CN115748354B - 一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，包括以下步骤：第一步，强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合设计，强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合简称为基准结构层组合，强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合简称为目标结构层组合；第二步，在基准结构层组合中增加复合间断层，其厚度为100mm，形成目标结构层组合，假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，计算LA目标，如果目标结构层组合的LA目标≤LA基准即满足要求；第三步，路面结构层设计，主要是复合间断层的设计。本发明的设计方法可以解决强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合路表弯沉值较大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其是涉及一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法。
背景技术
由于无机结合料稳定粒料半刚性基层(简称半刚性基层)沥青路面结构层组合承载力强，造价低，被长期普遍采用，已经为我国道路工程建设做出了巨大贡献，时至今日，我国绝大部分道路工程建设仍然并将继续采用这种路面结构层组合形式。
在半刚性基层沥青路面结构层组合中，半刚性基层的承载力强，是行车荷载的主要承受者，而沥青路面的厚度相对较薄(不超过18cm)，所以称这种路面结构为强基薄面型路面结构层组合。
强基薄面型路面结构层组合设计依据的是多层弹性连续体系理论，采取的办法是增强层间联结，在半刚性基层顶部洒布透层油，以增加基层与沥青路面之间的粘结力，使半刚性基层和沥青面层共同承受行车荷载。
强基薄面型路面结构层组合存在的问题是：半刚性基层容易产生裂缝(所谓容易产生裂缝：一是产生裂缝时间早，一年左右就会产生裂缝；二是产生裂缝较多。这是半刚性基层的固有特性)，进而带动沥青路面一起产生裂缝即反射裂缝(虽然也有设置沥青碎石应力吸收层的，但作用有限，结果也不是很理想)；沥青路面反射裂缝会成为通道使路表水分下渗到路面结构内甚至是土基中而难以排出，结果导致道路早期损坏(表现为基层强度和承载力降低、唧泥、块裂、坑槽等)，并使结构性破坏加速，一般实际使用寿命(道路完工通车到发生结构性破坏的时间)达不到设计使用寿命(10年～15年)。上述这些早期病害是我国半刚性基层沥青路面结构层组合普遍存在的问题，导致维修频繁，维修费用高，全寿命周期成本高，并且影响车辆通行，道路利用率低，社会成本高。
为了解决上述问题，出现了倒装式路面结构层组合，它是在半刚性基层与沥青路面之间设置碎石层，能够阻断半刚性基层裂缝向沥青路面反射。由于碎石层的抗压回弹模量(级配碎石抗压回弹模量平均值为350MPa左右，很难达到450MPa以上；压缩模量和弹性模量同样也低)小于半刚性基层，所以称为倒装式路面结构层组合，它是间断体系路面结构层组合。与连续体系非倒装式路面结构层组合相比，其存在的问题是：碎石层的抗压回弹模量小，变形大，导致路表弯沉值较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，通过科学合理地设计，解决强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合路表弯沉值较大的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，包括以下步骤：
第一步，强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合设计
进行强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合设计是为了提供基准结构层组合，得到其路表弯沉值LA基准，作为标准；在进行强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计时，其路表弯沉值LA目标要与LA基准进行比较，判断是否满足要求；
强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合简称为基准结构层组合，强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合简称为目标结构层组合；
所述基准结构层组合设计方法有二：
一是，按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》进行设计就能得到LA基准，它是成熟技术，在此不再赘述；
二是，经过长期的工程实践，每个地区都形成有适合本地区交通、气候、水文、地质、地方材料等特点的典型路面结构层组合，直接把典型的强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合作为基准结构层组合，经计算得到LA基准，它是成熟技术，在此不再赘述；
第二步，在基准结构层组合中增加复合间断层，其厚度为100mm，形成目标结构层组合，假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，计算LA目标
根据经验假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》进行计算，如果目标结构层组合的LA目标≤LA基准即满足要求；
第三步，路面结构层设计
沥青路面层、半刚性基层和底基层、以及路床、土基的设计是成熟技术，按照(JTGD50-2017)《公路沥青路面设计规范》和(JTG F40-2004)《公路沥青路面施工技术规范》进行，此不赘述；
复合间断层的设计方法如下：
(一)复合间断层材料及其用量设计
每1000m2复合间断层包括以下组分：粒径3cm～7cm碎石100m3、砂10～30m3、乳化沥青4～8m3，其中：粒径3cm～7cm碎石和砂的体积为振实体积；
复合间断层上部浇灌透层乳化沥青，渗透深度7cm～8cm，其作用：一是，固结表层7cm～8cm厚的松散材料，防止扬砂尘，方便临时通行，所谓临时通行是指施工机械、车辆、设备通行；二是，研究表明砂碎石间断层上部浇灌透层乳化沥青形成复合间断层，能够提高该层的回弹模量，有利于提高沥青路面的抗车辙性能和抗疲劳性能；
所述浇灌用乳化沥青为快裂快凝型；
使用材料质量符合(JTG F40-2004)《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定；
复合间断层20℃动态压缩模量E测试。复合间断层20℃动态压缩模量测试方法按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》和(JTG E20-2011)《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法进行测试；
复合间断层的20℃动态压缩模量E≥E目标为满足设计要求；否则，采用：增加粒径≥4cm碎石含量、使用机制砂、提高乳化沥青蒸发残留物的软化点和粘度、调整乳化沥青用量中的一种，或者一种以上的方法，提高复合间断层的20℃动态压缩模量，直至满足设计要求；
(二)复合间断层施工工艺设计
1)摊铺碎石；
2)整平、稳压碎石；
3)摊铺细沙；
4)水镇密实；
5)整平；
6)洒布乳化沥青。
砂碎石铺筑振实后，在其上均匀洒布乳化沥青，乳化沥青分多次洒布，每次洒布均控制乳化沥青渗透深度在7cm～8cm范围内并依此确定洒布量，每次洒布乳化沥青的间隔时间大于4h；
7)养护；
8)碾压。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明把所在地的工程实践——典型结构层组合作为出发点和归宿点，使设计结果切实符合当地的交通、气候、水文、地质以及地材等特点。
2、本发明以问题为导向，直接把基准结构层组合的路表弯沉值作为设计的控制指标，保证倒装式结构层组合的路表弯沉值不低于基准结构层组合，甚至还有所提高。
3、现有技术条件下，倒装式结构层组合中的级配碎石层的模量低，路表弯沉值较大；本发明的复合间断层如图1所示，它的20℃动态压缩模量能达到7000MPa以上，虽然仍低于水泥稳定碎石基层的抗压回弹模量，但研究表明已经足以能够克服现有级配碎石层的缺点，保证其路表弯沉值不低于基准结构层组合。
在复合间断层中，上部7cm～8cm厚是沥青混合料，它的压缩模量比级配碎石大得多，其基于大量粒径为3cm～7cm的碎石之上，碎石的压缩模量更大，致使复合间断层整体的压缩模量有大幅度提高；由于半刚性基层裂缝向上反射所产生的应力远小于碎石的抗拉强度，下部碎石不会被拉开，砂不会传递拉应力和拉应变，它会隔断半刚性基层裂缝向上反射。因此，复合间断层既保证了现有级配碎石的功能——阻断产生反射裂缝，又克服了它的缺点，提高了压缩模量，同时增加了功能——大粒径碎石跨越半刚性基层裂缝，具有桥联作用，能够提高半刚性基层的整体性和连续性。
4、把间断层作为面层进行设计更科学合理。研究表明，无论是传统的级配碎石层，或者是本发明的复合间断层都表现出柔性路面的特征，与沥青路面相似——都会产生车辙，而无机结合料半刚性基层自身不会产生车辙，所以本发明把之作为面层进行设计；而现有技术是把之作为基层进行设计的。
5、现有倒装式结构层组合虽然解决了基准结构层组合的致命问题——反射裂缝病害，但又出现了路表弯沉值较大的问题，这是它推广应用不多的原因；而本发明解决了现有倒装式结构层组合路表弯沉值较大的问题，使之成为一种很理想的路面结构层组合，为其广泛推广应用创造了良好的条件。
附图说明
图1为复合间断层内部结构示意图；
图中，1、粒径3cm～7cm碎石；2、砂；3、乳化沥青。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案及效果做进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
本实施例的倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，包括以下步骤：
第一步，基准结构层组合设计
(一)项目概况与交通荷载参数
该项目位于河南省平顶山市，属于一级公路，目标可靠指标1.28，设计使用年限为15.0年，通车至首次针对车辙维修的期限15年，根据交通量OD调查分析，断面大型客车和货车交通量为6036辆/日，交通量年增长率为3.5％，方向系数取55.0％，车道系数取65.0％，整体式货车比例34.3％，半挂式货车比例43.7％，车辆类型分布系数如表1所示；
表1车辆类型分布系数
| 车辆类型 | 2类 | 3类 | 4类 | 5类 | 6类 | 7类 | 8类 | 9类 | 10类 | 11类 |
| 车型分布系数(％) | 8 | 34.1 | 10 | 12 | 31 | 54 | 36 | 46 | 39 | 0 |
初始年设计车道大型客车和货车年平均日交通量2157辆/日，设计使用年限内设计车道累计大型客车和货车交通量1.519159E+07辆，路面设计交通荷载等级为重交通荷载等级；
当验算沥青路面疲劳开裂时：设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为3.757447E+07；
当验算半刚性基层疲劳开裂时：设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为2.461238E+09；
当验算沥青路面永久变形量时：通车至首次针对车辙维修的期限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为3.757447E+07；
当验算路基顶面竖向压应变时：设计使用年限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数为6.330478E+07；
(二)基准结构层组合设计与验算
基准结构层组合采用平顶山地区典型路面结构层组合，其层数：8，设计轴载：100kN，路面设计层层位：5；基准结构层组合及相关参数如表2所示；
季节性冻土地区调整系数、温度调整系数、现场综合修正系数和沥青路面永久变形等效温度按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》的规定选取；通车至首次针对车辙维修的期限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数NZB3＝3.757447E+07轴次，沥青路面永久变形验算分层数N＝6；
表2基准结构层组合及相关参数
路面结构层组合的验算是成熟技术，按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》的规定进行即可，此不赘述。验算的结果是：满足规范要求，对本发明实施例没有用处的计算结果略去，路表弯沉值LA基准＝14.9(0.01mm)；
第二步，假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，计算LA目标
(一)确定目标结构层组合
在基准结构层组合中增加复合间断层，其厚度为100mm，形成目标结构层组合，如表3所示。
表3目标结构层组合及相关参数
(二)假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，计算LA目标
路面结构的层数：9，设计轴载：100kN，路面设计层层位：6；
研究表明，复合间断层表现出柔性路面的特征，与沥青路面相似，所以把间断层作为面层进行设计更科学合理；
项目概况与交通荷载参数同基准结构层组合；季节性冻土地区调整系数、温度调整系数、现场综合修正系数和沥青路面永久变形等效温度按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》的规定选取；通车至首次针对车辙维修的期限内设计车道上的当量设计轴载累计作用次数NZB3＝3.757447E+07轴次，沥青路面永久变形验算分层数N＝7；
假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标＝7000MPa，按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》进行计算，得LA目标＝13.9(0.01mm)；
LA目标＝13.9(0.01mm)＜LA基准＝14.9(0.01mm)，满足要求；
如果LA目标＞LA基准，则增大E目标，再按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》进行计算，直至LA目标≤LA基准；
第三步，路面结构层设计
沥青路面层、半刚性基层和底基层、以及路床、土基的设计是成熟技术，按照(JTGD50-2017)《公路沥青路面设计规范》和(JTG F40-2004)《公路沥青路面施工技术规范》进行，在此不再赘述。
复合间断层的设计方法如下：
(一)复合间断层材料及其用量设计
每1000m2复合间断层包括以下立方米体积份组分：粒径3cm～7cm碎石100份、砂10～30份、乳化沥青4～8份，其中：粒径3cm～7cm碎石和砂的体积为振实体积；
浇灌用乳化沥青为快裂快凝型；
使用材料质量符合(JTG F40-2004)《公路沥青路面施工技术规范》的有关规定；
复合间断层上部浇灌透层乳化沥青，渗透深度7cm～8cm，其作用：一是，固结表层7cm～8cm厚的松散材料，防止扬砂尘，方便临时通行，所谓临时通行是指施工机械、车辆、设备通行；二是，研究表明砂碎石间断层上部浇灌透层乳化沥青形成复合间断层，如图1所示，包括粒径3cm～7cm碎石1、砂2、乳化沥青3，能够提高该层的压缩模量，有利于路表弯沉值；
进行混合料配合比设计时，根据碎石和砂的振实堆积空隙率以及设计厚度，计算砂的用量；乳化沥青用量根据经验确定，以复合间断层上部7cm～8cm厚材料稳固为原则；
本例复合间断层的厚度为10cm，已知条件：碎石振实堆积空隙率为19.7％，碎石、砂松铺系数均为1.1；根据经验选择乳化沥青用量为3m3/1000m2，复合间断层的压缩模量能够达到7000MPa以上；
1000m2砂碎石间断层的材料用量为：
粒径3cm～7cm碎石振实堆积体积＝1000m2×10cm＝100m3；
砂振实堆积体积＝100m3×19.7％＝19.7m3；
乳化沥青体积＝1000m2×3m3/1000m2＝3m3；
复合间断层20℃动态压缩模量E测试，复合间断层20℃动态压缩模量测试方法按照(JTG D50-2017)《公路沥青路面设计规范》和(JTG E20-2011)《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的方法进行测试。测试结果为：复合间断层的20℃动态压缩模量E＝7900MPa＞E目标＝7000MPa，满足设计要求；
(二)复合间断层施工工艺设计
1)摊铺粒径3cm～7cm碎石，松铺厚度为：10cm×1.1＝11cm；
2)整平、稳压粒径3cm～7cm碎石
用≥16t胶轮压路机碾压摊铺的粒径3cm～7cm碎石，使之密实；
3)摊铺细砂，1000m2砂的摊铺量为：19.7m3×1.1＝21.67m3；
4)冲水密实砂
5)整平
整修使表面平整，砂分布均匀；
6)洒布乳化沥青
乳化沥青分三次洒布，每次洒布量1m3/1000m2；
7)养护
养护的目的是使砂碎石间断层材料不粘轮；
8)碾压
用≥16t胶轮压路机碾压2～3遍。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (4)
1.一种倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，其特征在于，该设计方法包括以下步骤：
第一步，强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合设计
进行强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合设计是为了提供基准结构层组合，得到其路表弯沉值LA基准，作为标准；在进行强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计时，其路表弯沉值LA目标要与LA基准进行比较，判断是否满足要求；
强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合简称为基准结构层组合，强基薄面型倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合简称为目标结构层组合；
第二步，在基准结构层组合中增加复合间断层，其厚度为100mm，形成目标结构层组合，假设复合间断层20℃动态压缩模量E目标，计算LA目标，如果目标结构层组合的LA目标≤LA基准即满足要求；
第三步，路面结构层设计
沥青路面层、半刚性基层和底基层、以及路床、土基的设计按照JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范和JTG F40-2004 公路沥青路面施工技术规范进行；
复合间断层的设计方法如下：
（一）复合间断层材料及其用量设计
每1000m2复合间断层包括以下组分：粒径3cm～7cm碎石100m3、砂10～30m3、乳化沥青4～8m3，其中：粒径3cm～7cm碎石和砂的体积为振实体积；
在粒径3cm～7cm碎石和砂上浇灌透层乳化沥青，渗透深度7cm～8cm，形成复合间断层，随后进行20℃动态压缩模量E测试，复合间断层的20℃动态压缩模量E≥E目标为满足设计要求；否则，采用：增加粒径≥4cm碎石含量、使用机制砂、提高乳化沥青蒸发残留物的软化点和粘度、调整乳化沥青用量中的一种，或者一种以上的方法，提高复合间断层的20℃动态压缩模量，直至满足设计要求；
（二）复合间断层施工工艺设计
1）摊铺粒径3cm～7cm碎石；
2）整平、稳压粒径3cm～7cm碎石；
3）摊铺砂；
4）水镇密实砂；
5）整平；
6）洒布乳化沥青
碎石、砂铺筑振实后，在其上均匀洒布乳化沥青，乳化沥青分多次洒布，每次洒布均控制乳化沥青渗透深度在7cm～8cm范围内并依此确定洒布量，每次洒布乳化沥青的间隔时间大于4h；
7）养护；
8）碾压。
2.根据权利要求1所述的倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，其特征在于，所述基准结构层组合设计方法为：按照JTG D50-2017 公路沥青路面设计规范进行设计得到LA基准。
3.根据权利要求1所述的倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，其特征在于，所述基准结构层组合设计方法为：经过长期的工程实践，每个地区都形成有适合本地区交通、气候、水文、地质、地方材料特点的典型路面结构层组合，直接把典型的强基薄面型半刚性基层沥青路面连续体系结构层组合作为基准结构层组合，经计算得到LA基准。
4.根据权利要求1所述的倒装式半刚性基层沥青路面结构层组合的设计方法，其特征在于，所述浇灌用乳化沥青为快裂快凝型。
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