濟南市城市道路瀝青路面典型結構的研究

王建光,任瑞波,陳 敏,朱建方

(濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南 250101；山東建筑大學,山東濟南250101)

濟南市城市道路瀝青路面典型結構的研究

王建光1,任瑞波2,陳 敏1,朱建方1

(濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南 250101；山東建筑大學,山東濟南250101)

我國城市道路瀝青路面結構設計普遍采用基于力學的設計方法,存在“設計指標與病害、設計參數(shù)與實際”對應度不高,對城市道路的使用特點考慮不足等缺陷。研究旨在引入基于路用性能設計的AASHTO2002力學-經驗法,并增加剪應力控制指標來完善設計方法；通過調查、試驗來劃分符合濟南城市道路實際的路基強度分級、交通等級；試驗確定瀝青路面常用材料靜態(tài)、動態(tài)設計參數(shù)；推薦濟南市城市道路瀝青路面典型結構。為城市道路瀝青路面設計提供參考和借鑒。

城市道路；瀝青路面；靜態(tài)、動態(tài)設計參數(shù)；試驗研究

0 引言

在全國城鎮(zhèn)化進程高速發(fā)展的大背景下,需要進一步完善城市基礎設施建設和提升城市交通的承載能力,城市道路建設量快速、穩(wěn)定增長,對道路結構設計的科學性、適用性和經濟性提出了更高的要求。

城市道路瀝青路面結構設計普遍采用基于力學的設計方法,雖然采用設計彎沉、瀝青面層底面和基層底面彎拉應力等多項指標控制設計,但對城市道路的使用特點考慮不足,存在“設計指標與病害、設計參數(shù)與實際”對應度不高等缺陷。

我國瀝青路面典型結構研究起步較晚,近十幾年來一些地方和高校進行了這方面的研究工作,但對城市道路瀝青路面缺乏系統(tǒng)和整體研究；另外,瀝青路面設計對于路基強度、交通荷載等級以及路面結構常用面層、基層材料參數(shù)確定,往往依據(jù)規(guī)范規(guī)定的范圍來選取,不能準確把握路面結構的可靠性和經濟性。

濟南市開展的該項研究基于城市道路路用性能要求,采用較為科學完善的設計方法,進行了大量實際資料調查；結合工程現(xiàn)場和室內試驗,確定了材料設計參數(shù)；依據(jù)力學響應分析,科學系統(tǒng)的推薦了典型結構,并對研究成果進行了廣泛的推廣應用。

1 研究內容和技術路線

該項目研究內容和技術路線如下：以AASHTO 2002力學-經驗法為基礎,開展交通量分級、路基強度等級、氣候分級方法、新材料研發(fā)及建立設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫專項研究,并在AASHTO 2002力學-經驗法中增加剪應力控制指標,推薦瀝青路面典型結構。

圖1 技術路線

2 基本設計方法

國內外瀝青路面設計方法主要有四類：基于經驗的設計方法,主要代表為CBR設計法；基于力學的設計方法,典型代表包括CBR設計法、AI設計法和我國現(xiàn)行瀝青路面設計方法；基于性能的設計方法主要代表是美國的SUPER-PAVETM (Superior Performing Asphalt Pavement)—高性能瀝青路面設計和分析系統(tǒng)；基于力學-經驗的設計方法,主要代表為AASHTO2002設計方法。

AASHTO2002設計方法建立的力學-經驗相結合的路面設計方法,是世界上最具影響力的設計方法之一。適用于以瀝青混凝土為面層的各類路面類型。AASHTO 2002中涉及了多個路面設計模型,包括路面反應模型,路面損傷和損壞預測模型,永久變形預估模型以及路面平整度模型等。

AASHTO 2002設計方法建立了一個完整的力學-經驗路面設計方法,而且考慮了SHRP中基于材料使用性能的思想,雖然該設計法還存在一些不足,但已經是目前為止最為完善的力學-經驗設計法。因此,濟南城市道路瀝青路面典型結構研究采用了該方法為基本設計方法。

表1 國內外典型分析設計方法比較

3 氣候水文條件調查

項目研究收集濟南市50年來平均氣溫、最高氣溫、最低低溫以及降水量等氣象數(shù)據(jù),詳細地了解瀝青路面的使用環(huán)境,為路面設計選擇合適的瀝青膠結料、合理的路面結構提供設計依據(jù)。

(1)氣候條件對瀝青路面的影響以熱量最為顯著。高溫條件下,瀝青混合料較多呈現(xiàn)為塑性狀態(tài),容易產生車轍、推移、擁包等病害,瀝青膠結料也會加速發(fā)生老化；低溫狀態(tài)下,瀝青材料變現(xiàn)出彈性或脆性成分,瀝青面層產生收縮,而下臥層對收縮變形的限制,導致面層產生開裂。

(2)水從各種途徑進入到路面結構內部,與車輛荷載共同作用產生動水壓力、真空泵吸的反復循環(huán),并與大氣環(huán)境的凍融共同作用使瀝青粘附性降低并逐漸喪失粘結力,發(fā)展為瀝青路面的水損壞。濟南市近30年年降水量的平均值Wcp=693. 4 mm,屬于濕潤區(qū)。

圖2 濟南市30年降雨量的統(tǒng)計分布圖

圖3 濟南市50年高低溫統(tǒng)計分布

(3)通過濟南市近30年來各項氣候指標日值變化的調查,統(tǒng)計高溫、低溫以及降水的關鍵數(shù)據(jù),得出濟南市在我國規(guī)范瀝青路面使用性能氣候標準中屬于1-3-2分區(qū)。

(4)按照SHRP中Superpave膠結料技術規(guī)范,統(tǒng)計濟南高低氣溫分布范圍,98%保證率下為-17.7℃～37.6℃；按照凈熱流和能量平衡理論,轉換為路表面下20 mm處的溫度為-14.4℃～58.6℃,適宜的膠結料性能等級為PG64-16。考慮常用道路瀝青的PG等級,調整濟南市城市道路瀝青膠結料的PG分級為PG64-22。

(5)鑒于城市道路交通車速低、停滯較多等特點,遵循Superpave瀝青膠結料選取的“跳級”原則,濟南市城市道路瀝青膠結料選擇時,應調整膠結料高溫等級至PG70-22或PG76-22。

4 土基強度及交通量調查

選擇全市代表性路段,進行交通量調查,包括混合交通量、車型和分類等詳細數(shù)據(jù),進行標準當量軸次換算和累計分析,并進行分級；通過對市區(qū)水文地質概況的了解,收集設計資料中關于工程地質條件的狀況,并結合野外承載板測試實測土基回彈模量,進行土基強度的評價和分級。

根據(jù)實際工程的現(xiàn)場承載板測試,掌握了土基回彈模量的強度水平,并結合路基處理的等效彎沉分析,確定濟南城市道路土基回彈模量下限值定為40 MPa。以不同等級土基強度對瀝青路面基層或底基層厚度產生相同效應為依據(jù),結合我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范計算原則,確定了濟南城市道路土基強度分級標準。

表2 土基強度分級

通過近年來濟南市汽車保有量和交通量的調查,結合當量軸次換算標準及交通量分析計算,確定了濟南城市道路單車道設計年限內累計標準軸次范圍并進行了交通量分級。

表3 交通量等級劃分

5 路面技術狀況調查

結合城市分區(qū)特點,選取幾十條主、次干道和常用結構組合調查了路面的技術狀況,路面破損檢測采用先進的智能檢測車和采集收集系統(tǒng),主要結論如下：結合濟南城市道路瀝青路面病害調查及早期損壞特征,將濟南市城市道路瀝青路面的破損分為裂縫、變形、表面損壞和其他損壞類四類；分析了濟南市城市道路瀝青路面各種類型損壞的產生原因及相應的改善措施；結合路面彎沉檢測分析了瀝青路面結構強度系數(shù)與道路通行年限、路面結構類型、瀝青面層厚度、行車荷載等因素的關系。

6 基層材料設計參數(shù)研究

對濟南市周邊礦質材料分析其各項技術指標,通過擊實試驗、抗壓回彈模量試驗確定級配碎石材料的設計參數(shù)范圍并施加圍壓的靜態(tài)三軸試驗確定了適用于濟南地區(qū)路面結構底基層級配碎石的回彈模量范圍為250～400 MPa。

分別以水泥、二灰作為無機結合料,設計了骨架密實型、懸浮密實型無機結合料穩(wěn)定碎石,通過無側限抗壓強度試驗、劈裂強度試驗、抗壓回彈模量試驗等研究了無機結合料穩(wěn)定碎石設計參數(shù)與齡期、水泥穩(wěn)定碎石設計參數(shù)與水泥劑量的關系,采用數(shù)理統(tǒng)計方法確定了無機結合料穩(wěn)定碎石的設計參數(shù)推薦范圍。

表4 基層與底基層材料設計參數(shù)推薦值

7 瀝青混合料設計參數(shù)研究

7.1 瀝青混合料抗壓模量和劈裂強度

對濟南市城市道路瀝青路面常用的齊魯70#瀝青以及目前技術比較成熟的SBS改性瀝青和穩(wěn)定型橡膠改性瀝青,分別進行針入度分級標準和Superpave瀝青膠結料性能分級標準下的路用性能試驗,評價上述瀝青材料在濟南市的適用性。結合濟南城市道路瀝青路面常用的混合料類型和設計級配,室內成型現(xiàn)場壓實標準下的試件,測定抗壓回彈模量、劈裂強度、抗剪強度等設計參數(shù),利用統(tǒng)計分析方法確定典型結構中各類材料的靜態(tài)設計參數(shù)推薦范圍。

7.2 瀝青混合料抗剪強度

綜合對比了目前常用的瀝青混合料抗剪強度的試驗方法,結合工程的實際情況,選擇單軸貫入法作為瀝青混合料抗剪強度的測試方法。

表5 瀝青混合料靜態(tài)設計參數(shù)推薦值

表6 瀝青混合料動態(tài)模量推薦值(20℃,10 Hz)

結合以往研究成果,以公稱最大粒徑16 mm為分界,細粒式瀝青混合料采用小型試件(Φ100 mm× h100 mm),中粒式(含16 mm)、粗粒式瀝青混合料采用大型試件(Φ150 mm×h100 mm)進行無側限抗壓強度和單軸貫入強度試驗,測定瀝青混合料的抗剪強度。

研究表明使用具有良好高溫性能的改性瀝青膠結料能明顯提高瀝青混合料的粘聚力,礦料嵌擠程度越大其摩擦角也越大。因此在路面材料設計中,使用高溫性能好的瀝青膠結料以及采用棱角性好、骨架嵌擠的結構狀態(tài)能顯著提高抗剪強度水平。

根據(jù)抗剪強度試驗結果,統(tǒng)計分析推薦了60℃條件下不同瀝青和級配類型的瀝青混合料抗剪強度的參考范圍。

8 路面結構力學響應分析

對濟南城市道路的實際應用情況,選擇半剛性基層、柔性基層和復合式基層瀝青路面三種代表性的結構類型,以我國道路設計的層狀彈性體系理論進行力學計算與分析。主要分析包括：路表彎沉、彎拉應力、彎拉應變、剪應力、豎向應變等力學響應分析；路面結構面層厚度和參數(shù)、基層厚度和參數(shù)、路基強度等敏感性分析；瀝青混合料抗剪強度分析。主要結論：

表7 不同瀝青混合料抗剪強度

(1)不同的瀝青路面結構形式下,結構內部的彎拉應力及彎拉應變的最不利位置出現(xiàn)在單圓荷載中心；剪應力最不利位置為單圓荷載邊緣,且內外邊緣方向相反,峰值大小相近。

(2)復合式基層瀝青路面受力狀態(tài)介于半剛性基層和柔性基層路面之間,在力學性質上兼顧以上兩類的優(yōu)點,在瀝青路面結構中應優(yōu)先采用。

(3)增加瀝青面層厚度能夠減小基層材料的層底拉應力,且對基層及以下結構層的拉應變控制有很好的作用。增大瀝青面層模量可減小瀝青層內部拉應變的幅度；面層模量的變化對基層和底基層彎拉應變無明顯影響。

(4)增加基層厚度未明顯改變剪應力的分布狀態(tài),但對減小瀝青層層底彎拉應變和基層層底拉應力均有改善作用；增加基層模量對減小瀝青層層底彎拉應變和彎拉應力均有較好作用,但當基層模量增大至一定界值后,繼續(xù)增大時改善作用有限。

(5)土基強度的增加能夠減小結構層層底彎拉應力和彎拉應變,加強土基強度可以增加結構的承載力或減小結構層厚度。

(6)考慮車輛荷載的水平力系數(shù)時,路面結構的剪應力分布與豎向均布荷載作用下有很大差異,表現(xiàn)為剪應力峰值向路表面移動；剪應力峰值隨著水平力系數(shù)的增大而增大。城市道路瀝青路面設計時有必要對瀝青混合料的抗剪強度指標加以考慮。

9 推薦典型結構

典型結構的推薦結合城市道路現(xiàn)有的結構組合方式,包括三種結構方式：半剛性基層瀝青路面、復合式基層瀝青路面和柔性基層瀝青路面

按照AASHTO 2002力學-經驗設計法的要求,提出了濟南城市道路瀝青路面的各種相關參數(shù),城市交通量將按照混合交通量中各種車型所占的比例對軸載譜的組成進行修正,使之符合濟南城市交通的實際情況。路面結構計算時土基強度取分級標準的下限值。

結合以往路面結構設計經驗,針對不同土基強度、不同交通量水平,擬定結構組合方案,應用AASHTO 2002力學-經驗法對路面各項使用技術指標進行計算和壽命預估。

路用性能預估主要包括以下幾個方面：路面使用末期的平整度水平；瀝青面層自上而下的縱向裂縫發(fā)展水平；瀝青面層自下而上開裂水平；瀝青路面溫度開裂發(fā)展水平；瀝青層永久變形；路面結構總體永久性變形。

初步擬定的結構方案,將根據(jù)各項技術指標計算結果進行調整,主要包括以下幾項措施：

改善土基強度水平；使用改性瀝青膠結料；調整面層或瀝青穩(wěn)定層材料和厚度；調整基層材料和厚度。成果示例：

10 結語

濟南市城市道路瀝青路面典型結構的研究,依據(jù)基于路用性能設計的AASHTO2002力學-經驗法,并增加剪應力控制指標來完善設計,針對當?shù)貧夂?、路基以及交通等調查,提供環(huán)境參數(shù),結合國內和濟南市常用路面材料類型,試驗測定并推薦合理設計參數(shù),優(yōu)化瀝青膠結料的選取,同時引入動態(tài)模量,經過大量的力學響應分析,推薦了典型結構,該研究成果在濟南市和山東省內推廣應用并持續(xù)跟蹤,取得了良好的社會和經濟效益。項目研究對城市瀝青路面系統(tǒng)設計提供了有益的借鑒。

U416.217

B

1009-7716(2015)09-0189-05

2015-04-09

王建光(1971-),男,山東青州人,工程技術應用研究員,從事道路橋梁設計管理工作。

表8 城市次干道-T2交通量半剛性基層瀝青路面典型結構