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季節(jié)變化下瀝青路面設(shè)計淺議

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季節(jié)變化下瀝青路面設(shè)計淺議

摘要:以某擬建瀝青路面工程為例,在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上分別進行了其路基強度設(shè)計、路面材料性能設(shè)計、軸載換算設(shè)計等的分析,并提出五種結(jié)構(gòu)形式,并對這五種結(jié)構(gòu)進行分析研究。研究結(jié)果表明,綜合考慮軸載季節(jié)修正系數(shù)、等效土基回彈模量、材料動態(tài)模量等因素的結(jié)構(gòu)五設(shè)計合理,能滿足新建瀝青路面結(jié)構(gòu)性能要求。

關(guān)鍵詞:季節(jié)變化;瀝青路面;路基強度

0引言

環(huán)境因素對路面瀝青結(jié)構(gòu)層性能影響較大,公路路基則受到濕度的較大影響,而溫濕度、降水等環(huán)境因素變化具有明顯的季節(jié)性特征,故瀝青路面材料和路基力學特性等也表現(xiàn)出季節(jié)性變化的趨勢特征,路基和瀝青路面材料強度隨季節(jié)氣候因素變化較大,軸載換算過程中也必須進行季節(jié)性修正。我國相關(guān)公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范對影響瀝青路面設(shè)計的季節(jié)性因素已經(jīng)有所規(guī)定,如路基回彈模量取值時必須考慮季節(jié)變化因素、瀝青材料回彈模量及劈裂強度取值必須考慮實際溫度等。本文借鑒美國AASHTO瀝青路面設(shè)計規(guī)范,從路基強度設(shè)計、路面材料性能、軸載換算等方面進行了修正和完善探討,以便指導(dǎo)具體工程設(shè)計實踐。

1工程概況

某擬建公路按照雙向四車道設(shè)計,并采用瀝青路面結(jié)構(gòu),公路所在地區(qū)溫度、濕度等氣候條件季節(jié)性變化大,一般將該地區(qū)全年劃分為3~5月春融期、6~9月雨季期、10月~次年2月其他期等三個季節(jié)段。根據(jù)調(diào)查結(jié)果,不同季節(jié)段土基回彈模量取值在40.1~125.4MPa范圍內(nèi)變動,季節(jié)變化對交通軸載換算及土基回彈模量影響較大。

2路基強度設(shè)計

在1986年出臺的公路自然區(qū)劃標準中就已經(jīng)按照干濕狀態(tài)將路基劃分為干燥、中濕、潮濕、過濕等類型,并依據(jù)公路自然區(qū)劃確定出不通過干濕程度路段土基回彈模量值;還提出應(yīng)增設(shè)墊層以降低冰凍凍害對路基地下水的影響,控制路基高度以確保路基結(jié)構(gòu)干濕度等。上述規(guī)定僅僅表明地下水對路基結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響得到足夠重視,但是所規(guī)定的路基回彈模量值對季節(jié)變化的考慮明顯不夠。在本工程路面設(shè)計時,應(yīng)采用最佳含水量下的路基模量,并在最佳含水量下進行壓實施工和驗收。而完成路面施工后,路基模量也不會一直保持在最佳含水量及最佳密實度狀態(tài),而表現(xiàn)出變化狀態(tài),為此,在路基設(shè)計過程中必須設(shè)置模量修正系數(shù)。美國AASHTO設(shè)計規(guī)范充分考慮了季節(jié)性溫度變化及降水的可能影響,并設(shè)置出冰凍、融化等季節(jié)性變動彈性模量調(diào)整系數(shù)。我國武和平教授也在研究路面設(shè)計土基回彈模量的基礎(chǔ)上提出土基設(shè)計參數(shù)取值修正系數(shù),經(jīng)修正后的土基回彈模量按式(1)確定[2]:式中:E0為修正后的土基回彈模量(MPa);A為考慮季節(jié)及濕度變化的土基設(shè)計參數(shù)取值修正系數(shù),黏性土、砂性土取1.2,粉質(zhì)土取1.5;Bm為路基土黏稠度。因土體變形模量取值不固定,主要隨季節(jié)及環(huán)境變化而改變,所以在進行路面設(shè)計時,必須根據(jù)季節(jié)變化進行變形模量的修正和調(diào)整,以保證設(shè)計精度。

3路面材料性能設(shè)計

公路路面材料在荷載等作用下會不斷老化,老化及性能衰減的程度和速度與季節(jié)變化也有直接關(guān)系。在當前已有的設(shè)計方法下,對材料性能的考慮都是基于材料的初始性能,但事實上,材料性能因時時刻刻受到環(huán)境因素的影響,所以始終處于變化過程中。美國AASHTO設(shè)計規(guī)范主要以現(xiàn)時服務(wù)能力指數(shù)(PSI)進行路面使用性能衡量,當PSI取值越接近0,表示道路路用性能越差,而當PSI取值越接近5,表明路用性能越優(yōu)越。反觀國內(nèi),主要采用路況指數(shù)PCI進行瀝青路面性能動態(tài)變化程度的反映,所構(gòu)建的通用路面性能方程式見式(2):式中:PCI為路面破壞指數(shù);PCI0為路面狀況指數(shù)初始值;y為使用年限數(shù);A、B為模型參數(shù)。在行車荷載及季節(jié)變化因素的綜合作用下,路面使用性能會逐漸降低。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計以PCI為主要指標,有助于在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計與道路服務(wù)過程之間建立起直接聯(lián)系,并更加突出路面結(jié)構(gòu)設(shè)計目標。路面結(jié)構(gòu)在車輛、環(huán)境等的綜合作用下,其力學模型、材料性質(zhì)及實際工作狀態(tài)均與靜態(tài)力學體系存在很大差距。結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范,瀝青混合料抗壓回彈模量主要在20℃的環(huán)境溫度下通過圓柱體試件在無側(cè)限逐級加載卸荷作用下測得,若考慮加載卸荷速度,通過以上過程所測得的其實是材料的靜態(tài)模量值[3]。美國AASHTO設(shè)計規(guī)范主要通過重復(fù)性荷載間接拉伸試驗進行混合料動態(tài)回彈模量檢測。根據(jù)試驗結(jié)果,動態(tài)模量主要受荷載頻率、荷載量及溫度等的影響,10Hz的荷載頻率相當于70m/h的行駛速度,且當荷載頻率超出10Hz時,動態(tài)模量增大趨勢減緩,且與靜態(tài)模量之比保持不變。所以,本公路主要選用荷載頻率10Hz、荷載量0.8MPa、環(huán)境溫度20℃的動態(tài)模量。包括本公路在內(nèi)的我國高等級公路廣泛應(yīng)用半剛性基層材料,國內(nèi)不少學者也依據(jù)美國AASHTO設(shè)計規(guī)范所給出的材料模量試驗方法對我國半剛性基層材料模量和美國AASHTO設(shè)計規(guī)范推薦模量進行比較。本公路瀝青混合料15℃時動態(tài)模量和靜態(tài)模量比取1.5,半剛性基層材料動態(tài)模量和靜態(tài)模量的取值詳見表1。

4軸載換算設(shè)計

當前國內(nèi)瀝青路面設(shè)計主要以彎沉、拉應(yīng)力等為指標,并根據(jù)彎沉等效及拉應(yīng)力原則進行軸載換算,以體現(xiàn)不同軸載對路面結(jié)構(gòu)疲勞影響的程度。然而,路面結(jié)構(gòu)疲勞影響除了受軸載影響外,還受到季節(jié)性因素的影響,根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果,季節(jié)變化所引起的路面結(jié)構(gòu)疲勞損壞量的偏差可達10%~15%,容易使路面結(jié)構(gòu)過早發(fā)生疲勞損壞,降低路面使用壽命??梢姡S載換算過程中必須充分考慮季節(jié)變化對路面疲勞破壞的影響。參照美國AASHTO設(shè)計規(guī)范并結(jié)合本工程實際,應(yīng)在軸載換算中引入季節(jié)修正系數(shù)[4],見式(3):fi=C1C2β(P)iPS4×35(3)式中:fi為標準軸載換算系數(shù);C1為軸載系數(shù);C2為輪組系數(shù);β為季節(jié)修正系數(shù);Pi為待換算軸載;PS為標準軸載,取100kN。季節(jié)修正系數(shù)β反映的是不同季節(jié)條件下車輛軸載對路面疲勞破壞的可能影響,這一概念的提出進一步完善了軸載換算理論,也使累計當量軸次的量化過程及結(jié)果更具合理性。參照美國AASHTO設(shè)計規(guī)范,彎沉等效原則下季節(jié)修正系數(shù)β主要根據(jù)季節(jié)和土質(zhì)類型進行取值:雨季粉質(zhì)土β取2.0~3.0,黏性土和砂性土取1.5~2.0;其余季節(jié)各種土質(zhì)類型均取1.0。

5設(shè)計結(jié)果

采用以上提到的設(shè)計原理,結(jié)合軸載換算季節(jié)修正系數(shù)、回彈模量及材料動態(tài)模量值,并使用HPDS瀝青路面設(shè)計軟件進行本瀝青路面設(shè)計,分別提出五種結(jié)構(gòu)形式,在這五種結(jié)構(gòu)形式下假設(shè)面層和基層厚度不變,而以底基層為設(shè)計層。結(jié)構(gòu)一:本瀝青路面原結(jié)構(gòu)設(shè)計;結(jié)構(gòu)二:對瀝青路面原始交通軸載進行季節(jié)修正,其余參數(shù)不變;結(jié)構(gòu)三:用有效土基回彈模量代替瀝青路面原始數(shù)據(jù)中最不利季節(jié)土基回彈模量,其余參數(shù)不變;結(jié)構(gòu)四:修正原始數(shù)據(jù)中材料靜態(tài)模量,采用動態(tài)模量設(shè)計;結(jié)構(gòu)五:將原始數(shù)據(jù)中軸載換算進行季節(jié)修正,并采用有效土基回彈模量和材料動態(tài)參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計。經(jīng)過軸載換算季節(jié)修正后,結(jié)構(gòu)二底基層設(shè)計厚度為18.0cm,結(jié)構(gòu)四底基層設(shè)計厚度19.0cm,比原結(jié)構(gòu)設(shè)計下底基層厚度分別大1.0cm和2.0cm;等效土基會談模量設(shè)計后,結(jié)構(gòu)三底基層厚度比原結(jié)構(gòu)底基層厚度小2.0cm。充分說明,上述因素均對瀝青路面底基層設(shè)計厚度存在一定程度的影響,如果在路面設(shè)計過程中只考慮一種因素,必然會影響路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性;結(jié)構(gòu)五綜合考慮到各種因素,既能保證設(shè)計方案的合理性,結(jié)構(gòu)設(shè)計又能滿足瀝青路面性能要求,故本工程采用結(jié)構(gòu)五的瀝青路面設(shè)計。

6結(jié)語

綜上所述,現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范并未充分考慮季節(jié)變化對路基路面力學性能的實際影響,導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果存在一定偏差。為反映瀝青路面在季節(jié)因素影響下實際的受力狀況,體現(xiàn)軸載換算的季節(jié)差異,必須分季節(jié)進行路面設(shè)計。本文所提出的設(shè)計思路僅對現(xiàn)行規(guī)范進行了局部性調(diào)整,所提出的瀝青路面軸載換算、季節(jié)修正、材料力學性能強度指標等仍有待進一步實踐檢驗和完善。

參考文獻:

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[4]路鑫,梁武星.分區(qū)域瀝青路面軸載換算季節(jié)修正系數(shù)研究[J].公路與汽運,2017(6):77-80.

作者:曾濤 張守林 單位:江西省公路科研設(shè)計院有限公司