CN103046447B

CN103046447B - 半刚性基层沥青路面结构及其设计方法

Info

Publication number: CN103046447B
Application number: CN201310024944.8A
Authority: CN
Inventors: 李凤云
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-01-23
Filing date: 2013-01-23
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2033-01-23
Also published as: CN103046447A

Abstract

本发明涉及一种半刚性基层沥青路面结构及其设计方法，路面结构包括沥青面层和半刚性材料基层，根据公路设计寿命、累积标准当量轴次和公路等级确定沥青面层材料和厚度：对于基层采用塑指5～14土的石灰土的根据公路等级选择基层厚度；对于其它半刚性材料基层，测定同厚度下塑指5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值和选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值，将5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值/选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值获得比例系数t，根据该比例系数t计算基层厚度。这种半刚性基层沥青路面结构以及设计方法结合了材料强度和应力扩散面积，更加科学合理，使得公路成本降低和使用寿命提高。

Description

半刚性基层沥青路面结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及路面建筑领域，特别涉及公路的建造领域。

背景技术

我国半刚性基层沥青路面的结构设计规范，长期以来，一直采用的是《公路柔性路面设计规范》、《公路沥青路面设计规范》。根据该规范，半刚性基层沥青路面路面等级与面层类型应根据公路等级与使用要求、设计年限内标准轴载的累计当量轴次、筑路材料和施工机械设备等因素确定。路面设计交通量是根据初期交通量考虑一定设计年限内预估的交通量来计算累计标准当量轴次，因此设计年限是一个计算累计标准当量轴次的基准年限，设计年限不等于实际使用年限或路面的使用寿命。根据该规范，公路设计年限愈长、累计标准当量轴次越大，沥青面层愈厚。规范推荐的沥青路面层为：高速公路、一级公路设计年限15年，二级公路12年，三级公路8年，四级公路6年。对应沥青面层厚度（cm）：高速公路12～18，一级公路10～15；二级公路5～10，三级公路2～4，四级公路1～2.5。国外的设计年限比我国更长，沥青面层更厚。规范并未给出基层厚度的设计方法，实践中对于基层的厚度设计，是根据多层弹性理论，层间接触条件为完全连续体系，依据设计弯沉值、各结构层的回弹模量值与劈裂强度、土基回弹模量以及面层及垫层的厚度等条件结合必要的试验来确定。在《公路柔性路面设计规范》、《公路沥青路面设计规范》、《公路路面基层施工技术规范》中，对于基层材料的要求主要依据“7天无侧限抗压强度标准”。而根据该标准，由于塑指14以下土的石灰土其7天无侧限抗压强度仅有0.6～0.4mpa，至于材料强度要求最低的四级公路（大于0.7mpa）标准都达不到，因此不能用于公路基层材料。

然而，在实践中发现，按照《公路柔性路面设计规范》、《公路沥青路面设计规范》、《公路路面基层施工技术规范》设计施工的沥青路面公路，其实际使用寿命远低于设计年限，例如头年建第二年坏以及3～5年就坏了很常见。表1为河北衡水地区公路实际使用情况调查。由表1可以看出，这些公路实际使用年限远低于设计年限，除车流量因素外，公路本身的问题是未到设计年限就提前损坏的主要原因。

表1衡水地区按照规范修建公路实际使用情况调查表

说明：一、二级公路97年前均为水泥土、水泥石灰土、石灰土基层。如79年修建的宁六一级公路全部采用的是石灰土；97年后改为水泥碎石或二灰结碎石基层使用寿命10年左右。

但是，申请人发现，有的路段基层材料达不到规范的要求，甚至沥青层厚度也达不到规范的要求，其实际使用年限却更长。因此，一正一反两方面的实践说明，现有《公路沥青路面设计规范》仍有不足之处，有必要提出一种半刚性基层沥青路面及其设计方法以弥补现有规范的不足。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明在于提供半刚性基层沥青路面结构，以及其设计方法，以使公路的设计年限与实际使用寿命更为接近，同时降低修路成本。

为实现本发明的第一个目的，本发明提供一种半刚性基层沥青路面结构，包括沥青面层和基层，其结构为：

其中，t是比例系数，是指塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/设计材料基层弯沉盆面积。

所述弯沉盆面积是指在车轮荷载作用下路面产生弯沉区域的面积。

一种半刚性基层沥青路面的设计方法，该方法包括：

根据设计寿命、交通量和公路等级按下表确定沥青面层材料和厚度：

确定半刚性基层材料，对于基层采用塑指5～14土的石灰土的根据公路等级按下表选择基层厚度；对于其它半刚性材料基层，测定同厚度下5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值和选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值，将5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值/选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值获得比例系数t，按下表计算基层厚度：

所述弯沉盆面积参考路面沉降值检测方法，不同的是弯沉盆面积检测的是路面弯沉区域的面积值。例如采用双轴且后轴双侧4轮的载重车，按10cm间距检测路面残余变形区域大小。

本发明的半刚性基层沥青路面，是根据发明人多年实践经验和对不同公路情况调查、研究和试验的基础上，根据发明人新的半刚性基层沥青路面受力理论而得到的研究成果，与现有规范相比，本发明的技术效果如下：

1、本发明与现有《公路沥青路面设计规范》和传统基层厚度设计方法相比，不是单纯的以材料抗压强度和累积标准当量轴次为依据选择半刚性基层材料和确定厚度，而是结合了不同材料基层的应力分布即应力扩散性能，这是与现有方法本质的区别。根据发明人多年的研究形成的基础理论，目前按照规范修建的沥青路面在半刚性材料基层材料应用时只考虑了材料的强度，虽然符合《公路沥青路面设计规范》中7天无侧限抗压强度的要求，然而现有技术中均未意识到路面应力分散性能对公路破损的影响，致使目前按《公路沥青路面设计规范》设计和修改的公路其基层材料虽然强度好，但干缩（脆）性大，应力扩散能力差，导致基层和路面出现裂缝、龟裂多，裂缝不但不利于车轮荷载的扩散（已被发明人弯沉盆测定所证实），而且雨、雪水易于从裂缝渗入，强度降低（这一点已被试件浸水饱和试压结果和使用路段所证实），经冻融和行车作用造成路面早期破坏。这就是现有半刚性材料基层沥青路面头年建第二年坏最长3～5年就坏了的原因。本发明则考虑了半刚性基层应力扩散能力，提出用弯沉盆面积表征扩散能力，将基层厚度与弯沉盆面积结合，即扩散能力越差（表现为弯沉盆面积小），基层越厚，以防止或减少在车量荷载作用下路面基层裂缝的产生。

2、塑指14以下土的石灰土半刚性材料基层，虽然“7天无侧限抗压强度”只有0.6～0.4mpa，现场取样测定28天抗压强度仅有0.4mpa左右，但后期强度高，如龄期15～19年，强度可高达5.279、7.500、8.844mpa，高出“规范”对一级公路石灰土“7天无侧限抗压强度”＞1.0mpa标准要求的五、七、八倍。另外，塑指14以下土的石灰土半刚性材料基层，版体、整体性强和车轮荷载扩散面积大（这是对符合“规范”规定要求的水泥石灰土基层和对强度不符合“规范”要求的塑指14以下土的石灰土基层弯沉盆测定对比结果所证实了的，后者是前者的3～4倍）。因为荷载为定值时，承载面积越大，单位面积所受压力越小，减轻了基层（承重层）的负担。这就是石灰土基层现场取样测定28天抗压强度仅有0.4mpa左右，沥青面层厚3cm，最大4cm能在大交通量下使用15年、18年或更长时间……的又一个重要原因。其三是：塑指14以下土的石灰土半刚性材料基层，裂缝、龟裂少或无龟裂（对塑指8～13和5～12的土的石灰土，长1公里路面宽6m基层石灰土厚24cm沥青面层厚2.5cm和12.9公里路面宽9m，基层石灰土厚25～40cm，沥青面层厚4cm的石灰土半刚性材料基层薄层沥青路面的路段，调查结果表明，使用14年、17年无龟裂）减少了雨、雪水从裂缝渗入的机会，不会因地上水危害路面。这是在大交通量下路面使用效果好、寿命长的又一个重要原因。本发明突破《公路沥青路面设计规范》，以塑指14以下土的石灰土作为基层材料，因此能够提高半刚性基层沥青公路的使用寿命。

3、本发明以塑指14以下土的石灰土半刚性基层为基准，通过将其弯沉盆面积与其它半刚性基层弯沉盆面积进行比较确定比例系数，将不同半刚性基层材料之间建立起联系，不但减化了设计方法，而且减少了沥青层的厚度，降低了成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

1、首先根据设计寿命、累积标准当量轴次和公路等级按下表确定沥青面层材料和厚度：

2、确定半刚性基层材料，对于基层采用塑指5～14土的石灰土的，根据公路等级按上表选择基层厚度；

3、对于其它半刚性材料基层，测定同厚度下5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值和选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值，将5～14土的石灰土基层的弯沉盆面积值/选用的半刚性材料基层弯沉盆面积值获得比例系数t，按上表计算出该种半刚性基层的厚度。例如：以基层厚度15cm(二级及二级以下公路)或20cm（高速公路和一级公路）为标准，以塑指5～14土的石灰土基层实测弯沉盆面积πR²数值为基数1。水泥碎石半刚性材料基层作为一级公路或高速公路基层，若实测同厚度（20cm）塑指14以下土的石灰土基层弯沉盆面积πR²数值是水泥碎石半刚性材料基层弯沉盆面积πR²数值的1.5倍，则水泥碎石半刚性材料基层厚度为1.5×20=30cm。若以二灰结碎石半刚性材料基层作为高速公路或一级公路半刚性基层，若实测同厚度（20cm）塑指14以下土的石灰土基层弯沉盆面积πR²数值是二灰结碎石半刚性材料基层弯沉盆面积πR²数值的1.2倍，则二灰结碎石半刚性材料基层厚度为1.2×20=24cm。若以塑指14以下土的石灰粉煤灰土作二级及二级以下公路半刚性材料基层，若实测同厚度（15cm）塑指14以下土的石灰土基层弯沉盆面积πR2数值是塑指14以下土的石灰粉煤灰土材料基层弯沉盆面积πR²数值的2倍，则其基层厚度为2×15=30cm……依此类推。总之，这都是可以实测的，依据半刚性材料基层实测的弯沉盆面积πR²的数值确定三大类半刚性材料高等级路面基层的厚度。

弯沉盆面积的检测方法为：采用解放牌载重4吨标准车将弯沉值仪的弯沉头放置在两后轮间，按10cm间距停车一次读游标即得弯沉盆值，以弯沉区域当量圆半径R值根据πR²计算。由于本发明需要的是弯沉面积的比值，因此荷载大小并不限于4吨。

上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明创造所作的举例，而并非对本发明创造具体实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造权利要求的保护范围之中。

Claims

1.一种半刚性基层沥青路面结构，包括沥青面层和半刚性材料基层，其特征在于：不同公路等级、交通量和设计寿命下沥青面层和半刚性材料基层的材料及其厚度为：

高速公路：半刚性材料基层为水泥碎石或二灰结碎石，厚度(包括底基层)为t×20cm；沥青面层为沥青混凝土，厚度为5～8cm；交通量＞3000辆/(d·车道)；设计寿命十年；备注：若基层厚度＞20cm则底基层采用塑指14～18土的石灰土；t是比例系数，为塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/水泥碎石或二灰结碎石基层弯沉盆面积；

一级公路：半刚性材料基层为水泥碎石或二灰结碎石，厚度(包括底基层)为t×20cm；沥青面层为沥青混凝土，厚度为4～6cm；交通量为1500～3000辆/(d·车道)；设计寿命十年；备注：若基层厚度＞20cm则底基层采用塑指14～18土的石灰土；t是比例系数，为塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/水泥碎石或二灰结碎石基层弯沉盆面积；

二级公路：半刚性材料基层为塑指5～14土的石灰粉煤灰土，厚度(包括底基层)为t×15cm，沥青面层为上拌下贯沥青碎石，厚度为3～4cm；交通量为600～1500辆/(d·车道)；设计寿命十五年；备注：若基层厚度＞20cm则底基层采用塑指14～18土的石灰土；t是比例系数，为塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/塑指5～14土的石灰粉煤灰土基层弯沉盆面积；

二级公路：半刚性材料基层为塑指14～18土的石灰土，厚度(包括底基层)为t×15cm；沥青面层为沥青混凝土或热拌沥青碎石，厚度为3～4cm；交通量为600～1500辆/(d·车道)；设计寿命十年；t是比例系数，为塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/塑指14～18土的石灰土基层弯沉盆面积。

2.如权利要求1所述半刚性基层沥青路面结构，其特征在于所述弯沉盆面积是指在车轮荷载作用下路面产生弯沉区域的面积。

3.一种半刚性基层沥青路面的设计方法，该方法包括：

(1)根据设计寿命、交通量和公路等级按下表确定沥青面层材料和厚度：

(2)确定半刚性基层材料，然后按下列要求计算基层厚度：

二级公路：半刚性材料基层为塑指14～18土的石灰土，厚度(包括底基层)为t×15cm；沥青面层为沥青混凝土或热拌沥青碎石，厚度为3～4cm；交通量为600～1500辆/(d·车道)；设计寿命十年；t是比例系数，为塑指5～14土的石灰土基层弯沉盆面积/塑指14～18土的石灰土基层弯沉盆面积；

高速公路：半刚性材料基层为塑指5～14土的石灰土，厚度(包括底基层)≥20cm；沥青面层为沥青混凝土，厚度为5～8cm；交通量＞3000辆/(d·车道)；设计寿命二十年；

一级公路：半刚性材料基层为塑指5～14土的石灰土，厚度(包括底基层)为15～20cm；沥青面层为沥青混凝土或热拌沥青碎石，厚度为4～6cm；交通量为1500～3000辆/(d·车道)；设计寿命二十年；

二级公路：半刚性材料基层为塑指5～14土的石灰土，厚度(包括底基层)为15～20cm；沥青面层为上拌下贯沥青碎石，厚度为3～4cm；交通量为600～1500辆/(d·车道)；设计寿命二十年以上。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述弯沉盆面积检测采用双轴且后轴双侧4轮的载重车作为荷载作用于路面，按10cm间距检测路面残余变形区域大小。