(1):57-58.

[4]代景东.沥青路面结构设计中存在问题的探讨[J].工程与建设,2011,25(2):210-211.

作者:周俊 单位:新疆兵团勘测设计院(集团)有限责任公司