柔性与半刚性组合基层沥青路面应用分析

柔性与半刚性组合基层沥青路面应用分析

卢秀娟，石霖，朱燕华

北京冠亚伟业民用建筑设计有限公司市政工程设计分公司北京100034

【摘要】本文针对路面结构形式单一、半刚性基层沥青路面易开裂的问题，对沥青稳定碎石（或级配碎石）联结层+半刚性基层的组合基层路面结构形式的设计方法进行了分析研究，以期达到优化组合。

【关键词】沥青路面结构；半刚性基层；柔性基层；组合基层

Applicationanalysisofasphaltpavementwithflexibleandsemi-rigid

LuXiu-juan,ShiLin,ZhuYan-hua

(BeijingGuanyaWeiyecivilconstructiondesignCo.,Ltd.municipalengineeringbranchBeijing100034)

【Abstract】Thearticalwillbeaimedattheproblems:thesingleofpavementstructureform,andthehalfrigidbaseasphaltpavementwhichiseasytobecracking,studythedesignmethodsofbituminousstabilizedmacadam（orgradedaggregate)OptimumCombinationcombinedwithsemi-rigidbase,inordertoachievetheOptimumCombination.

【Keywords】Asphaltpavementstructure;Semi-rigid;Flexiblebase;Combinationofgrass-roots

我国的绝大部分高等级公路都采用半刚性基层沥青混凝土路面，基层刚度大，在车辆荷载作用下半刚性材料层是压缩性很小，基层有板体效应提高了路面结构的整体刚度。但多年来半刚性基层的开裂问题一直是道路建设主要病害之一，还易引发横向收缩裂缝、反射裂缝、路面内滞水与基层表面冲刷、唧泥等路面病害长期制约着半刚性基层的使用。近年来国内一些省在公路建设中开始使用柔性基层，但随着沥青层的加厚，加之近年来沥青价格的飞涨，路面建设费用大幅上涨，同时由于对柔性基层沥青路面车辙等问题的研究不足，使公路建设乃至相关规范面临困惑。因此，考虑采用柔性联结层和半刚性基层相结合的结构形式是非常重要和有必要的。

1.我国目前半刚性基层的应用分析

我国在半刚性基层沥青路面研究的应用方面取得了较大的成就，半刚性基层具有较高的强度、承载力和使用性能，为实现“强基薄面”结构提供了可靠保证。半刚性基层由稳定细粒土发展为稳定集料，无疑是筑路技术的一大进步，使得它在我国高等级公路路面中得以广泛应用。

目前在我国高等级公路建设中半刚性基层几乎成了主导的结构形式。但长期的应用与研究发现高强度的半刚性基层仍存在着一些不足。通过对国内已建高等级公路的调查发现，半刚性沥青路面的裂缝，无论是非冰冻地区的南方，还是季节性冰冻地区的北方，高等级公路在通车1～2年后均出现不同程度的裂缝，且随着时间的增长，裂缝还将增加和扩大。同时半刚性基层路面排水能力差，密实性结构的半刚性基层，容易使路面产生剥落、松散、坑槽、泛油、车辙等病害，影响路面的强度出现了上述问题，并不意味着应该由半刚性基层转向柔性基层，因为虽然以级配碎石、沥青碎石为主的柔性基层在抗低温收缩裂缝与结构层排水方面性能较好，但在路面结构强度方面半刚性基层仍有突出的优势。本文立足于分别改进级配碎石基层、沥青基层与半刚性基层(即自身优化)，进行基层结构的优化组合设计，发挥柔性与半刚性两类基层结构的优势。

2.沥青路面柔性基层(级配碎石)设计参数

我国规范规定的路面设计方法在进行柔性基层沥青路面设计上还很不完善，限制了柔性基层沥青路面结构在我国的应用和推广，还需要很长一段时间对它的深入研究。

(1)目前国内外路面设计参数概况粒状材料在交通荷载作用下表现出非线性和依赖于时间的弹塑性特性，为了表述这种非线性特征，通常用回弹模量表达。传统的柔性基层通常是设置于土基或其他柔性基层上，其弹性模量一般较低，美国沥青协会(AI)设计法中规定粒料基层模量一般采用100～350MPa，并控制基层模量与路基模量之比为2～4。前苏联《柔性路面设计须知》中推荐嵌挤型碎石弹性模量，1～3级级配碎石350～450MPa，1～4级普通碎石为200～250MPa，级配碎石为150～250MPa。

我国《公路沥青路面设计规范》中提出：级配碎石可作任何等级公路的基层，并给出抗压模量，抗压模量一般为200～350MPa，当交通量较大时，级配碎石不宜作基层，或不能作为承重层，否则需加大沥青层的厚度。

级配碎石弹性模量建议值：《公路沥青路面设计规范》中提出符合级配要求的级配碎石上基层，抗压模量取值300～350MPa。本文建议在保留这一取值的基础上增加一个档次400～500MPa，供设计选择。

3.沥青路面柔性与半刚性组合基层

由于柔性基层具有较大的变形，其自身的破坏主要在反复荷载作用下，当累计残余变形达到一定值，路面会产生沉陷或车辙，这种残余变形是路基和其结构层发生塑性变形的综合反映，它同荷载大小、作用次数、应力水平、应力历史、密实度、级配的性质等有关，故传统的级配碎石由于主要应用在底基层，而受各因素影响，其强度较低，路面破坏往往表现在变形量过大而影响整体强度。

如将柔性基层设置在刚度较大的半刚性基层之上，由于半刚性基层的变形较小，对柔性基层的变形起到了约束作用，同时通过级配的调整、施工工艺的提高等，使其强度参数得以较大的增加，则路面结构的应力分布、受力等与传统的柔性基层结构受力状态有所不同。故可通过柔性基层与半刚性基层的优化组合，提高路面的使用性能，减少路面的早期病害。

3.1沥青碎石上基层与稳定粒料半刚性下基层的优化组合，较为可行。对于沥青面层厚15～18cm的高等级路面，当沥青面层减薄为10～12cm，把原来属于5～8cm沥青面层的投资用于修建约一定厚度的沥青碎石基层，虽然增加了沥青层总厚度，但由于沥青碎石基层的沥青用量较低，增加沥青层总厚度所需的石料，可以通过减薄半刚性基层总厚度弥补，减薄沥青面层，增设沥青碎石基层的结果是沥青层总厚度的增大。沥青碎石基层除了有利于缓解半刚性基层反射裂缝外，还有利于减轻沥青层的低温收缩裂缝另外，骨架一空隙型沥青碎石混合料，其空隙率大于15，利用这种大粒径、大空隙的沥青碎石混合料，级配作路面内部排水系统。设置路面内部排水系统，将积滞在路面结构内的水分迅速排除到路面结构和路基外，对改善路面的使用性能，提高路面使用寿命等具有一定的经济效益。

3.2级配碎石与稳定粒料半刚性基层组合。采用非线性有限元的理论，对柔性基层与半刚性基层结构作用进行了试算。非线性计算结果表明，一定条件下(普通HMA的沥青层厚10cm，级配碎石基层厚1O～15cm，半刚性基层厚30cm)，提高级配碎石基层弹性模量、减薄级配碎石基层厚度、提高半刚性基层弹性模量都有助于降低沥青面层拉应力，从而保证不过厚的沥青面层仍具有较高的疲劳寿命。贡献率最大的是级配碎石基层的弹性模量，当模量由300MPa提高到500MPa时效果更为显著。由试验路承载板试验可知，级配碎石的回弹模量达到400～500MPa并不太难，通过“结构设计”分析，当回弹模量≥400～500MPa时，直接采用级配碎石为上基层，其力学强度是可行的，关键在于变异性的控制措施。故应强调工程质量过程控制的开发研究。当级配碎石厚度由10cm增加到15cm时，提高半刚性基层强度以降低沥青层拉应力的效果随之减缓。通过室内试验及试验路的观测分析，对级配碎石基层沥青路面组合提出以下初步建议：

(1)级配碎石用作上基层时对下基层的要求由室内试验及试验路的测定结果可知，可通过控制施工工艺调整级配碎石的级配以提高其强度，由于级配碎石结构为粒料材料，路面破坏主要为疲劳性破坏，级配碎石材料具有较显著的非线性，这种非线性如在刚性较大的下卧层上，可表现出较大的回弹模量，从而具有较好的抵抗应力及变形的能力和减缓半刚性沥青路面反射裂缝的作用，同时具有一定的抗疲劳能力，远大于其作为底基层时的弹性模量，故级配碎石基层下应设置一定厚度强度较高的半刚性基层。

(2)沥青面层的厚度。沥青面层在结构中的厚度，应以面层底面弯拉应力及应变作为沥青路面厚度的控制标准，由于级配碎石基层在荷载作用下，易产生较大的弹性变形和残余变形，在反复荷载作用下，沥青层将随之产生较大的弯拉应力和应变，同时沥青层又应满足沥青面层自身的抗温缩能力，故沥青层不宜过薄。

(3)沥青碎石、级配碎石与稳定粒料半刚性基层组合。为改善级配碎石的抗疲劳性能和受力或提高沥青面层抗疲劳性能及抗裂性，宜在级配碎石与沥青面层之间设置沥青碎石作为上基层，在通化、辽源一级公路及辽源绕城线等路段的试验路修筑和观测看，具有较好的效果。由于沥青碎石的加人，增加了沥青层的厚度，有效地提高了沥青面层的抗裂性，路面横向裂缝明显减少，为减少季节性冰冻地区的温缩裂在沥青混凝土面层与级配碎石基层之间设置沥青碎石，可使材料模量值较大的沥青混凝土与材料模量值略低的级配碎石之间有一层联结层，减少层间的模量比，以达到降低沥青混凝土面层层底拉应力，提高路面结构的整体使用功能，特别是在交通量较大的情况，宜采用沥青碎石作上基层，同时沥青碎石具有较好的排水性能，可减少沥青混凝土路面水损坏等病害。

沥青稳定碎石联结层+半刚性基层路面，其上层为柔性层、下层为半刚性基层。它既具有半刚性基层强度高、刚度大的优点；又可发挥柔性层很强的柔性和变形能力。柔性层一方面可作为应力消散层,有效地减少路面结构中的应力集中现象,大大延缓路面反射裂缝的发生；另一方面柔性层与沥青混凝土面层模量接近，易于粘结牢固,路面结构受力更均匀。

4.结语

在传统半刚性沥青路面的半刚性基层上加铺级配碎石结构层组．形成沥青混凝土面层+级配碎石基层+半刚性底基层的组合式结构，使半刚性基层下放，可以减小半刚性结构层的温度梯度，加强整个路面结构的排水性能，并且由于级配碎石相对较大的应变能，能够有效地消减沥青路面的反射裂缝，减少水损害的发生，改善路面的长期使用性能和适应环境的能力。试验证明，组合式沥青路面结构能够有效地发挥半刚性基层高强度的优点及级配碎石良好的性能，减少路面早期破坏，提高路面长期使用性能。

参考文献

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［文章编号］1006-7619（2009）04-16-256

［作者简介］卢秀娟(1980.11-)，女，职务：设计人员，职称：助理工程师，研究方向：公路及市政道路设计。