半刚性基层沥青路面典型结构设计(精)

3计算结果分析
3.1路表弯沉分析
路表弯沉数据是影响路面总体刚度的一个非常重要的指标，直接影响了路面的质量和后期的可靠性。

一般而言，路表弯沉与
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小。

层层
果车
，说
感。

疲劳
[2]郑惠虹.路用水基聚合物SRX稳定道路基层应用优势与经济技术指标分析[J].科技展望.2014.21.
[3]陈静云,刘佳音,刘云全,周长红.加速加载条件下沥青路面结构动力响应[J].哈尔滨工程大学学报.2014.06.
[4]李安,郑南翔,甘新立.沥青路面结构转换基层合理模量范围研究[J].武汉理工大学学报.2014.01.
作者简介
赵瑾(1985.08.01-)，男，项目总工，公路工程。

112|CHINA HOUSING FACILITIES。

半刚性基层沥青路面结构力学分析王鑫【摘要】基于半刚性沥青路面经常出现的裂缝病害,研究不同结构组合下半刚性沥青路面的沥青层拉应变,对控制沥青路面常出现的裂缝病害提供一些理论建议.采用ANSYS有限元分析软件对双圆均布荷载荷载作用下的半刚性沥青路面结构进行三维仿真模拟,经过分析得到结论如下:基层厚度在20cm~30cm之间变化时,基层厚度每增加5cm,沥青层最大拉应变减小7.73%;基于经济型考虑,建议基层厚度取30cm.【期刊名称】《交通世界（建养机械）》【年(卷),期】2015(000)012【总页数】3页(P125-126,77)【关键词】道路工程;半刚性沥青路面;有限元分析;结构设计【作者】王鑫【作者单位】河北省公路工程质量安全监督站,河北石家庄050051【正文语种】中文【中图分类】U416.217自改革开放以来，我国高速公路建设成就有目共睹。

半刚性沥青路面结构是我国高速公路主要路面结构，占据高速公路沥青路面的90％以上。

半刚性沥青路面结构相对于其他沥青路面结构来说，路面结构强度高、刚度强且造价低。

然而，半刚性沥青路面在使用过程中，经常出现裂缝等病害，对我国高速公路建设非常不利。

因此，本文从半刚性沥青路面常出现的裂缝病害进行研究，分析研究不同结构组合下半刚性沥青路面结构的力学响应，为我国半刚性沥青路面结构设计提供一些建议。

为了减少造价，半刚性基层通常分为两层设计，基层采用水泥稳定碎石，底基层采用水泥稳定砂砾等。

我国高速公路常采用的沥青路面结构为：16～24cm沥青层+20～40cm半刚性基层+15～35cm半刚性底基层+ 15cm垫层。

综合目前情况，本文研究的半刚性沥青路面结构及其参数如表1所示。

本文根据上述建模参数，利用ANSYS有限元软件对半刚性沥青路面结构建立三维有限元模型。

其中，Z轴方向为路面深度方向，Y轴方向为行车方向，X轴方向为路面横向，并对路基底部使用全约束的边界条件，其他四个截面分别约束其法向位移；施加的荷载为双圆均布荷载，具体如图1所示。

我国沥青路面设计方法及典型实例1、设计理论-层状体系理论2、设计指标和要求; （1）轮隙中间路表面（A点）计算弯沉值小于或等于设计弯沉值（2）轮隙中心下（C点）或单圆荷载中心处（B点）的层底拉应力应小于或等于容许拉应力3、弯沉概念（1）回弹弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生垂直变形，卸载后能恢复的那一部分变形。

（2）残余弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的卸载后不能恢复的那一部分变形。

（3）总弯沉：路基或路面在规定荷载作用下产生的总垂直变形（回弹弯沉+残余弯沉）。

（4）容许弯沉：路面设计使用期末不利季节,标准轴载作用下双轮轮隙中间容许出现的最大回弹弯沉值。

（5）设计弯沉：是指路面交工验收时、不利季节、在标准轴载作用下,标准轴载双轮轮隙中间的最大弯沉值。

4、弯沉测定;（1）贝克曼法：传统检测方法，速度慢，静态测试，试验方法成熟，目前为规范规定的标准方法。

（2）自动弯沉仪法：利用贝克曼法原理快速连续测定，属于试验范畴，但测定的是总弯沉，因此使用时应用贝克曼进行标定换算。

（3）落锤弯沉仪法：利用重锤自由落下的瞬间产生的冲击载荷测定弯沉，属于动态弯沉，并能反算路面的回弹量，快速连续测定，使用时应用贝克曼进行标定换算。

5、设计弯沉的调查与分析（1）我国把第四外观等级作为路面临界破坏状态，以第四外观等级路面的弯沉值的低限作为临界状态的划界标准，从表中所列的外观特征可知，这样的临界状态相当于路面已疲劳开裂并伴有少量永久变形的情况。

（2）对相同路面结构不同外观特征的路段进行测定后发现，外观等级数愈高，弯沉值愈大，并且外观等级同弯沉值大小有着明显的联系。

因此可以在弯沉值与不同时期的累计交通量间建立关系。

6、设计弯沉值; 设计弯沉值是路面峻工验收时、最不利季节、路面在标准轴载作用下测得的最大(代表)回弹弯沉值。

可根椐设计年限内每个车道通过的累计当量轴次、公路等级、面层和基层类型确定的路面弯沉设计值。

7、容许弯拉应力对沥青混凝土的极限劈裂强度，系指15℃时的极限劈裂强度；对水泥稳定类材料龄期为90d 的极限劈裂强度(MPa)；对二灰稳定类、石灰稳定类材料系指龄期为180d的极限劈裂强度(MPa)，水泥粉煤灰稳定类120d的极限劈裂强度(MPa) 。

路基路面课程设计计算书（新建沥青路面）（1）基本要求东北某公路部分路段拟建一条4车道的一级公路，设计年限为15年，拟采用沥青路面结构进行路面结构厚度设计，其中需给出三种结构组合方案，并尝试经济技术比较给出最优方案。

（2）气象资料该公路所在地区为V 2区，最低气温为-15℃。

（3）地质资料与筑路材料沿线土质为紫色粉质粘性土，地下水位距地表为 1.2m ，路基填土高平均为0.7m 。

公路沿线有大量碎石集料，筑路材料丰富，有水泥、石灰和粉煤灰等供应。

（4）交通资料据预测该路竣工初年的交通组成如表1所示。

使用年限内交通量的年平均增长率为10%。

（6）新建路面厚度设计a 、根据设计任务书要求按设计回弹弯沉和容许弯拉应力两个设计指标，分别计算设计年限内的标准轴载累计当量轴次，确定交通量等级，面层类型，并计算设计弯沉值d l 和容许弯拉应力R σ。

当量标准轴载数N:以弯沉值和沥青层层底拉应力为设计指标时35.4211)(P Pn C C N i i Ki ∙∙=∑=日）（次/303.1335=i n ——各级轴载作用次数； p ——标准轴载；i p ——被换算车型的各级轴载；1c ——轴数系数，）（1m 2.111-+=c ，其中m 为轴数；2c ——轮组系数，双轮组取为1；设计年限累计当量标准轴载数e N ：η∙∙⨯-+=1365]1)1[(N rr N t e)(69745.0303.13351.0365]1)1.01[(15万次=⨯⨯⨯-+=e N路面设计弯沉值d l ：）（）（mm A A A N l B s c ed 01.067.250.10.10.1106976006002.042.0=⨯⨯⨯⨯⨯==-- 轴载换算结果表（弯沉）表1②当以半刚性材料层底拉应力为设计指标时∑=⎪⎭⎫⎝⎛=Ki i i P P n C C N 18'2'1 )1(21'1-+=m C 2.1834=（次/日） 设计年限累计当量标准轴载数e N ：()[]（万次）5.53945.0812.10331.0365]1)1.01[(36511151=⨯⨯⨯⨯-+=⋅⋅⨯-+=ηN rr N te）（）（mm A A A N l B s c e d 01.002.270.10.10.1105.5396006002.042.0=⨯⨯⨯⨯⨯==--轴载换算结果表（半刚性基层层底拉应力）轴载计算与累计轴载汽车车型前轴重(kN) 后轴重(kN) 后轴数 后轴轮组数 后轴距 交通量（次/日）东风KM340 24.6 67.8 1 2 0 460 江淮HF150 45.1 101.5 1 2 0 400 东风SP9135B 20.172.6 2 2 4 200五十铃EXR18L 60.0 100.0 3 24 400 江淮HF140A 18.9 41.8 1 2 0150五十铃NPR595G 23.5 44.0 1 20 100换算方法 弯沉及沥青层拉应力指标 半刚性层拉应力指标累计交通轴次 697万次 539.5万次表3 交通等级属于中交通 1、土基回弹模量的确定 路基填土高平均为0.7m 。

略析倒装式沥青路面结构设计半刚性基层沥青路面由于具有整体强度高、造价低、板体性好等优点，在我国得到了广泛应用。

但在湿度和温度变化时它易产生收缩开裂，导致沥青面层产生反射裂缝，继而降低沥青路面使用寿命。

为了克服这些缺陷，研究人员在沥青路面半刚性基层之上添加了一层过渡层（级配碎石层），形成倒装结构沥青路面。

为了从理论层面深入研究倒装沥青路面结构，笔者建立倒装沥青路面结构力学响应三维有限元模型，分析总结该沥青路面结构在轮载作用下力学响应分布特点，为倒装沥青路面的设计与实践提供理论参考。

1.力学指标的选取《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）采用沥青层底拉应力、路表弯沉、面层剪应力作为新建公路沥青路面设计指标来控制路面的疲劳破坏，保证路面的整体刚度，防止路面表面层出现局部剪切破坏[1]。

文献[2]研究表明，表面层最大剪应力对于沥青路面表面层的车辙和位于轮迹带上的早期纵向开裂等剪切损坏起关键作用。

基于此，笔者决定采用路表弯沉、沥青面层和半刚性基层底拉应力、沥青面层和级配碎石層最大剪应力作为结构分析的力学指标。

2.路面结构参数与三维有限元计算模型的建立2.1 路面结构的选取路面结构不同，其结构层内的力学响应也有所区别。

参考现行规范及大量试验路段工程实例，最终确定本文采用的基准倒装沥青路面结构的材料主要参数如表1所示：2.2 三维有限元计算模型的建立《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状连续体系进行路面结构设计，而文献[3]研究表明，轮胎作用于路面的形状更接近于矩形，因此笔者采用荷载接触面为矩形且为均布荷载的有限元计算模型。

荷载采用黄河JN-100标准车型，轴重100kN，轮压为0.7MPa。

模型采用单元类型为SOLID45单元，取路面平面方向的尺寸取为6×4m（长×宽），深度方向各层具体厚度见表1。

其中z轴为横向坐标（路面横向），y 轴为竖向坐标（深度方向），x轴为纵向（行车方向）。

基层的模量与厚度对路面使用性能的影响(1.赤峰市敖汉旗公路管理工区，内蒙古赤峰 024300；2.内蒙古工业大学；3.内蒙古高等级公路建设开发有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010051)摘要：利用路面结构设计计算出了各层层底的应力，并通过图示系统分析了基层的模量和厚度对各层层底应力、疲劳寿命、弯沉值的影响，得出了基层模量取800～1 200MPa为宜，基层厚度取20～30cm中图分类号：U416.23+1.01 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(XX)23—0081—06目前我国高等级公路路面基层的结构形式主要是半刚性基层，在半刚性基层沥青路面中，由于半刚性基层是半刚性基层沥青路面的主要的受力结构层，因此半刚性基层的好坏对沥青路面的使用寿命有非常大的影响。

鉴于此，研究半刚性基层的厚度和模量的变化对沥青路面的影响以及1沥青路面的结构参数包括各层厚度、模量、泊松比3个方面。

通过研究发现，其中任何一个结构参数发生变化将会对路面的路用性能产生很大的影响，在这里将围绕基层的模量和厚度1.1路面结构中采用了收缩性小，表面不会软化和抗冲刷能力强的水泥稳定粒料为基层。

从消除半刚性基层软化来说，稳定粒料不需要有多大的厚度。

从尽可能消除冲刷唧浆现象来说，就稳定粒料基层而言，主要是混合料本身的抗冲刷能力。

但稳定粒料基层的厚度对其稳定细料土底基层的冲刷现象有影响。

稳定粒料基层愈薄，稳定细料土底基层愈接近表面，表面水透入后行车荷载产生的动水压力就愈大，底基层混合料形成冲刷唧浆现象的可能性也就增加。

从国内外半刚性路面上发现冲刷唧浆现象分析，主要是半刚性基层受冲刷。

建议路面结构中采用稳定粒料基层最小厚度18cm，加上沥青面层9cm或12cm，稳定细粒土底基层处在路表27c m或30cm以下，已避免冲刷现象。

由于稳定细粒土的收缩性大，还需要考虑底基层产生收缩裂缝的可能性。

如果底基层碾压时的含水量是符合施工规范要求的，那么受到至少27cm或30 cm沥青面层和半刚性基层保护的底基层，其混合料含水量的损失是相当缓慢的，损失的量也是不大的。

基于半刚性基层适应性的沥青路面结构的研究摘要：目前在我国半刚性基层的适应性相对而言较弱，由于其结构路面早期破坏现象的频繁出现，受到了社会各界普遍关注。

为了缓解这一质疑，本文在综合考虑了荷载、车速、环境和路面结构等因素的前提下，深入分析在不同情况下半刚性基层的损坏机理，本着从结构方面增强半刚性基层的适用性为重心，进而使半刚性基层的结构疲劳寿命得到提高，并且以此为基础，使路面结构设计指标和参数得到优化。

这已成为现阶段针对半刚性基层的不适应性对路面结构的影响所急需解决的问题。

关键词：半刚性基层；适应性；沥青路面；结构中图分类号：u416.217文献标识码： a 文章编号：本文为了让半刚性基层的典型损坏模式和破坏过程得到很好的分析，并以此为基础对半刚性基层的适应性进行分析，来提出控制沥青路面半刚性基层的破坏模式。

对不同地区半刚性基层沥青路面损坏情况做了大量的现场调查，以及查阅综合了现有的文献。

并以对影响裂缝产生的因素进行分析作为基础，使路面结构能够在有限元软件上得到数值模拟，分别对层底应力在荷载等作用及在车速的作用之下对其分析，接下来对于路面结构在不同的接触状态之下和层底应力进行比对研究，还要根据不同结构类型的半刚性基层和施工工艺时所受的影响，最终结合减少路面裂缝角度的基础就能得到路面结构中半刚性材料最为合适的适用方式了。

基于半刚性基层适应性问题的提出随着我国在高等级公路对半刚性基层沥青路面的长期应用和相应研究，半刚性基层也逐步地暴露出一些缺陷和不足，主要有：(1)温度和水容易影响半刚性材料自身的特性，在基层出现温缩和干缩时，裂缝会缓慢向上下端扩展，导致沥青路面最后产生反射裂缝，路面结构的承载能力也因此降低，路面最后被破坏掉；（2）半刚性材料还有一个突出缺点，它的抗冲刷能力比较差，因为荷载的作用，半刚性材料在遇水后，水渍会残留在基层和面层的交界面，产生了动水压力，结果会导致路面出现积泥现象，并且会使结构层之间的粘连状态出现转变，而粘连状态一旦改变，在荷载、温度和车速等情况的作用下结构层的受力会受到极大的影响，路面终将开裂，车辙被破坏；（3）半刚性基层在产生了开裂现象时，将会影响路面结构的整体性，而路面承载能力也将下降，基层的结构疲劳寿命在外界因素综合作用下将出现明显缩短。