基层模量和厚度对沥青路面使用性能的影响-精选文档

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1、基层的模量与厚度对路面使用性能的影响郭跃华 （赤峰市敖汉旗公路管理工区） 摘要 本文利用路面结构设计计算出了各层层底的应力。 通过图示系统分析了基层的模 量和厚度对各层层底应力、疲劳寿命、弯沉值的影响。得出：提高基层模量将有效的 减小面层底部的拉应力， 但模量过大时基层底部应力过大易产生裂缝， 因此在保证面 层受力有利的前提下模量不宜取的过大； 随模量增大疲劳寿命降低很快， 路面总弯沉 减小；适当提高基层厚度可以有效减轻路面破坏。综合各因素考虑基层模量取8001200MPa为宜，基层厚度取 2030cm为宜。关键词 ：基层模量 基层厚度 弯沉值 疲劳寿命1 引言目前我国高等级公路路面基层的结构

2、形式主要是半刚性基层， 在半刚性基层沥青 路面中， 由于半刚性基层是半刚性基层沥青路面的主要的受力结构层， 因此半刚性基 层的好坏对沥青路面的使用寿命有非常大的影响。 鉴于此研究半刚性基层的厚度和模 量的变化对沥青路面的影响、以及提出相应的改进措施有非常重大的意义。2 路面结构参数的确定沥青路面的结构参数包括各层厚度、模量、泊松比 3 方面。通过研究发现，其中 任何一个结构参数发生变化将会对路面的路用性能产生很大的影响， 在这里将围绕基 层的模量和厚度展开讨论。2.1 基层厚度范围的确定路面结构中采用了收缩性小， 表面不会软化和抗冲刷能力强的水泥稳定粒料为基 层。从消除半刚性基层软化来说， 稳

3、定粒料不需要有多大的厚度。 从尽可能消除冲刷 唧浆现象来说， 就稳定粒料基层而言， 主要是混合料本身的抗冲刷能力。 但稳定粒料 基层的厚度对其稳定细料土底基层的冲刷现象有影响。 稳定粒料基层愈薄， 稳定细料 土底基层愈接近表面， 表面水透入后行车荷载产生的动水压力就愈大， 底基层混合料 形成冲刷唧浆现象的可能性也就增加。从国内外半刚性路面上发现冲刷唧浆现象分 析，主要是半刚性基层受冲刷。建议路面结构中采用稳定粒料基层最小厚度18cm，加上沥青面层9cm或12cm，稳定细粒土底基层处在路表 27cm或30cm以下，已避 免冲刷现象。由于稳定细粒土的收缩性大， 还需要考虑底基层产生收缩裂缝的可能性

4、。 如果底基层碾压时的含水量是符合施工规范要求的，那么受到至少 27cm 或 30cm 沥 青面层和半刚性基层保护的底基层， 其混合料含水量的损失是相当缓慢的， 损失的量 也是不大的（在特别干旱地区例外） 。因此，在路面使用期间底基层一般不会再干缩 裂缝。如果铺筑基层时， 底基层已经开裂， 则铺筑基层和面层后底基层的含水量不会 再明显损失， 即不会由于干缩而使原裂缝明显扩展， 也就不会引起基层在相同位置产 生裂缝。 由于底基层所处位置低， 受温度变化的影响明显减小， 在温差作用下裂缝反 复张开的幅度很小， 也就不易引起基层开裂和进一步引起面层上的反射裂缝。 但在重 冰冻地区， 为了保护底基层不

5、因低温而开裂或原裂缝不因低温而明显增宽， 宜增加半 刚性基层的最小厚度。此外，稳定细粒土的冰冻稳定性明显不如稳定级配集料基层。 为使高等级公路半刚性基层沥青混凝土路面的承载能力的季节变化性小， 在非冰冻地 区半刚性基层的最小厚度应是 20cm- 25cm。在重车比例大和超载车辆多的特殊道路 上，半刚性基层的合适厚度可能需要 25cm- 30cm。2.2 基层模量范围的确定基层模量是沥青路面结构设计的重要参数之一。 在我国高等级公路的实践中 , 普 遍采用半刚性基层材料 , 半刚性基层具有良好的抗整体变形能力 , 但半刚性基层材 料种类繁多，模量变化范围非常大。研究表明，基层模量的增加对路面使用

6、寿命有 2 种不同的影响趋势，一方面可以减少沥青层层底弯拉应变 ，从而增加沥青路面的疲 劳寿命；另一方面，表面层最大剪应力呈明显的增大趋势，容易产生路表面局部早 期损坏。在此基础上,给出基层模量的合理范围建议值为 800Mpa到1200Mpa 3基层的模量对沥青路面性能的影响分析3.1路面结构和计算方法以东北地区（U 1）半刚性基层典型沥青路面结构为例路面结构模型如图1所示。在保持其他结构层参数不变的前提下， 设置水泥稳定砂砾基层。各结构层的设计参数 根据公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）推荐范围选取，应用沥青路面设计程序系 统（HPDS201）分析沥青混凝土面层、半刚性基层、底基层层

7、底最大应力等控制指标。 层间接触条件采用完全连续体。中粒式沥青混凝土上面层E1=1350MPah1=5cm粗粒式沥青混凝土下面层E2=1150MPah2=7cm水泥稳定砂砾基层E3= ?h3= ?二灰土底基层E4=550MPah4=35cm土基Eo=50Mpa图1东北地区典型半刚性基层路面结构3.2基层模量对各层层底应力的影响在分析水泥稳定砂砾基层模量对路面各结构层层底最大应力的影响时， 保持其他 各层的模量和厚度不变，只改变基层的模量和厚度。基层厚度分别取 10cm、15cm、 20cm、25cm、30cm,水泥稳定砂砾基层模量从 600MPa到1400MPa，各结构层层 底最大应力计算结构

8、见图2至图6 （拉应力为正，压应力为负） 。应用沥青路面设 计程序系统（HPDS2019）计算数据如表1:表1各层层底最大应力、模量 厚度60070080090010001100120013001400d (1 护-0.200-0.202-0.203-0.204-0.205-0.206-0.206-0.207-0.20710d (2护 0.1240.0860.0550.0290.007-0.012-0.028-0.039-0.047d (3= 0.0230.0390.0550.070.0840.0990.1130.1260.139d (4=0.1110.1090.1080.1080.1070.

9、1060.1060.1050.105-0.19-0.191-0.191-0.191-0.191-0.191-0.191-0.191-0.191150.1220.0810.0480.021-0.003-0.022-0.04-0.051-0.0590.0240.0380.0510.0640.0760.0890.1010.1120.1240.0960.0940.0930.0920.0910.090.090.0890.088-0.181-0.181-0.18-0.18-0.179-0.178-0.178-0.177-0.176200.1220.080.0460.018-0.005-0.025-0.04

10、2-0.054-0.0610.0240.0360.0480.0590.070.0810.0910.1010.1110.0840.0820.0810.080.0790.0780.0770.0760.076-0.174-0.173-0.171-0.17-0.168-0.167-0.166-0.164-0.163250.1230.080.0460.018-0.005-0.025-0.042-0.053-0.060.0230.0340.0440.0540.0630.0730.0820.090.0990.0740.0720.0710.070.0690.0680.0670.0660.065-0.168-0

11、.166-0.163-0.161-0.159-0.158-0.156-0.154-0.152300.1240.0810.0470.019-0.004-0.024-0.04-0.051-0.0580.0220.0310.040.0490.0570.0650.0730.0810.0880.0650.0640.0620.0610.060.0590.0580.0580.057基层模量（iooMPa力应大最底层图 2 h=10cm图 4 h=20cm力应大最底层图 5 h=25cm从图2至图6可以看出无论水泥稳定砂砾基层的模量和厚度取何值，路面结构上面层层底处于压应力状态；下面层层底(水泥稳定砂砾基层顶

12、面)随基层模量的增加， 下面层底的受力状态从受拉变成受压，在基层模量小于980Mpa时受拉，在大于980MPa时受压，改善了面层层底的受力，且应力值随基层模量变化较大。由此可见 过大的基层模量对改善面层低部的受力状态已不起作用；水泥稳定砂砾基层、二灰土底基层底始终处于受拉状态，对基层层底受力不利。水泥稳定砂砾基层其应力值随基 层模量增大而增大，土基顶的应力随基层模量变化略有起伏。当基层模量取得过大， 会导致基层底的拉应力超过容许拉应力而引起开裂，进而影响到路面结构。所以基层 模量在保证面层受力有利的前提下，不可太大。3.3基层模量对沥青路面疲劳寿命的影响面层沥青混合料的疲劳性能以及基层层底的受

13、力状态决定了路面的疲劳寿命。假定面层采用沥青混合料，其疲劳方程采用由同济大学在沥青混合料动态性能参数标准 总报告中提出的疲程：4 17N =402.5匚.(1)式中，N为荷载重复作用次数；c为重复加载应力。根据(1)式以及不同基层模量时层底拉应力的大小，可以得出不同基层模量时路 面的疲劳寿命，结果见表2,由表2可见，对于同一种路面基层材料，当其模量增大 时，其疲劳寿命降低很快，依据高速公路的交通量和设计年限，当基层模量在8001200MPa寸，可以满足要求。表2不同基层模量的路面疲劳寿命3.4基层模量对沥基层模量/Mpa疲劳寿命/万次青路面表面弯沉的影响400无限80014334改变基层模量1

14、2002127分别取500、1500、2500Mpa，其余各层16002000684298模量保持不变，得到了不同基层模量下的路表弯沉，计算结果见图7:图7路表弯沉随基层模量变化图由图7可见，基层模量的增加可以有效地减小路面弯沉， 从而降低路面的总厚度， 但随着模量的增加，弯沉减小的速度明显减小，此时再提高基层模量就不经济，有关 研究表明，对于柔性路面而言，50%80%以上的弯沉由路基提供。取基层模量为500、 1500、2500Mpa，土基模量分别取 30、50、80Mpa，得到的路表弯沉变化如图 8:图8路表弯沉随基层模量、土基模量变化图由图8可见，土基模量一定，路表弯沉随基层模量的变化曲线都比较平缓，进一步说明了基层模量增大对路表弯沉减小有一定的作用。反之土基模量增加，路表弯沉有很大程度的降低，如土基模量从 30MPa增大到50MPa，路表弯沉减小了约40%， 当土基模量由50MPa增加到80MPa时，效果相当于基层模量从 500MPa增加到1500Mpa。因此，减小路面总弯沉最有效的途径是适当提高路基的模量，高速公路应 该保证土基的强度。