柔性基层与半刚性基层组合结构在高速公路中应用的探讨

第１期　辽宁交通科技　・Ｊ７・　桑性基层与半刚性基层　组合结构在高速公路中应用的探讨　高立波　（辽宁省交通科学研究院，沈阳１１００１５）　摘要结合辽宁省交通厅重点科研项目“沥青稳定碎石和级配碎石的研究”，采用我国　现行规范设计方法和美国现行规范ＡＡＳＨＴＯ设计方法，进行沥青路面结构设计，将沥青稳定　碎石基层、级配碎石基层与半刚性基层组合结构应用于沈阳绕城高速公路沥青路面中修工程，　取得了良好效果。　关键词　高速公路柔性基层半刚性基层ＡＡＳＨＴＯ设计方法　ｌ前言　大，宜造成路面反射裂缝。而沥青稳定碎石基层作　沈阳环城高速公路于１９９５年建成通车，使用８　为一类柔性结构层，比半刚性基层具有更好的水稳　年后，路面普遍出现车辙、网裂、龟裂、坑槽等路面病　定性（密实型沥青稳定碎石）或排水能力（排水型沥　害，已严重影响路面的使用性能，于２００３年经设计　青稳定碎石），而且沥青碎石基层与沥青混凝土层　部门设计对全线进行中修。其中西环内侧Ｋ７６＋　粘结牢固，并且模量接近，路面结构的受力、变形更　８００一Ｋ７８＋０００，长度１２００ｍ，路面出现严重网裂、纵　为协调，起到应力消散的作用，可以有效的减少路面　裂、车辙、坑槽等路面病害，中修方案是对该路段进　结构中的应力集中现象，大大延缓路面裂缝的产生。　行翻修。经现场挖验和检测，发现该路段半刚性基　因此沥青碎石基层在国内的路面结构中具有很大的　层强度已严重衰减，主要原因是该段为不填不挖路　潜力。级配碎石基层具有较强的排水能力、应力消　段，且自然水位较高，路基路面排水不畅，半刚性基　散、防止反射裂缝能力。随着厂拌机摊的实现、大吨　层材料水稳定性差、结构排水性差，遇水后易产生浮　位压实机具的使用等施工技术和水平的提高，级配　浆，导致承载力下降；同时半刚性基层温缩和干缩易　碎石基层已不同于传统的级配碎石层，在国内多条　产生反射裂缝及半刚性基层模量与沥青面层相差较　高速公路上已铺筑了试验路。　大，存在应力集中现象，更加速了路面病害的产生。　国际上许多国家普遍采用以沥青稳定碎石和级　通过以上分析并经专家论证，对该路段的翻修拟从　配碎石作为基层的柔性路面，并且有较为成型的路　沥青路面结构上进行改进，采用柔性基层与半刚性　面设计计算方法、设计指标。总结美国、英国、法国、　基层组合结构。　德国、澳大利亚和我国路面设计技术规范关于柔性　２柔性基层与半刚性基层结构组合设计　基层沥青路面的规定，柔性基层沥青路面典型结构　基层是路面结构中的重要承重层，主要承受由　形式主要有两种。（１）柔性基层沥青路面：面层和　面层传来的车辆荷载的垂向力，并扩散到下面的土　上基层采用沥青？昆合料，下基层采用级配碎石或砂　基中，主要起到扩散路面荷载、减小路面变形、防止　砾基层；（２）柔性组合式路面，即柔性基层与半刚性　和减缓路面病害的出现等作用，可以有效的延长路　基层组合结构：面层和上基层采用沥青混合料，下基　面的使用寿命。基层应具有足够的强度、刚度和水　层采用水硬性稳定处理基层（水泥或二灰）；或在半　稳定性，并具有良好的扩散应力的功能。目前我国　刚性基层与沥青面层之间设置级配碎石上基层。　高速公路普遍采用的是半刚性基层沥青路面的结构　该段高速公路，路面为不填不挖，路基路面排水　形式，半剐性基层具有较高的强度与承载力，但半刚　不畅，若采用半刚性基层沥青路面结构，在于缩裂缝　性材料水稳定性差，导致基层承载力下降；收缩量　和水的作用下基层强度将迅速衰减，造成路面横、纵　维普资讯 http://www.cqvip.com

・８・　辽宁交通科技　２００６　向裂缝。同时该段路基土含水量较大，路基强度较　验收弯沉值（０．２５１ｍｍ）估算设计年限内设计车道　低，而超载、重载车辆较多，若采用级配碎石＋沥青　上累计当量标准轴载（ＢＺＺ一１００）为９００万次。　稳定碎石基层＋沥青路面结构形式，很难保证强度。　③土基回弹模量３０ＭＰａ。　同时较厚的级配碎石基层无法排水。根据实际情况　３．１按我国沥青路面设计规范进行厚度设计　采用半刚性基层＋沥青稳定碎石或级配碎石上基层　我国现行《沥青路面设计规范》（ＴＪＴ０１４—９７）　＋沥青路面的结构形式是合理的，半刚性基层用来　沥青路面设计以多层弹性连续体系理论为基础，以　提供强度和隔水，沥青稳定基层提高了整个路面结　路面设计弯沉值为控制指标，通过大量的公路调查　构的水稳定性，级配碎石层可以排除渗入路面的水，　资料统计分析，提出了不同公路、不同面层、基层类　同时减少路面反射裂缝。当然，该段路应该提高路　型的路表容许弯沉值，通过引入路面整体刚度衰减　基填土高度、设置完善的排水系统以彻底解决路面　函数，提出了路面设计弯沉值为：ｌ　：６００Ｎ。　一Ａｃ・　病害，延长路面使用寿命。　Ａｓ・Ａｂ　根据以上分析，试验路铺筑方案为：（１）沥青混　式中：Ａｃ一公路等级系数，高速公路、一级公路　凝土面层（二层），沥青稳定碎石（ＡＴＢ一３０）基层，　为１．０；　水泥稳定砂砾底基层的组合结构；（２）沥青混凝土　Ａｓ一面层类型系数，沥青混凝土面层为１．０；　面层（三层），级配碎石上基层，水泥稳定砂砾底基　Ａｂ一基层类型系数，对半刚性基层、底基层总　层的组合结构。　厚度等于或大于２０ｃｍ时，Ａｂ＝１．０；若面层与半刚　３路面结构层厚度设计　性基层之间设置等于或小于１５ｃｍ级配碎石层、沥　路面结构设计方法参照我国现行规范的理论计　青碎石、沥青贯人碎石的半刚性基层结构时，Ａｂ可　算设计方法和美国现行规范ＡＡＳＨＴＯ经验方法进　取１．０；柔性基层、底基层Ａｂ＝１．６，当柔性基层厚　行设计。　度大于１５ｃｍ、底基层为刚性下卧层时，Ａｂ可取１．６。　设计参数　结构层厚度计算以弯拉应力作为设计控制指标　①设计年限：１５年；　（Ａｂ＝１．６），计算结果如表１，以路面弯沉指标作为　②交通量参数：因为该工程是路面中修工程，未　柔ｌ生基层设计控制指标（Ａｂ＝１．０），计算结果如表　作详细交通量调查，根据高速公路管理局提供交通　２。　量资料（该路段重载超载车辆较多）和原路面设计　表１路面结构厚度计算　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　高立波：柔性基层与半刚性基层组合结构在高速公路中应用的探讨　．９．　按我国现行路面设计程序计算，在厚度设计方　ａ）ＡＡＳＨＴＯ设计方法中密级配沥青混凝土的回　面虽然引进了基层类型系数，但基层类型的分类概　弹模量（２１￣Ｃ）按ＡＳＴＭ　Ｄ　４１２３方法测定（单位为　ｐｓｉ），其层位系数按下式求得：ａ，＝０．３９４１ｏｇ（Ｅ１）一　１．７８７７　念模糊，系数取值幅度过大。基层类型系数以１５ｅａｒ　厚度为突变点，从Ｉ．０突变到Ｉ．６，这对柔性基层的　设计影响较大，设计结果与工程实际相差较远。由　以上计算结果可知：基层类型系数取１．６偏大，设计　厚度偏小，结构设计不合理；如采用半刚性计算方　法，基层类型系数取Ｉ．０，设计厚度偏厚，不符合实　对ＳＭＡ１３、ＳＭＡ１６、ＡＣ一２０、ＡＣ２５，按照ＡＡＳＨ．　ＴＯ方法，ａ　取为０．４２，回弹模量为２７６０ＭＰａ；对沥青　稳定碎石基层ＡＴＢ３０，按照ＡＡＳＨＴＯ方法，ａ２取值为　０．３８，回弹模量为２１９０ＭＰａ。：　际。　３．２按（ＡＡＳＨＴＯ路面设计指南》（１９９３年版）设计　美国ＡＡＳＨＯ沥青路面设计方法是目前应用最　为广泛的沥青路面经验设计方法。该方法是以试验　路行车试验结果为依据的方法。试验路修筑于美国　伊利诺斯州，规模巨大。ＡＡＳＨＯ设计方法的特点　为：①路面服务水平提出了路面耐用性和工作状态　的概念，对路面使用状况提出了评价的标准（ＰＳＩ）；　②沥青路面设计基本方程式提出了现时服务指数　（路面的工作状态）一荷载一路面各因素之间的关　系；③路面结构数与荷载作用次数的关系；④基于　设计方程的车辆当量换算方法，其中包括单轴和双　轴的等效关系；⑤可靠度概念考虑了路面设计过程　的不确定性；⑥排水系数考虑了水对路面结构和材　料的影响。　ＡＡＳＨＴＯ柔性路面设计基本方程为：　ｌｏｇｗｔ１８＝ＺＲＳｏ＋９．３６１ｏｇ（ＳＮ＋Ｉ）一０．２０＋ｌｏｇ　［（４．２一Ｐ　）／（４．２一Ｉ．５）］／［０．４＋１０９４／（ＳＮ＋　Ｉ）　・　］＋２．３２１ｏｇＭｒ一８．０７　式中：ｗｍ为设计年限ｔ年８０ｋＮ单轴荷载的换　算当量轴次；Ｐｔ为在使用年限ｔ年末的服务水平；ｚ　是给定可靠性Ｒ的正态分布系数；Ｓｏ为标准差；Ｍｒ　为路基土有效回弹模量，单位ｐｓｉ；ＳＮ为考虑当地的　降水和排水条件的路面结构数。　按设计交通量查图得到的ＳＮ为７．０英寸（１７．　８ｃｍ）。　（Ｉ）设计基本参数的确定　①我国高速公路标准轴载１００ｋＮ，将轴次９×　１０　次换算成８０ｋＮ下的标准轴次ｗ岫为２２．０×１０。　次；　②高速公路的可靠度水平取９５％，ｚ　为一　Ｉ．６４５，Ｓ０取０．３５，Ｐｔ取３．０，ＡＰＳＩ：Ｉ．２；　③路基土设计模量取３０ＭＰａ。　④按国外通常做法，排水系数取１，即ｍ　：ｍ，　＝ｍ　＝１；级配碎石垫层通常取ｍ５＝１，２。　⑤各层材料层位系数　ｂ）ＡＡＳＨＴＯ设计方法中级配碎石的回弹模量Ｅ　（单位：ｐｓｉ）按ＡＡＳＨＴＯ　Ｔ　２２４方法测定，层位系数　根据回弹模量按下式求得：ａ，＝０．２４９１ｏｇ（Ｅ２）一０．　９７７　根据国内最新研究成果，当级配碎石层作为过　渡层设置在半刚性基层与沥青面层之间时，级配碎　石层弹性模量可达４００—５００ＭＰａ，故取ａ　＝０．２４。　Ｃ）水泥稳定砂砾，其抗压强度取４．ＯＭＰａ，按照　ＡＡＳＨＴＯ方法，其层位系数ａ　可以取０．２３。　ｄ）级配砂砾垫层取ａ　＝０．０８。　（２）计算所需要的面层厚度　按ＡＡＳＨＴＯ的方法，由ＳＮ及各层的厚度及层　位系数可以求得所需计算的层次厚度，其基本公式　为：ＳＮ＝Ｄ１×ａ１＋Ｄ２×ａ２×ｍ２＋Ｄ３×ａ３×ｍ３＋…Ｄｎ　×ａｎ×ｍ　式中：Ｄ。、Ｄ２、Ｄ　、…Ｄ　分别为各层的厚度（英　寸）；　ａ　ａ　、ａ３、…ａ　为各结构层的层位系数；　ｍ　、ｍ，、…ｍ　为基层、底基层的排水系数。　对结构一：设计层沥青面层厚度Ｄ　＝（ｓＮ—　Ｄ３×ａ３　一Ｄ４×ａ４一Ｄ５×ａ５×ｍ５）／ａ１　计算得出Ｄ　＝１５．５ｃｍ，因此，沥青面层厚度　可以取１５ｅｍ。　对结构二：设计层沥青稳定碎石基层厚度Ｄ　＝（ＳＮ—Ｄｌ×ａ１一Ｄ４×ａ４一Ｄ５×ａ５×ｍ５）／ａ【２　计算得出Ｄ　＝１３．５ｃｍ，考虑受层位系数ａ４取　值的影响和施工压实厚度，沥青碎石层厚度可以取　１６ｅｍ，分两层施工。　对结构三：设计层沥青稳定碎石基层厚度Ｄ　＝（ＳＮ—Ｄ１×ａ１一Ｄ４×ａ４一Ｄ５×ａ５×ｍ５）／ａ２　计算得出Ｄ　ｉ　＝９．４ｃｍ，因此，沥青碎石层厚度　可以取１０ｅｍ。　４路面结构设计结果　综上，将按ＡＡＳＨＴＯ经验法计算结果与按我国　《沥青路面设计规范》设计结果汇总如表３。对计算　结果进行对比分析，因ＡＡＳＨＴＯ经验法设计是基于　维普资讯 http://www.cqvip.com

・ｌＯ・　辽宁交通科技　对美国大量经验的总结，同时计算结果受交通量、结　构层系数等参数取值的影响，在此方面在国内尚无　经验数据可查，故计算结果只能作参考。而我国现　行规范采用以弯沉值作为设计控制指标的理论设计　方法，基层类型系数取值幅度过大，计算结果偏于保　守，基于以上考虑结合我省实际材料和施工条件，试　验路各结构层厚度确定如下：　规范设计方法，要求路面沥青层较厚（２１．３ｃｍ），若　采用ＡＡＳＨＴＯ经验法设计，结果为１５．５ｃｍ，考虑铺　筑结构一试验段的目的是考察级配碎石中间层在防　止半刚性基层反射裂缝方面的作用，故沥青面层结　构厚度采用与原路面设计一致，即１５ｃｍ。对于结构　二和结构三（沥青碎石上基层），试验路结构层厚度　基本采用两种设计方法的中间值。结果汇总于表　对于结构一（级配碎石做中间层），若采用我国　３。　表３路面结构厚度计算结果汇总　５结语　定了基础，但我国规范规定的路面设计方法在进行　通过对沈阳绕城高速公路路面病害及结构的分　柔性基层沥青路面设计上还很不完善，了柔性　析，说明在路面结构上进行改进的必要性，采用单一　基层沥青路面结构在我国的应用，本文对采用两种　的半刚性基层结构已不能适应高速公路的发展，采　设计方法进行柔性基层组合结构沥青路面设计进行　用柔性基层与半刚性基层组合结构是必要的。同　了探讨，铺筑了三种结构的试验路段，为柔性基层组　时，沥青稳定碎石和级配碎石等柔性基层在材料、配　合结构的应用推广积累了经验，试验路通车两年使　比和施工工艺上已克服了过去的不足，在国内已取　用效果良好，长期效果有待观测。　得了初步成果，这为柔性基层及组合结构的应用奠　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　Ｂａｓｅ　ｗｉｔｈ　Ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　Ｂａｓｅ，ｉｎ　Ｆｒｅｅｗａｙ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔｕｄｉｅｓ　ｏｆ‘Ａｓｐｈａｌｔ　Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　Ｍａｃａｄａｍ　ａｎｄ　Ｈｏｇｇｉｎ’一ｍａｊｏｒ　ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｃｏｒｎ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ一，ｂｙ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｏｕｒ　Ｃｏｕｎｔｒｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ　ｏｆ　ＡＡＳＨＴＯ　Ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　Ｕ．Ｓ．Ａ．，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｈａｓ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｎｌｃｔｕｒｅ　ｄｅ—　ｓｉｇｎ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ，ａｎｄ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ　ｍａｃａｄａｍ　ｂａｓｅ　ｗｉｔｈ　ｈｏｇｇｉｎ　ａｎｄ　ｓｅｍｉ—ｒｉｇｉｄ　ｍｉｘ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｏｆ　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｆｒｅｅｗａｙ　ａｒｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｃｉｔｙ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ａ　ｇｏｏｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　Ｆｒｅｅｗａｙ　Ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｂａｓｅ　Ｓｅｍｉ—・ｒｉｇｉｄ　ｂａｓｅ　ＡＡＳＨＴＯ　ｄｅｓｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ