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原文传递基于复合式基层的耐久性沥青路面结构研究

论文题名：	基于复合式基层的耐久性沥青路面结构研究
关键词：	耐久性沥青路面;基层适应性;复合式基层;层间结合状态;设计指标;疲劳极限;路面结构;结构层功能
摘要：	截止2008年底,我国高速公路总里程达到6.03万公里,而已建高速公路中,90％以上为半刚性基层沥青路面,这类路面结构优势明显,承载力高、水稳性和耐久性好,但是半刚性基层开裂普遍,易使路面出现反射裂缝,进而引发路面结构性破坏是这类路面的致命缺点。纵观我国近20年来沥青路面结构设计及使用状况,设计控制指标与路面破坏形式不一致、路面结构单一状况严重影响了沥青路面的使用寿命。鉴于此,本研究引入了耐久性沥青路面设计理念,以寿命周期内总费用最经济为原则,力求整个路面结构在设计使用年限内,不发生结构性破坏,仅需定期的功能性养护。在此基础上,最终提出适合我国气候、交通、材料、经济等状况的耐久性沥青路面设计指标及结构设计方法,以提高我国沥青路面的设计使用品质。　　本文首先针对沥青路面结构性破坏类型,分析了国内外高等级沥青路面基层的使用状况,系统研究了耐久性沥青路面常用基层的适应性,重点对复合式基层的适应性进行了深入分析,认为复合基层可有效改善半刚性基层的开裂和反射裂缝,相比而言,更适合作为耐久性沥青路面的基层。　　建立了有限元模型,计算分析了层间结合状态对复合式基层沥青路面结构内部力学响应的影响,特别就沥青路面层间不同接触状态及路面结构参数对路面剪应力的影响规律进行了深入研究。利用“路面层间材料多功能剪切仪”,试验研究了不同温度条件下各类路面层间材料的抗剪切性能,推荐了透层、封层及粘层材料的适用类型及最佳用量。根据层间材料剪切破坏过程的损伤机理及破坏状态的变化,定义了剪切破坏的三阶段,认为整个剪切破坏过程中,材料之间的粘结力、机械咬合力及摩擦力逐步产生作用。　　研究提出了与沥青路面结构性破坏对应的复合基层耐久性沥青路面设计指标体系。认为可以拉应变控制沥青层的受力状态,以层底拉应力控制半刚性基层的受力状态,以路基顶面压应变控制路基塑性变形,建议基顶压应变的设计值为200με,以路表弯沉为设计和竣工验收指标,使设计与质量控制指标相对应。为控制面层局部损坏和层问剪切破坏,建议对沥青混合料内部最大剪应力和面层、基层间最大剪应力进行验算,特别应重点分析路表10cm深度内结构层的剪应力,并对之进行抗剪强度验算。　　合理确定沥青混合料的疲劳极限是耐久性沥青路面设计的基础,但该值的确定目前国内外尚无统一标准。本文在分析常规应变条件下沥青混合料疲劳破坏发展的基础上,改进了ASSHOTT321中所推荐的疲劳寿命计算方法,根据混合料劲度模量的变化规律,将疲劳破坏过程分为三个阶段,以第二阶段的试验数据推算低应变条件下试件的疲劳寿命,并利用UTM疲劳试验机,通过小梁重复弯曲疲劳试验测试了不同低应变水平下沥青混合料的疲劳性能,得出了山东滨州耐久性路面ATB-25和AC-25的疲劳极限为70με～80με。在低应变状态下,沥青混合料的疲劳寿命和应变水平仍能很好地符合幂函数疲劳方程,可根据常规应变水平下的沥青混合料疲劳寿命推断出低应变状态下的疲劳寿命。　　在计算分析的基础上,提出了耐久性沥青路面的结构设计原则。根据半刚性基层的破坏模式和受力特点,将其分为上部抗裂功能层和下部抗疲劳功能层,并提出了两个层次的合理厚度。对于抗裂功能层,可选择骨架空隙结构和骨架密实结构以及减少混合料中结合料的用量,有效控制开裂的发生；对于抗疲劳功能层,可选择骨架密实结构以及采用较高的结合料用量,提高结构层的疲劳寿命。　　通过大量的理论分析及实验研究,确定了复合式基层耐久性沥青路面结构,并铺筑了试验路。通过试验路定点实测反算各结构层模量值,并进行力学反算,发现铺筑的复合式基层耐久性沥青路面应力、应变值均满足耐久性沥青路面设计要求,且较其他结构偏于安全。寿命周期费用分析结果表明,在40年～50年的设计寿命内,复合式基层耐久性路面经济效益非常可观。
作者：	平树江
专业：	道路与铁道工程
导师：	申爱琴
授予学位：	博士
授予学位单位：	长安大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文