CN103669154B - 一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面，该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面由耐久性面层、长寿命基层、永久性路基构成，耐久性面层设置在长寿命基层的上部，长寿命基层设置在永久性路基的上部，耐久性面层由中上面层及下面层构成，中上面层设置在下面层的上部；本发明实现了沥青路面损坏模式的转变，建立了寿命从上至下逐层递增的沥青路面，使得沥青路面的损坏首先只发生在路面的上部，因此，在进行养护维修时只需要对沥青路面表面进行铣刨、罩面修复，使得养护加铺时加铺的厚度最薄，本发明显著地提升了沥青路面的设计水平与使用寿命，有效地降低了沥青路面全寿命周期成本，极大地提高了公路建设质量和服役水平。

Description

一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法

技术领域

本发明属于公路设计施工技术领域，尤其涉及一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面。

背景技术

我国现行《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)规定：高速公路和一级公路沥青路面的设计寿命为15年，普通公路为6-12年，而且面层和基层的设计寿命相等。按照这一标准，即使全面实现设计目标，若干年后，每年仍将有近1万公里高速公路沥青路面必须进行从面层到基层的大修改造；即使不考虑巨额资金的承受能力，长达半年以上的施工周期也必将对路网的通行能力与运输效率产生极大的负面影响，更会对交通运输管理部门产生巨大的社会压力。可见，提高沥青路面使用寿命已成为公路交通领域刻不容缓的重要任务。

确保沥青路面在设计寿命的年限内不发生整体性结构破坏是沥青路面设计的根本目的，然而，我国在用的高速公路沥青路面大多在使用8～10年后即出现明显的结构性破坏，须进行铣刨罩面或加铺，从而引起社会与用户的非议，以高速公路为例，按照规定，在进行沥青路面设计时，无论是表面层还是中、下面层，无论是基层还是底基层都是按照15年进行设计的。换言之，当路面使用

年限达到15年时，无论是那个结构层都将发生或即将发生结构性破坏。然而，到目前为止，我国高速公路使用年限达到15年的路段已超过5000公里，这些路段虽然大部分已进行表面层或中、上面层的翻修，但绝大多数路段都未进行基层翻修，且使用状况良好，至于沥青面层的破坏虽然存在疲劳开裂等结构性破坏，但也有不少为车辙等功能性破坏，可见，即使达到了设计年限，各结构层出现全面破坏的情况仍非常少见。另一方面，我国高速公路上运营的车辆存在着严重的超载现象，加之随着国民经济的高速发展，我国的汽车保有量以难以想象的速度快速增长，因此，高速公路开放交通后，其交通量的增长远高于预期，两种因素交互作用导致大部分高速公路的累计交通量在开放交通8～10年后即达到设计的累计交通量。综合以上两个方面的因素可以发现，我国高速公路沥青路面设计施工质量总体上状况良好，达到或超过了设计的累计交通量。然而，在已建高速公路中，设计时基层和面层是按照等寿命设计的，而绝大多数情况是面层破坏、基层没有破坏，呈现出不相等的使用寿命，可见，我国现行的沥青路面设计规范尚存在一定的不合理性。

在进行结构的疲劳寿命设计时，通常有两种思路：一种是等寿命的设计思路，即将结构的各组元都按相同的使用寿命设计，工作中，当某一组元发生破坏时，其它组元也都已接近其设计寿命的末期，从而可避免出现材料的浪费，降低建设成本。另一种是变寿命的设计思路，即根据各组元的重要性、修复与重新建造的成本以及修复与重建的便利性，分别将其设计成不同的使用寿命。通常是内部组元修复不便，设计寿命高，外部组元便于修复，设计寿命低，重要程度高的组元设计寿命高，重要程度低的组元设计寿命低，维修重建难度大的设计寿命高，维修重建难度小的设计寿命低，甚至为了保护重要组元不损坏，专门设计一些易损组元，有意识引导结构的预先破坏向这些组元集中，而保护那些难以修复重建与修复重建成本高的组元，使其避免发生破坏。

沥青路面具有典型的层状结构特征，由于沥青路面上面层位于路面顶面，修复与重建的时间短、成本低，而靠下面的结构层出现破坏需维修重建时，其上部所有结构层都将废除重建，而不管其是否已经破坏，因此，越下面的结构层修复与重建所需的时间越长，花费成本也越高。可见，为提高沥青路面整体结构的使用寿命，应对各结构层的使用寿命进行更为科学的规划，而变寿命的设计思路正是耐久性沥青路面所追求的设计理念，也是全寿命周期设计与预养护技术所必须贯彻的设计理念。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面，旨在解决在已建高速公路中，基层和面层是按照等寿命设计的，而绝大多数情况下，公路是面层易破坏、基层很少损坏、路基基本没有破坏，呈现出不相等的使用寿命，沥青路面设计不合理的问题。

本发明是这样实现的，一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面，该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面包括：耐久性面层、长寿命基层、永久性路基；

所述耐久性面层设置在所述长寿命基层的上部，所述长寿命基层设置在所述永久性路基的上部。

进一步，所述耐久性面层由中上面层及下面层构成，所述中上面层设置在所述下面层的上部。

进一步，所述中上面层的设计寿命为10年～15年，所述下面层的设计寿命为20年～30年。

进一步，所述长寿命基层的设计寿命为40年～60年。

进一步，所述永久性路基的设计寿命大于60年。

进一步，所述耐久性面层的厚度为18cm～36cm，由优质的高性能沥青混合料铺筑而成；

所述长寿命基层的厚度为60cm～80cm，由优质的水泥稳定碎石或沥青稳定碎石材料铺筑而成；

所述永久性路基为路堤或路堑，设计时理论厚度为无限大，永久性路基表层一定深度范围内（即路基工作区）由具有长期水稳性的压实土铺垫而成。

本发明提供的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面，该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面由耐久性面层、长寿命基层、永久性路基构成，耐久性面层设置在长寿命基层的上部，长寿命基层设置在永久性路基的上部，耐久性面层由中上面层及下面层构成，中上面层设置在下面层的上部，中上面层的设计寿命为10年～15年，下面层的设计寿命为20年～30年，长寿命基层的设计寿命为40年～60年，永久性路基的设计寿命大于60年；本发明实现了沥青路面损坏模式的转变，建立了寿命从上至下逐层递增的沥青路面，使得沥青路面的损坏首先只发生在路面的上部，只需要对沥青路面表面进行铣刨、罩面修复，使得将来对路面养护加铺时加铺的厚度最薄，该发明不仅可用于新建公路建设，对已建高速公路的大修养护、改扩建工程中的应用同样有价值，本发明的广泛应用将显著提升沥青路面的设计水平与使用寿命，对有效降低沥青路面全寿命周期成本、提高公路建设质量和服役水平具有重要的工程实践价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面的结构示意图。

图中：1、耐久性面层；1-1、中上面层；1-2、下面层；2、长寿命基层；3、永久性路基。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1示出了本发明实施例提供的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面的结构。为了便于说明，仅仅示出了与本发明实施例相关的部分。

该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面包括：耐久性面层、长寿命基层、永久性路基；

耐久性面层设置在长寿命基层的上部，长寿命基层设置在永久性路基的上部。

在本发明实施例中，耐久性面层由中上面层及下面层构成，中上面层设置在下面层的上部。

在本发明实施例中，中上面层的设计寿命为10年～15年，下面层的设计寿命为20年～30年。

在本发明实施例中，长寿命基层的设计寿命为40年～60年。

在本发明实施例中，永久性路基的设计寿命大于60年。

耐久性面层的厚度一般为18cm～36cm，由优质的高性能沥青混合料铺筑而成；

长寿命基层的厚度一般为60cm～80cm，由优质的水泥稳定碎石（半刚性基层）或沥青稳定碎石（柔性基层）材料铺筑而成；

永久性路基为路堤或路堑，设计时其理论厚度为无限大，其表层一定深度范围内（即路基工作区）由具有长期水稳性的压实土铺垫而成。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

1.通过大量的室内外试验与理论分析，建立沥青混合料与半刚性基层材料的强度理论、破坏准则与抗力模型，提出耐久性沥青面层与长寿命半刚性基层的设计指标、参数、标准与方法，构建耐久性沥青路面面层与基层的疲劳设计抗力模型与设计标准；

2.按照常规路面结构设计理论，根据各结构层的设计寿命，确定相应的结构组合方式和结构层厚度。

3.按照设计的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面新结构进行路基、路面施工，确保原材料及施工质量，则结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面结构即可实现。

实施方案

一、耐久性沥青路面强度准则、抗力模型及设计方法

通过三维复杂应力状态下沥青混合料的强度试验，建立复杂应力状态下沥青混合料的强度理论与破坏准则，该强度理论与破坏准则与沥青路面的实际情况最为接近，进而提出沥青路面结构设计的强度控制参数与标准。

根据我国既有代表性高速公路沥青路面的典型破坏形式（如弯沉、车辙、开裂等），通过资料搜集、现场测试与理论分析，明确各种典型破坏形式的主要影响因素，并揭示其演变规律；在此基础上，重新认识沥青路面的破坏形式、失效准则及破坏源。

根据面层与基层结构所处层位及功能的不同，建立以路表弯沉和永久变形为沥青面层的结构设计指标、以半刚性基层疲劳开裂为半刚性基层结构的设计指标，并提出相应的结构设计参数与标准，据此对面层的疲劳开裂、车辙变形和半刚性基层的疲劳开裂进行控制。

二、新型沥青路面疲劳特性及轴载标准化方法

通过开展大量的沥青混合料与半刚性基层材料的疲劳试验，揭示路面材料的刚度衰变特性并建立相应的刚度衰变演化模型，据此，建立基于路面材料刚度衰变规律的新型沥青路面结构弯沉演变预估模型，并与路表弯沉实测结果进行对比验证，进而对预估模型进行必要的修正与完善；通过半刚性基层材料在较低应力水平或应变水平下的疲劳试验，揭示半刚性基层材料持久极限的存在性，为耐久性沥青路面长寿命半刚性基层的结构设计提供疲劳抗力模型。根据沥青混合料与半刚性基层材料的疲劳试验结果，揭示沥青混合料与半刚性基层材料疲劳过程中损伤的非线性演化规律，建立相应材料的非线性疲劳损伤演化模型；根据疲劳损伤等效原则，建立基于非线性疲劳损伤的新型沥青路面轴载换算方法。

三、新型沥青路面结构的材料性能指标与参数

沥青路面在交通荷载与环境因素的作用下处于复杂的应力状态，而沥青路面材料力学性能指标与参数显著地受其所处应力状态的影响，不同应力状态下沥青路面材料的力学性能指标与参数（如强度、模量）亦不同，据此所计算的路面结构力学响应结果亦将不同，将直接影响沥青路面设计的科学性与准确性，因此，根据不同应力状态下沥青路面材料的力学性能指标与参数（强度、模量等）的试验结果，建立力学性能指标及参数与应力状态的相关性。通过比较常规参数试验方法、大尺寸整层试验法及足尺试验法所得到的材料参数，分析应力、应变与弯沉等结构响应实测值与理论值之间的差异性，以路面结构力学响应的计算值（应力、应变与弯沉）与实际值是否接近作为评判路面材料力学性能指标及参数是否合理的原则，建立根据路面结构力学响应直接获取材料参数的方法与标准，以提高沥青路面结构设计的精准性，为方便耐久性沥青路面结构设计方法的推广和应用。

四、永久性路基层的结构设计指标与标准

通过调查不同高速公路沥青路面气候特征参数和路基所处的水温状况，分析路基含水量和回弹模量在道路运营过程中的年变化规律，揭示路基湿度与刚度在不同气候环境下的演变规律及其相关关系。根据有荷条件下、不同环境与不同土质的土-水特征曲线，建立路基平衡湿度状态预测模型，根据不同路基填料的物理力学性质，并结合平衡含水率，提出路基施工的湿度状态设计法，提出永久性路基的结构设计指标与标准，建立路基压实的最佳含水率控制标准及施工控制方法，并对路基进行综合排水设计，避免雨水滞留路基内部，通过合理的结构性措施提高路基湿度与刚度的长期稳定性，建立不同交通荷载与气候环境条件下路基刚度与永久变形的演化模型、预估方法及其控制技术。

五、耐久性沥青路面结构设计方法的加速加载试验

为了验证所提出的耐久性沥青路面设计方法的合理性，最直接、有效的方法就是进行加速加载试验验证。通过开发加速加载试验检测数据的自动采集、自动传输与自动处理技术，建立根据加速加载试验模拟沥青路面长期性能的试验方法与相应监测指标的观测方法，在此基础上，进行新型沥青路面的加速加载试验，比较其破坏准则、设计参数、设计标准、轴载标准化、设计指标长期性能演化规律等实测结果与设计模型的差异性，根据实际观测结果验证新型沥青路面设计方法的合理、准确性，并进行必要的修正，保证所提出的耐久性沥青路面设计方法的科学合理性，进而保证沥青路面使用寿命得到大幅度提升。

本发明有效地提高了我国公路沥青路面的使用寿命，实现了沥青路面损坏模式的转变，即从传统路面结构“自下而上”的损坏转变为耐久性沥青路面结构“自上而下”的损坏，建立设计寿命从上至下逐层递增的耐久性面层、长寿命基层、永久性路基的沥青路面，为形成使用寿命大幅提升的耐久性沥青路面设计新方法及相应的技术体系提供有力的技术支撑。

耐久性沥青路面设计的根本理念是实现路面损坏模式的转变，即路面结构从“自下而上”的损坏转变为“自上而下”，这与变寿命设计的理念不谋而合。因此，耐久性路面不是不损坏而是基本上消除传统上普遍存在的弯拉疲劳损坏，使得沥青路面的损坏首先只发生在路面的上部，只需要对表面进行铣刨、罩面修复，使得将来对路面养护加铺时加铺的厚度最薄。

结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法，不仅可用于新建公路建设，对已建重载高速公路的大修养护、改扩建工程中的应用同样有价值，按此结构设计思路，将以往设计不完善、施工质量不好的高速公路，改建成耐久性的路面结构，因此，该发明的推广应用前景广阔、具有广泛的应用价值。

本发明的广泛应用将显著提升我国沥青路面的设计水平与使用寿命，有效降低沥青路面的全寿命周期成本，提高公路建设质量和服役水平，具有重要的工程实践价值。

本发明实施例提供的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面，该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面由耐久性面层、长寿命基层、永久性路基构成，耐久性面层设置在长寿命基层的上部，长寿命基层设置在永久性路基的上部，耐久性面层由中上面层及下面层构成，中上面层设置在下面层的上部，中上面层的设计寿命为10年～15年，下面层的设计寿命为20年～30年，长寿命基层的设计寿命为40年～60年，永久性路基的设计寿命大于60年；本发明实现了沥青路面损坏模式的转变，建立了寿命从上至下逐层递增的沥青路面，使得沥青路面的损坏首先只发生在路面的上部，在进行养护维修时只需要对沥青路面表面进行铣刨、罩面修复，使得养护加铺时加铺的厚度最薄，该发明不仅可用于新建公路建设，对已建重载高速公路的大修养护、改扩建工程中的应用同样有价值，本发明的广泛用于将显著提升沥青路面的设计水平与使用寿命，对有效降低沥青路面全寿命周期成本、提高公路建设质量和服役水平具有重要的工程实践价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法，所述结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面包括：耐久性面层、长寿命基层、永久性路基；所述耐久性面层设置在所述长寿命基层的上部，所述长寿命基层设置在所述永久性路基的上部；所述耐久性面层由中上面层及下面层构成，所述中上面层设置在所述下面层的上部；其特征在于，所述方法如下：

所述中上面层的设计寿命为10年～15年，所述下面层的设计寿命为20年～30年；所述长寿命基层的设计寿命为40年～60年；所述永久性路基的设计寿命大于60年；所述永久性路基为路堤或路堑，设计时理论厚度为无限大，永久性路基表层一定深度范围内即路基工作区，由具有水稳性的压实土铺垫而成。

2.如权利要求1所述的结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法，其特征在于，所述耐久性面层的厚度为18cm～36cm，由优质的高性能沥青混合料铺筑而成；

所述长寿命基层的厚度为60cm～80cm，由优质的水泥稳定碎石或沥青稳定碎石材料铺筑而成。