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瀝青路面結構層設計分析

本站     2021-8-18 14:33:26    

 由于瀝青砼路面較水泥砼路面具有平整、無接縫、行車舒適、耐磨、噪聲低、施工期短、養護維修簡便等眾多優點,因此在講究品質的現階段,瀝青砼路面日益成為城市市政道路路面結構的選擇,在進行路面結構設計時同時必須確定路面結構的材料參數,路面結構的材料參數主要包括路面結構層的幾何參數、力學參數,如泊松比、模量等,以確保路面結構設計合理。 
  一、交通荷載 
  1.輪壓和標準軸載 
  利用氣壓表對車輛現場測試,發現貨車壓力普遍超過0.7MPa,對于軸載超過10t 的輪胎,胎壓一般在0.8~1.1MPa 范圍內,而且隨著軸重增加,胎壓也增大。交通部公路科研所《重載交通瀝青路面軸載換算研究總報告》表明,根據實際接地面積計算出來的輪胎接地壓力與輪胎內壓并不相等。當輪胎內壓較低時,接地壓力比輪胎內壓高;當輪胎內壓較高時,接地壓力低于輪胎內壓。隨著輪胎荷載的提高,在輪胎內壓大于0.7MPa 時,試驗的各級荷載作用下的輪胎內壓均比接地壓力大。輪胎內壓與接地壓力的差值和輪胎的剛度有關,而輪胎剛度與輪胎的材料和其構造有關,在路面結構設計中,為安全起見,一般以輪胎內壓代替接地壓力。 
  由于作用在路面的設計荷載千變萬化,一般選用一種軸載作為路面結構設計的標準車載,其他各種車載按照一定的原則換算成標準軸載。而標準軸載一般要求對路面的響應較大、同時又能反映本國公路運輸運營車輛的總體軸載水平。為了統一設計標準和便于交通管理,各個國家對標準軸載均有明確的規定。我國根據公路運輸運營車輛的實際,公路與城市道路有關路面設計規范中均以100kN作為設計標準軸重。 
  接地壓力和設計標準軸重是荷載設計的兩個最基本的參數。當量圓形的半徑R 確定: 
  R=(P/(π×P)) 1/2=(100×103/(3.14×0.7×106)) 1/2=21.30cm 
  輪胎壓力大小對路面厚度的影響很大。計算表明,在結構相同的剛性路面中,輪胎壓力增大70kPa,需增加板厚約0.5cm。主輪軸型式對路面厚度影響較大。計算表明,若車輛總質量不變,主輪軸為單輪時的路面厚度為100%,則主輪軸為雙輪時路面厚度為80%,主輪軸為雙軸雙輪時路面厚度為60%。兩輪中心距為1.5d,是經統計分析得出的。 
  2. 車道系數 
   輪跡橫向分布系數應用到路面設計中以前,還應分析一下荷載作用下,輪跡以外一定范圍內的路面結構中所引起的不同程度的疲勞損壞。計算表明,對于國內典型瀝青路面結構,在輪跡外50cm 間隔內,該荷載產生的破壞作用,最大相當于增加10%作用次數的影響,更遠距離處則可以不計;對于剛性路面板,相鄰條帶上的荷載要為該條帶計算值最大增加6%的影響?梢娸嗃E范圍外雖有影響但并不大。 
  根據典型路段輪跡橫向分布的規律,可把輪跡橫向分布系數劃分為五個類別,可相應地列出各個類別的輪跡橫向分布系數值。雙向單車道1.0,雙向兩車道0.6~0.7,雙向四車道0.4~0.5,雙向六車道0.3~0.4,雙向八車道0.25~0.35。 
  二、土基回彈模量 
  回彈模量能較好地反映地基所具有的部分彈性性質,所以,在以彈性半空間體地基模型表征土基的受力特性時,可以用回彈模量表示土基在瞬時荷載作用下的可恢復變形性質。我國公路水泥混凝土路面、瀝青路面設計方法中,都以回彈模量E作為地基的剛度指標,為了模擬車輪印跡的作用,通常都以圓形承載板壓人土基的方法測定回彈模量。 
  路基回彈模量E0 的確定方法大致有以下幾種: 
  1. 應用直徑30.4cm 的剛性承載板在現有道路的土基頂面進行試驗經修正后確定; 
  2.應用落錘式彎沉儀(FwD)進行現場試驗,然后根據試驗確定的FWD 測定的回彈模量與承載板測定的回彈量回歸公式換算; 
  3.根據室內或現場CBR 試驗結果,利用CBR 與回彈模量的相關關系推算; 
  4.根據路基頂面的回彈彎沉推算; 
  5.根據路基土的稠度與壓實度,利用事先得到的回彈模量與稠度(或相對含水量)和壓實度的關系式確定。 
  由第1與第2 方法得到的土基回彈模量與實際比較吻合,但需要根據土基不利季節含水量進行修正;第3種方法是國外經常采用的方法之一;其他方法可以間接推算土基回彈模量,但事先應進行一系列試驗,得到所需的關系式,而且,推算的回彈模量的準確度和精度均較差。 
  三.路面結構層設計參數 
  路面結構由不同的材料逐層鋪筑而成,不同的材料有不同的力學強度特性和相應的結構設計參數,路面力學計算理論一般建立在彈性力學基礎上,除結構參數外,還有路面結構的材料類數、材料的計算參數包括模量和泊松比。泊松比一般比較穩定,在路面設計時一般對特定的材料選用一定的泊松比,如土基和無黏結材料的泊松比取0.35、無機結合料穩定材料的泊松比取0.25、瀝青混凝土材料的泊松比取0.25、水泥混凝土材料的泊松比取0.15 等。路面結構材料的模量值是表征材料剛度的指標,常用的測試方法有單軸壓縮試驗、直接劈裂試驗、彎拉試驗等。由于路面結構材料的非線性特性,路面結構模量根據計入變形的不同分為形變模量和回彈模量,形變模量中的變形包括回彈變形和塑性變形,回彈模量中的變形僅考慮材料的回彈變形。 
  由于不同的材料有不同的力學強度特性,相應的參數取值和試驗方法也不同。我國瀝青路面設計采用抗壓回彈模量和劈裂強度進行設計計算,規定瀝青混合料的彎沉計算時抗壓回彈模量的試驗溫度為20℃、彎拉應力驗算時抗壓回彈模量的試驗溫度為15℃、劈裂強度的試驗溫度也為15℃。國外的路面結構設計方法一般采用抗壓模量和彎拉應變作為設計參數。路面設計取用的無機結合料穩定材料抗壓模量值和劈裂強度值應該是設計齡期的抗壓模量值和劈裂強度值,水泥穩定類材料的設計齡期為60d,其他穩定類材料的設計齡期為90d,相應的養生溫度與混合料組成設計時的養生溫度相同。 
  1.無機結合料穩定材料無側限抗壓回彈模量 
  無機結合料穩定材料(包括穩定細粒土、中粒土和粗粒土) 的無側限抗壓強度是按照預定干密度和壓實度用靜力壓實法制備試件,試件高:直徑=1:1的圓柱體、養生時間為設計齡期、側向沒有圍壓時,通過逐級加載和卸載試驗計算得到抗壓回彈模量。 
   無機結合穩定材料室內制件與現場制件設計參數比值隨材料不同及施工條件而異。一般情況下,現場制件的模量與強度均比室內制件低,其降低的幅度不等,抗壓強度降低幅度較小為10%~20%,抗壓模量下降30%~40%,劈裂強度下降20%~60%,劈裂模量下降50%左右。無機結合料穩定材料的設計參數是根據大量試驗結果取95%的保證率后(均值-1.645×標準差)得到代表值。在進行拉應力驗算時,半剛性基層材料的疲勞方程由劈裂疲勞試驗得到,半剛性基層材料的容許拉應力按下式計算: 
  σA=σSP/KS 
  式中:KS 一結構系數,對無機結合料穩定粒料KS=0.35e0.11/Ac; 
  對無機結合料穩定細粒土KS=0.45e0.11/Ac。 
  2.瀝青材料的設計參數 
  瀝青混凝土的抗壓試驗采用圓柱體試件,試件成型采用靜壓法、輪碾法、搓揉法和旋轉壓實成型法,試件的密度應符合馬歇爾標準擊實密度100%,用于抗壓強度試驗的試件個數不少于3個,用于抗壓回彈試驗的試件個數不少于3~6個。 
  瀝青混凝土的劈裂試驗既可以為瀝青路面設計提供設計參數,也可以評價瀝青混凝土的低溫特性。我國瀝青混凝土路面的設計參數采用靜參數,采用的試驗溫度為15℃ ,試驗加載速率為50mm/min,計算時相應的泊松比采用0.30。試件采用馬歇爾擊實成型的方法、輪碾機成型的板體試件和道路現場鉆孔試件。采用馬歇爾擊實成型的試件尺寸要求直徑101.6mm,高為63.5mm;輪碾機成型的板體試件和道路現場鉆孔試件的尺寸要求直徑為100mm 或150mm,高為40mm。 
  瀝青混凝土材料的設計參數也是根據室內大量試驗結果取95%的保證率后(均值一1.645×標準差)得到其代表值。再考慮現場大規模施工、質量變化較大的情況,將代表值給予適當的折減得到推薦值。 




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