沥青公路设计的看法与建议

我国《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)是在原《公路柔性路面设计规范》(JTJ014-86)的基础上结合近年来高等级公路的建设,由交通部公路规划设计院主持,有关交通部门的教学、科研、设计、管理等18个单位参加,开展了“沥青路面设计指标与参数的研究”,历时4年,并把研究成果纳入了现行《公路沥青路面设计规范》(JTJ014-97)。现行的《沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)是在97版的基础上做了部分改进,比较适合我国的公路沥青路面的建设实际,但与国外的一些先进设计方法相比还是存在一定的缺陷,本文结合自己的工作实践谈几点看法。

1我国现行沥青路面结构设计方法概况

根据我国《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)的内容要求,其结构设计方法主要按下述程序进行。

1.1设计理论路面模型借鉴英荷壳牌(SHELL)石油公司提出的理论设计法,把路面作为一种多层弹性体系,面层材料与土基以杨氏弹性模量E和泊松比μ表示,材料性质均质各向同性,各层水平方向无穷大,土基在向下的深度方向无限。荷载:荷载以双轮组单轴载100kN为标准轴载,以BZZ-100表示;单轮传压面当量圆直径d为21.3cm;两轮中心距1.5倍当量圆直径。层间接触:假定为多层弹性体系层间完全连续接触条件。

1.2设计指标设计指标基本上引进前苏联设计方法,以设计弯沉值为控制指标、弯拉应力来验算。设计弯沉以路表容许弯沉值作为整体强度的设计控制指标。层底拉应力,面层剪应力:对高速公路、一级、二级公路、沥青面层和半刚性基层、底基层采用层底抗拉应力验算,对城市道路还要进行沥青混合料面层剪应力验算。

1.3设计参数

1.3.1交通分析标准轴载统一采用BZZ-100标准,轴载换算公式根据林绣贤《轴载换算公式的研究》成果,推荐以轴载比表达的换算公式:仍采用原规范弯沉等效、层底拉应力等效原则,根据多层弹性理论分析弯沉、拉应力与轴载P或p、d因素的关系,结合公路上实测不同轴载汽车的弯沉对比、疲劳试验、容许弯沉公式以及直槽测试拉应变验证提出。路面刚度用弯沉值控制,Ld=L0=LR/AT,其中Ld为设计弯沉值;LR为容许弯沉;AT为相对弯沉变化系数。Ld=600Ne-0.2AcAsAb(1)Ne-设计年限内一个车道上的累计当量轴次;L0-竣工验收弯沉值;As-面层类型系数;Ac-公路等级系数;Ab-基层类型系数(半刚性基层取1,柔性基层取1.6)。强度验算以路面的疲劳弯拉应力σm≤σr来验算,其中σr为容许拉应力,它是通过和σsp和Ks来确定的;σsp是在规定条件下通过劈裂试验获得的材料的劈裂强度,也称为间接抗拉强度;Ks-抗拉强度修正系数,是根据沥青混合料或半刚性材料疲劳规律考虑间歇时间,裂缝传播速度,交通量折减和横向分布等室内外试验条件的差异等因素的修正而得出的。Ks=0.09Ag(Ne)0.22/Ac(2)其中,Ag-沥青混合料级配系数(细、中粒式取1,粗粒式取1.1)

1.3.2材料设计参数材料的模量是表征材料刚度特征的指标,抗拉应力是反映材料强度的指标,这两个重要指标均是以静态参数为前提.弯沉拉应力指标均用静态抗压回弹模量计算,抗拉强度用圆柱体劈裂试验测定抗拉强度σsp,而静态抗压回弹模量E静压又是通过σsp来确定.以路面设计弯沉值计算路面结构厚度时,采用试验温度20℃的抗压模量验算层底拉应力是以试验温度15℃为标准温度。路面厚度计算时,引用了综合弯沉修正系数:F=1.63(Ls/2000δ)0.38(E0/P)0.36(3)其中,E0-土基回弹模量值;P-标准车型的轮胎接地压强(MPa);δ-当量圆半径,其经验公式是通过试验路段的结果回归分析得出的。

2存在问题

根据上述我国沥青路面结构设计方法,笔者觉得虽在以前的基础上做了许多方面的改进,但一些明显问题还是存在:(1)对材料低温抗裂性,从设计角度看,没有完全体现;(2)沥青混合料的参数取值有一定的局限性,其回弹模量和抗拉强度应力,都是在静态作用的前提下得出的,而实际道路行车时所受荷载都是动态随机地进行,与实际有较大出入;(3)对路面在反复荷载作用下出现的车辙问题,不能从设计角度加以控制;(4)设计弯沉值计算中所用到的基层类型系数Ab考虑不全面,取值范围较单一;半刚性基层Ab取值为1、柔性基层取值为1.6,在1.0和1.6之间的区间较宽;由于对基层的半刚性与柔性并没有给出明确的界定,因此对实际基层应是属于柔性或半刚性有时难以判明;由半刚性过度到柔性是一个相对连续过程,固Ab取值也应与其相一致。(5)弯沉综合修正系数F存在一定的缺陷F经验公式中只考虑了土基模量和荷载,而对结构层的组合缺乏考虑。即当土基模量相同荷载相同时,只要理论弯沉相等,无论路面结构为何种组合,都应采用相同的F值。(6)对沥青路面的低温开裂和车辙问题,在设计阶段考虑不足。

3建议的解决措施

要解决上述存在的问题,必须从设计方法上找原因。下面拟从设计理论、设计标准、材料参数等方面提出一些改进建议。

3.1设计理论我国虽然推出了APDS97专用设计程序,通过电算计算双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状连续体系的精确解,取代了过去的有一定误差的查图法,但多层弹性层状体之间,并不一定是完全连续的,对于绝对光滑或部分连续部分光滑没有考虑,即使考虑也无法计算出精确解,故与实际结果有一定误差,所以不防引进SHELL设计法中的BISAR程序,可以计算N层体系作用垂直和水平荷载等状况。

3.2设计标准(1)以弯沉为设计标准,拉应力验算只是静态作用,没有考虑路基的垂直压应变εz与重复荷载作用次数N之间的关系,这正是控制车辙的一个主要因素,故应加以考虑把该推荐指标引入。(2)沥青面层只是以层底拉应力验算,而水平拉应变εθ没有体现出来,拉应变正是沥青面层疲劳开裂破坏的一个重要指标,而εθ又与N有关系,可以引入关系式εθ=CN,C为混合料的类型系数,它与模量有关。(3)对于其它整体性基层的设计,我国也只是用拉应力验算,故在此也应引入水平拉应变εθ及εθ与荷载次数N之间的联系。(4)路面表面的总变形是表面层在重复荷载N的作用下引起的,表面上看就是车辙.该指标我国设计方法中根本就没提到更不用说控制了,所以可以引入国外的设计法中的表面总变形指标Δh为沥青混合料层厚度。Δh=h(σ/Sm.n)Cm(4)σ-行驶的车轮下沥青层内的平均应力;σ=mp;p-接地压力;m-平均压力与轮载接地压力之比;Sm.n-沥青粘滞部分的劲度;Sm.n=3η/Wt0;η-粘度;W-车辙通过次数等效数;t0-通过一次的时间;W=C2A2N;C2-系数,每条车辙的总轮数与每个车道总轴数之比,一般等于1.4;A2-表示W依赖与轮载谱的比例系数。车辙深度RD:RD=CmΣΔh1-i+Δh2+Δδ0式中:Cm-动载修正系数;Δh-基层的永久变形;Δδ0-土基的永久变形。(5)沥青路面的弯沉综合修正系数F中,可以引入一个无量纲参数-相对厚度h/δ,其中h为土基以上路面结构的厚度,δ为荷载当量圆的半径。以此解决现行的修正系数F容易出现的“反常现象”,并使得F基本具备对实测弯沉修正的唯一性。(6)沥青面层的低温缩裂,在温度急剧变化地区,由于温度应力超过沥青层抗拉强度而引起低温缩裂,与荷载无关.我国以抗拉强度σ≤σr控制,但如果材料温度应变过大也会产生开裂,所以也应考虑用水平拉应变εθ来控制。

3.3材料参数材料的回弹模量,我国都是采用的静态下的抗压模量E静压.如在路基土回弹模量值测定中,用的是承载板法测定的结果,只能是静态值,而没有采用动态弯沉仪或测震仪测定其动态回弹模量,所以我们应考虑运用动态仪测定,以使设计参数更切合实际。沥青混合料参数取值也存在一定的局限性,其回弹模量也都利用静态回弹模量值,没有考虑动态荷载作用下的动态模量。此外,如路表抗滑性等方面,在设计中也没能有效地利用设计指标进行控制,也应作进一步的改进。

4结束语

我国现行沥青路面设计规范虽然较97版规范(JTJ014-97)有部分改进,但仍需要不断完善。通过上面的分析我们不难看出其仍然存在一定的不足,要弥补这些不足也不是一件容易的事,需要进行大量的试验、研究,笔者提出的一些改进建议仅作为修订规范时参考。