級配碎石基層對瀝青路面力學性能影響研究

收稿日期：2023-10-25

作者簡介：謝睿陽（1988—），女，碩士，工程師，從事道橋勘察設計工作。

摘要 級配良好的碎石基層瀝青路面具有使用壽命長、路面病害少，且節省路面維護費用等優點。文章分析了瀝青路面常見病害以及碎石級配對路面常見三種病害的影響，通過室內試驗和數值模擬，分析碎石級配對瀝青路面的力學性能影響，研究路面墊層級配碎石的厚度及模量對瀝青層面最大剪應力的影響因素分析。試驗結果表明，瀝青面層最大剪應力隨著面層厚度的增加呈現先增加后減小的規律，因此確定瀝青面層的最佳厚度。研究表明，級配良好的碎石材料可以提高面層的最大剪應力，增強路面的抗車轍能力與抗彎能力。

關鍵詞 級配碎石；瀝青路面；力學性能

中圖分類號 U416.217文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0128-03

0 引言

級配碎石通常被用在路基基層中，碎石堅固、強度高，可以分擔上部車輛荷載，因此被廣泛應用于路基路面材料[1-2]。目前，國內外大量的市政道路采用柔性基層的路面結構。從長期的觀測結果及效果來看，柔性基層路面結構使用壽命長，而且在運行過程中病害較少、抗車轍能力較強，部分道路采取維修措施后其使用壽命可以超過60年，極大地節約了時間及施工維修成本[3-5]。通常，柔性基層路面結構的災害往往發生在路面上層部分，利于后期的維護保養，特別是不會像半剛性基層路面一樣出現自下而上的結構性破壞。這種路面結構表面通常是受壓、部分區域受拉及基層材料處于拉壓應力循環施加的疲勞狀態[6-8]。所以，底基層碎石材料的級配、模量與受力狀態的合理性，是提高路基路面質量的關鍵。道路在運行過程中極易因附加應力過大而產生不均勻沉降，導致底基層與基層出現開裂現象[9]。因此，基層碎石的顆粒級配對路面的耐久性非常重要。然而，目前對于在級配碎石基層上鋪設瀝青路面結構的力學特性及級配大小的研究還不充分。因此，該文通過室內試驗對不同瀝青混合材料碎石級配的抗車轍性能進行研究，同時對高模量的抗疲勞瀝青穩定碎石層的顆粒級配進行研究。

1 基層路面病害分析

1.1 瀝青路面常見病害

瀝青路面常見病害為裂縫，分為三種形式，分別是橫向、縱向和網狀裂縫。瀝青路面裂縫垂直于道路行車方向的裂縫通常被稱為橫向裂縫，這種裂縫一種是因為路面交通荷載頻繁作用以及超載車輛施加在路面的荷載，使瀝青底部面層因疲勞而產生橫向斷裂，且裂縫自下而上發展至路面瀝青層；另一種是非荷載裂縫，通常是路面瀝青層收縮或者道路路基沉降引起的地面裂縫。第一種是北方冬季因路基層的水分遇冷結冰后體積膨脹，導致路基層部分區域出現應力集中現象[1]，當其因凍脹產生的剪應力超過瀝青材料的抗彎拉強度時，則會引起路面斷裂；第二種是路基部分在施工過程中水穩層因密實度不均勻問題，在公路運行一定時間后產生了累積的豎向沉降，從而導致路面開裂。路面縱向裂縫產生有以下兩種原因[2]：第一種是瀝青路面在修筑過程中，路面接縫處在外界環境及交通荷載共同影響下產生的開裂；第二種是瀝青路面在長期的循環荷載作用下，路面瀝青層因疲勞荷載而導致抗拉強度大幅衰減，瀝青路面層所受到的應力超過了容許拉應力，從而引起瀝青路面開裂[3]。網格狀裂縫通常是因為路基沉降導致的，在路基軟基處理過程中通常采用水泥土攪拌樁或者預制管樁進行軟土加固處理，但是路基處理過程中管樁或者水泥土攪拌樁間距過大，導致攪拌樁或管樁未加固區域的沉降大于加固區沉降，從而引起路面呈現局部沉降，尤其是在路面動荷載作用下因管樁與軟土路基變形不協調而產生網格裂縫[10]。

1.2 碎石的選擇與施工技術

道路瀝青路面在建設過程中級配碎石對于路面質量及使用耐久性影響極其重要。為了達到設計要求，合理的碎石級配可以使瀝青路面的抗車轍能力與使用壽命大幅提高。碎石的選擇有以下四點要求。①碎石的粒徑范圍。級配碎石應當按從小到大選取粒徑，一般應選取中間級配以達到碎石層均勻的目的，小顆粒可以填充在大顆粒之間，使得碎石層穩定且密實。②碎石種類。碎石的取材應當因地制宜就地取材，碎石石子應當選取硬度較高的玄武巖或者花崗巖，碎石表面干凈無污染，且碎石具有較好的穩定性、硬度及良好的韌性。③碎石含水率小，一般不超過1%。避免因碎石的含水率較大而導致路基產生不均勻的沉降，以及碎石層鋪設不密實。④合理的顆粒級配。碎石的選擇應當避免過多的粒徑過小或者過大問題，避免在鋪設過程中影響瀝青混合料的穩定性。實際施工可以采取室內試驗等手段確定碎石的級配[11]。

1.3 顆粒碎石級配選擇

級配碎石可以分為普通級配碎石與水泥穩定級配碎石。前者是由細粒徑、粗粒徑及中粗粒徑的碎石按照一定的比例配制而成；后者是采用普通級配碎石，并在其中加入膠乳凝固劑以及清水，使水泥漿可以充分地填充到級配碎石顆粒之間[12]。道路施工中如附近有大量碎石可以就地取材，碎石料中的多種粒徑碎石必須符合國家規定的密實級配要求。級配碎石中小粒徑和粗粒徑可以由多種粒徑的碎石充分混合攪拌而成。細粒徑和石屑存放于附近的路肩處。路面施工中，施工人員在大粒徑中依次加入小粒徑和石屑按照設計的比例進行攪拌。然后將拌和物均勻平整地鋪設到路面施工位置，選用壓路機進行多次壓實處理。級配隨材料經過多次壓實處理，材料內各個粒徑碎石在路面水平方向隨機排列[13]。

2 級配碎石對瀝青面層力學性能的影響

為研究基層瀝青以下路基層的碎石顆粒級配對路面結構的影響，采用室內試驗對碎石的厚度進行研究，如圖1所示。圖1（a）為試驗過程中所用的碎石圖片。實驗過程中保證碎石層鋪設均勻且相鄰兩層之間均緊密接觸，進行了級配碎石的動三軸試驗、CBR試驗，對碎石級配、碎石層厚度，以及密實度對級配碎石性能的影響進行了試驗研究。圖1（b）為瀝青材料樣品及抗彎試驗。

瀝青路面厚度、級配碎石基層厚度和瀝青層最大剪切模量的試驗結果，如圖2～4所示。從圖2中可以看到，瀝青面層的最大剪應力隨著瀝青層厚度的增加呈現先增加后減小的趨勢。軸線壓力為100 kN、150 kN和200 kN

下，最大剪應力規律隨著瀝青層厚度的變化規律是一致的，但是軸向荷載越大，層面的剪應力值也隨之增大。當瀝青面層的厚度達到9 cm時，三種軸線荷載下瀝青層面的剪應力均達到了最大值。其中，100 kN對應的最大剪應力為320 kPa，150 kN對應的最大剪應力為380 kPa，

200 kN對應的最大剪應力為410 kPa。

圖3為碎石級配層厚度對瀝青路面最大剪應力的影響曲線。從圖中可以清楚地看到，豎向荷載100 kN、150 kN和200 kN下最大剪應力規律隨著碎石級配層厚度的變化規律是一致的，軸向荷載越大，瀝青路面層的最大剪應力值也越大。瀝青面層最大剪應力值隨著基層厚度的增加均出現了先減小而后又持續增大的規律。其中30 cm基層對應100 kN的最小剪應力為310 kPa，150 kN對應的最大剪應力為370 kPa，200 kN對應的最大剪應力為380 kPa。這說明碎石顆粒級配存在最優值，最佳值為30 cm。當碎石基層的厚度為30 cm，不同豎向荷載下面層最大剪應力值均處于最小值。

圖4為碎石級配層模量對瀝青面層最大剪應力的影響曲線。從三條曲線的變化規律可以看出，瀝青面層最大剪應力值隨著碎石模量的增加而出現減小的趨勢。碎石模量為300 MPa、豎向荷載為100 kN時面層最大剪應力為430 kPa，豎向荷載為150 kN時面層最大剪應力為520 kPa，豎向荷載為200 kN時面層最大剪應力為560 kN。當碎石模量增加到600 MPa，即碎石模量提升1倍，瀝青面層的最大剪應力減小了170～200 kPa，降低了37%以上。結合上述實驗結果可知，面層厚度為9 cm時瀝青面層最大剪應力為最小值，處于最不利厚度。基層厚度為30 cm時瀝青面層的最大剪應力達到最大值，說明基層厚度最佳為30 cm。碎石模量增加可以降低瀝青面層的剪應力，從而提高面層的抗彎與抗車轍破壞能力。

3 級配碎石基層的瀝青路面結構力學分析

3.1 路面結構研究

路面結構設計可以對路面材料的取材、設計維護和施工管理進行深入研究，以期達到提高路面強度、減少路面的橫向和縱向裂縫等功能。路面結構設計主要包括以下四點：第一點，道路路面的材料分析。路面材料的質量決定了路面的強度及耐久性，結構參數對于路面結構內力分布及面層的抗剪強度起到至關重要的作用，因此碎石基層的模量、顆粒級配以及基層的厚度是控制路面結構的重要指標。碎石基層經過嚴格控制級配、碎石清洗、篩選和分級等工序，可以提高道路的強度和穩定性，減少后期的維護費用及時間。瀝青材料則是應當選取優質的混合料，而且可以對瀝青進行改性，提高瀝青路面的耐磨及耐久性?？梢允褂米罱鼞幂^多的自愈合瀝青，對于小裂縫可以通過增加溫度使得細小裂縫處自動愈合，從而降低了后期公路運行瀝青路面的養護成本。瀝青材料也是路面強度與耐久性的關鍵，尤其是道路在長期運行過程中車輛荷載導致路面出現明顯的車轍，從而對瀝青面層產生裂縫，這種結構性的裂縫往往會繼續發展，從而導致路面繼續開裂。為此，在路面瀝青的選擇中應當采取抗車轍措施，提高瀝青面層的抗彎拉強度。瀝青改性時通過向瀝青材料中加入添加劑，從而獲得結構性能更優的瀝青材料，通過在瀝青材料中增加抗彎橡膠，從而提高瀝青面層的強度和耐久性。瀝青混合料應當進行預熱處理，鋪設過程中使用機械及時壓平整。

3.2 瀝青面層層底應力分析

道路瀝青路面中上部面層直接受到車輛的動荷載作用，其底部的應力分布情況對于瀝青面層的材料、強度、厚度的設計起到關鍵作用。因此，對瀝青面層底部進行分析是路面結構研究的重點領域。瀝青路面使用過程中瀝青面層底部受到的荷載主要有車輛的靜荷載及交通動荷載。靜荷載是路面車輛靜止時施加在瀝青面層的荷載，交通動荷載是車輛在運行以及剎車過程中產生的動荷載。在進行瀝青路面底部應力分析時，還應當考慮瀝青面層的自重以及車輛的載荷因素。在分析瀝青面層底部應力時可以埋設土壓力盒對面層底部的荷載進行監測，同時也可以采用有限元軟件分析瀝青面層底部的受力云圖，從而得到整個結構的位移以及應力分布情況。

4 結語

瀝青路面結構包括瀝青面層、基層以及下層結構?；鶎蛹壟渌槭瘏祵τ跒r青面層的力學特性影響顯著。通過室內試驗可知瀝青面層的最小厚度為9 cm，基層碎石墊層的厚度為30 cm，且碎石的模量為600 MPa時可以有效提高瀝青路面的強度以及抗車轍能力。良好的基層級配碎石也是提高基層穩定的重要因素，現場施工過程中應當選取級配良好、強度及硬度較高且表面清理干凈的碎石材料。通過對瀝青路面進行力學分析，針對瀝青面層、基層和下層結構的受力特征及功能進行系統性分析，優化路面結構的設計結構，從而提高路面的強度，減少后期路面的維護費用。

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