混合式基层沥青路面结构的设计分析

□文/李海波 魏如喜

□魏如喜/天津市市政工程研究院。

混合式基层沥青路面结构的设计分析

□文/李海波 魏如喜

文章采用公路沥青路面结构设计软件分别对一种常用的半刚性基层沥青路面和两种混合式基层沥青路面共3种路面结构进行设计计算对比分析并得出结论。

半刚性基层；混合式基层；沥青路面；结构设计

我国重点发展柔性基层和混合式基层沥青路面。在柔性基层的使用上，沥青稳定碎石性能最优，但造价较高（仅次于沥青混合料），因此一般用于增加沥青面层厚度时作为底面层使用；级配碎石则由于造价较低、性能较优常被用于沥青面层与半刚性基层之间的过渡层使用。本文结合国内外沥青路面结构发展趋势，将重点讨论使用沥青稳定碎石和级配碎石柔性基层的混合式基层沥青路面结构。

1 不同沥青路面结构设计计算与分析

沥青路面结构设计中，一般根据交通量大小、当地的气候条件选择几种不同路面结构层厚度组成并拟定某一结构层为设计层，通过计算软件进行计算。然后，根据规范推荐的或通过试验确定的各结构层材料力学参数，利用计算软件进行设计和验算。为便于对比分析，按照天津地区多年来常用的高等级沥青路面结构层厚度，本文列入了一种常用的半刚性基层沥青路面和两种混合式基层沥青路面共3种路面结构，见表1。

表1 不同路面组成结构

1.1 半刚性基层沥青路面结构设计计算

根据路面结构设计计算程序，以水泥稳定碎石结构为计算层，对不同交通量下路面结构水泥稳定碎石基层厚度进行计算的结果分别见表2、表3及表4。考虑到验算半刚性基层层底拉应力时累计交通轴载计算系数的差异，在进行结构层层底拉应力验算时交通量按弯沉设计时交通量的1.5倍取值。

表2 按弯沉设计计算结果

表3 路面结构层层底拉应力验算计算结果 MPa

表4 按层底拉应力设计计算结果

由表2-表4可知：

1）当以水泥稳定碎石基层为计算层时，计算层厚度随着交通量的增长而增大；

2）以弯沉为设计指标确定计算层厚度后，在进行半刚性基层或底基层层底拉应力验算时，表2中各路面结构的石灰粉煤灰土底基层层底拉应力均不满足允许拉应力要求，需要增加该结构层厚度或水泥稳定碎石结构层厚度，才能使其层底拉应力满足设计要求；

3）当按路面结构层层底拉应力设计计算水泥稳定碎石基层的厚度时，水泥稳定碎石基层厚度较厚（较按弯沉设计时厚13.3～21.8cm），已经超出经验厚度许多，路面结构变得不经济。

1.2 混合式基层1沥青路面结构设计计算

混合式基层1沥青路面结构采用以沥青稳定碎石替代半刚性基层的水泥稳定碎石上基层，下基层和底基层均采用水泥稳定碎石，其他结构层不变的结构形式。为便于比较，设计计算时采用混合式沥青路面结构计算模式，仍以水泥稳定碎石结构层为设计计算结构层，设计及计算结果见表5和表6。

表5 混合式基层1沥青路面按弯沉设计计算结果

表6 混合式基层1沥青路面按层底拉应力设计计算结果

由表5和表6可知，在不同交通量条件下，按各结构层层底允许拉应力进行设计计算时的水泥稳定碎石基层厚度均明显大于按设计弯沉进行设计计算的结果。一方面，由于是混合式结构，路面结构类型系数Ab值（路面结构类型系数，半刚性基层沥青路面为1.0，柔性基层沥青路面为1.6，混合式沥青路面则通过内插确定）变大，而导致设计弯沉值变大，从而不需要更大结构整体刚度；另一方面，采用设计弯沉进行设计计算时，沥青稳定碎石的抗压回弹模量并未比水泥稳定碎石小，从而使按设计弯沉进行设计计算的水泥稳定碎石结构层厚度不需要很厚就能满足设计弯沉要求。

对于上基层采用沥青稳定碎石的混合式沥青路面结构，虽然按各结构层层底允许拉应力设计计算的水泥稳定碎石基层厚度均明显大于按设计弯沉设计计算的结果，但与天津地区典型半刚性基层沥青路面结构相比，结构层总厚度依然小了23.0～24.3cm，相当于省去了一个结构层还要多一些。

对于上基层采用沥青稳定碎石的混合式沥青路面结构，在不同累计标准轴载作用下各结构层材料的应力情况见表7。显然，这种上基层采用柔性基层的路面结构，应力计算时仍以其柔性基层下面的半刚性底基层的层底拉应力控制设计结构层厚度；但是，从沥青结构层的各层层底拉应力结果来看，沥青层特别是层位较低的沥青层，虽然仍然处于受压状态，但其绝对值已经很小，一旦其下的水泥稳定碎石结构层发生开裂或是层间结合不当，都可能使沥青稳定碎石结构层承受拉应力作用。

表7 混合式基层1沥青路面结构层层底拉应力 MPa

续表7

当水泥稳定碎石出现很多横向开裂时，水泥稳定碎石虽然不再能承受抗拉应力的作用，但其抗压强度还在。此时，假定水泥稳定碎石结构层不存在弯拉模量，继续使用抗压回弹模量对路面结构层在不同交通荷载作用下的应力进行计算，计算结果见表8。

表8 混合式基层1沥青路面水泥稳定碎石开裂时路面结构层层底拉应力 MPa

由表8可知，在水泥稳定碎石失去抗拉能力后，由于其板体的抗压能力没有丧失，在行车荷载作用下，沥青稳定碎石层底产生的拉应力很小，仅是其设计交通量时的允许拉应力的1/8左右，显然，很难威胁到沥青稳定碎石发生疲劳破坏，即此种沥青路面结构将会有很长的使用寿命。

1.3 混合式基层2沥青路面结构设计计算

级配碎石是一种施工简便、透水性好、易于重复使用的路面结构层，常用几种粒径不同的碎石和石屑掺配拌制而成，适用于各级公路的基层和底基层，常被用于沥青面层与半刚性基层之间的过渡层。为便于比较，将沥青稳定碎石基层直接替换为级配碎石结构层形成混合式基层2沥青路面结构。同样以水泥稳定碎石结构层为设计计算结构层，采用混合式沥青路面结构计算模式进行设计计算，结果见表9和表10。

表9 混合式基层2沥青路面按弯沉设计计算结果

表10 混合式基层2沥青路面按层底拉应力设计计算结果

由于级配碎石结构层的抗压回弹模量值较沥青稳定碎石低很多，按设计弯沉计算的水泥稳定碎石结构层厚度较采用同厚度沥青稳定碎石时厚6.6～9.2cm（总厚度也差6.6～9.2cm）；并体现出设计交通量越大，两种结果下的水泥稳定碎石层厚度相差越大的趋势。进一步比较按半刚性基层层底拉应力设计的计算结果发现，采用相同厚的级配碎石过渡层时，水泥稳定碎石结构层厚度仅较采用沥青稳定碎石上基层时厚约4cm且几乎不受交通量水平影响。

计算各结构层层底拉应力结果见表11，采用级配碎石上基层的混合式沥青路面结构其水泥稳定碎石结构层的厚度取决于该种材料的允许拉应力；而沥青中底面层层底已出现受拉状态，特别是沥青底面层已出现较大的拉应力。

表11 混合式基层2沥青路面结构层层底拉应力 MPa

在累计标准轴载取6000万次，对表10中路面结构进一步变化水泥稳定碎石基层厚度及沥青底面层厚度分别计算沥青底面层和水泥稳定碎石基层层底拉应力变化情况见表12和表13。

表12 水泥稳定碎石基层厚度与沥青底面层及水泥稳定碎石基层层底拉应力的关系

表13 沥青底面层厚度与沥青底面层及水泥稳定碎石基层层底拉应力的关系

计算结果表明，对于表1中的上基层为级配碎石的混合式沥青路面结构，当增加水泥稳定碎石基层厚度时，对其上沥青面层层底拉应力几乎没有影响，仅能保证水泥稳定碎石底基层层底拉应力逐渐减小，从而使水泥稳定碎石耐久性提高。当采用增加沥青底面层厚度的措施时发现，增加沥青底面层厚度，不仅可明显降低沥青底面层层底拉应力，同时也较明显的降低了水泥稳定碎石底基层的层底拉应力，但是，并不是沥青底面层厚度越厚越好，而是有一定的限度，当沥青底面层厚度增加到25cm以后，沥青底面层和水泥稳定碎石下基层的层底拉应力都将降低的幅度减小，此时路面结构将变得不经济。

2 结论

1）按路面各结构层层底拉应力进行半刚性基层沥青路面结构设计时，半刚性底基层的层底拉应力很难满足允许拉应力要求，按经验厚度设计的半刚性基层沥青路面结构易于发生疲劳破坏。

2）当采用上基层为沥青稳定碎石或级配碎石等混合式沥青路面结构时，按路面各结构层层底拉应力进行路面结构设计时，柔性基层下面的半刚性底基层的层底允许拉应力控制设计结构层厚度。

3）当采用上基层为沥青稳定碎石的混合式沥青路面结构，按路面各结构层层底拉应力进行路面结构设计时，即使沥青稳定碎石基层下面的半刚性基层或底基层发生疲劳破坏，也很难威胁到沥青稳定碎石，即此种沥青路面结构将会有很长的使用寿命。

4）当上基层采用级配碎石的混合式沥青路面结构，按路面各结构层层底拉应力进行路面结构设计时，虽然级配碎石的抗压回弹模量较沥青稳定碎石小很多，但其分散荷载能力强，下面的水泥稳定碎石结构层厚度并不需要很厚且几乎不受交通量水平影响。

5）对于上基层采用级配碎石的混合式沥青路面结构，增加半刚性基层厚度，对沥青面层层底拉应力几乎没有影响，仅能保证水泥稳定碎石下基层层底拉应力逐渐减小；当增加沥青面层厚度时，不仅可明显降低沥青面层层底拉应力，同时也较明显的降低了半刚性底基层的层底拉应力，但是，并不是沥青底面层厚度越厚越好，而是有一定的限度，当沥青底面层厚度增加到25cm以后，沥青面层和半刚性底基层的层底拉应力降低的幅度都将减小，此时路面结构将变得不经济。

[1]沈金安.国外沥青路面设计方法总汇[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]JTGD50—2006，公路沥青路面设计规范[S].

U414

C

1008-3197（2011）04-34-04

2011-04-22

李海波/男，高级工程师，天津市高速公路集团有限公司，从事工程技术管理工作。

□魏如喜/天津市市政工程研究院。