沥青路面典型结构分析来了

咱们和贵州沥青路面施工小编一起来了解一下：

摘要：公路工程中，沥青路面的结构形式很多，本文针对半刚性基层、级配碎石基层、倒装结构以及全厚式沥青路面这几种典型的结构形式，总结了国内外工程中部分典型的结构组合，并分析了各自的优缺点、适用性以及受力特性。然后本文基于我国长寿命沥青路面的发展需要，基于有限元的方法，着重分析了倒装结构层的受力特点，总结了各层模量和厚度变化对力学计算指标的影响规律。提出了对我国长寿命沥青路面的思考，指出了我国倒装结构在理论上有实现长寿命的潜能和优势，但还需要大量工程实践的摸索和证明。

关键词：典型结构；倒装结构；有限元分析；长寿命沥青路面

1.引言

沥青路面是我国公路的主要形式，在国省道干线路面中占据了90%以上 。沥青路面的结构主要包括面层、基层和路基三部分，其中基层是主要的承重层，承受了从面层传递下来的垂直应力，并将其扩散到路基，同时基层一般也是拉应力的主要承受层，因此基层材料的特性对于沥青路面结构的刚度、强度、稳定性以及耐久性等性能至关重要，沥青路面结构的分类也主要是依据基层材料的类型来进行。在我国早期，由于“强基薄面”思想的影响，90%以上的高等级公路沥青路面都采用了半刚性基层结构，其基层和底基层都是由无机结合料稳定材料组成，这种结构具有很强的强度和刚度，但耐久性和稳定性却略显不足，因此我国的沥青路面很多都达不到路面要求的涉及年限 [2]。为了克服传统半刚性基层结构的缺陷，同时解决我国路面结构单一性的问题，近年来，我国对于柔性基层、倒装结构等其他类型的结构形式展开了大量的研究和实践，并与半刚性基层进行了对比，本文在此基础上总结现有的一些研究成果，并基于有限元的手段，对我国倒装结构的力学性能进行分析，总结对长寿命沥青路面结构形式的思考。

2. 沥青路面典型结构组合

2.1. 半刚性基层结构

半刚性基层在我国使用最为广泛，我国的高速公路大都采用了沥青面层 + 半刚性基层 + 半刚性底基层的结构。其中，沥青面层大都为14~18 cm，分3层铺筑，少数面层较薄，仅有9~12 cm，分为两层铺筑，而半刚性基层厚度一般为20~40 cm，通常采用强度较高的无机结合料稳定集料来进行铺筑，底基层厚度与其类似，但材料稍次，一般使用的是无机结合料稳定土。表1给出了我国部分采用半刚性基层的高等级公路的路面结构形式 。

半刚性基层结构中的面层是直接的荷载接触层，承受了较大的压应力和由于加减速、启动、制动等因素造成的水平剪应力，因此面层要有足够的抗车辙能力。而半刚性基层承受了从面层传递下来的压应力，同时层底承受了由于弯拉特性引起的拉应力，因此半刚性基层是结构中的主要承重层。单从受力角度而言，半刚性基层结构实际上是一种合理的结构形式，因为无机结合料稳定材料强度和模量较高，板体性强，与半刚性基层的受力特性适应性很好。但实际工程中，半刚性基层结构的使用效果往往并不理想，这实际上并不是因为半刚性基层的力学性能不足所导致的，而是因为无机结合料稳定材料本身的稳定性和耐久性不足，导致力学性能的衰减，进而引发的破坏。总的来说，半刚性基层结构具有如下的优缺点 ：

半刚性基层结构的优势：

1) 刚度和承载能力都较高，结构板体性强，抗变形能力强；

2) 造价低廉，方便就地取材，施工方便。

半刚性基层结构的缺陷：

1) 无机结合料稳定材料容易产生干缩和温缩开裂，进而引起沥青路面的反射裂缝；

2) 无机结合料稳定材料水稳定差，抗冲刷能力弱，容易产生唧浆等病害；

3) 由于开裂和水损害等因素的影响，半刚性基层的强度和刚度衰减严重，造成路面结构整体性能的下降；

4) 半刚性基层的疲劳开裂对轴载的敏感性很高，在我国超载严重的情况下，很难达到设计的使用寿命。

5) 半刚性基层压实后表面过密，喷洒透层油后渗透情况不佳，因此，半刚性基层与沥青面层间的粘结很难达到设计假定的完全连续的状态，容易产生脱空和开裂。

正是因为半刚性基层具有上述的缺陷，因此在实际使用过程中，务必要遏制裂缝和水损害的产生，才能发挥好半刚性基层结构良好的力学性能。实际工程中，可以考虑从材料设计、结构设计以及施工工艺等多方面进行改善：例如做好级配设计，选择骨架密实型结构；设置应力吸收的隔离层；做好施工过程中的养护和补水工作；做好排水和隔水措施，减少水分下渗入基层，避免动水冲刷等。如果难以做到对裂缝和动水冲刷的遏制，则半刚性基层往往难以发挥预期的使用效果，此时应考虑其他的结构形式。

2.2. 级配碎石基层结构

传统的半刚性基层结构由于缩裂特性和水损害，容易产生早期破坏，尤其是在东部区域的长江中下游平原、四川盆地和云贵高原等地区，道路早期损坏问题严重 。为了克服半刚性基层的缺陷，国内不少学者都把目光转向了柔性材料，例如沥青稳定碎石和级配碎石等。其中级配碎石可以作为路面结构的上基层，配以无机结合料稳定材料作为底基层，形成倒装结构，可以有效遏制反射裂缝的产生，也可以作为路面结构的底基层，配以无机结合料稳定材料或沥青稳定材料的上基层，可以有效减小路基不均匀沉降的影响，同时也具有隔水或排水的作用，当然也可以直接全部使用级配碎石材料，形成完全的级配碎石基层结构，不过这种结构抗变形能力较弱，实际承载能力并不高，因此在高等级公路中很少使用，但在等级较低的公路中，确有应用的实例。例如广西南宁三塘至五塘的二级公路，就使用了5 cm沥青碎石 + 27 cm级配碎石的结构，该公路实际服役的轴载累积作用次数远大于设计值，路用性能表现。

与半刚性基层沥青路面相比，级配碎石基层结构优势在于不再有反射裂缝的干扰，因此在轻交通荷载作用下，级配碎石基层结构往往能使用很长时间，其稳定性和耐久性要优于半刚性基层结构，在破坏之前表现出了很强的安定性 [6]，这也是柔性基层材料的共性。此外级配碎石基层结构还具有排水性能好、行车舒适度高的优势 [7]。但级配碎石终究属于无粘结材料，其力学强度的形成主要依赖于集料之间的嵌挤，因此级配碎石基层必须要有良好的级配设计，形成嵌挤结构才能发挥出力学性能。同时级配碎石结构还具有明显的应力依赖性，其强度和刚度依赖于侧限的围压应力，但实际工程中，能提供的围压是有限的，因此级配碎石结构的强度和模量终究不能与有粘结材料相比，而且级配碎石结构不能承受拉应力，不具备板体性，这些是它的缺陷，导致纯级配碎石基层的路面结构无法在高等级公路中使用，只能应用于小交通荷载的较低等级公路中。此时，整个结构中，沥青层承受了主要的压应力、拉应力和剪应力，级配碎石层在结构上更多的是传递荷载的作用，将沥青层中的压应力传递到路基中，同时有一定的缓解路基差异性沉降的效果。

2.3. 倒装结构

倒装结构是指对基层的倒装，即在底基层使用刚度较高的无机结合料稳定材料，而在基层使用柔性的级配碎石或沥青稳定材料的结构。表2给出了国内外部分典型的倒装结构的路面结构形式 ：

可以发现，对于倒装结构中的柔性材料，国外主要使用的是沥青稳定材料，而国内更偏向于级配碎石材料。这与两者沥青路面发展历史的差异有关，国外大都以柔性路面为主，以沥青混合料层为主要受力层，对无机结合料稳定材料使用较少，即便在倒装结构中有所涉及，但总的来说厚度较薄，并不能在承担荷载方面发挥很大作用。而我国一直以半刚性基层沥青路面为主，虽然引入了倒装结构，但也并不愿放弃半刚性层高刚度和高强度的优势，因此，其厚度相对更厚，能承担一定的荷载，而基层便可以相对国外进行一定的削弱，使用级配碎石材料或者是级配碎石与ATB的组合。

目前来看，倒装结构在我国南方多雨地区使用较多，因为在这些地区半刚性基层损害比较严重，需要引入级配碎石层进行改善。总的来说，在我国引入这种倒装结构具有如下的优势 ：

1) 级配碎石属于散粒结构，具有一定的抗压强度，但不能传递拉应力和拉应变，因此，级配碎石层可以很好地吸收半刚性层开裂释放的应变能，能够反射裂缝的产生。

2) 级配碎石层在中间能起到隔离层的作用，使下方的半刚性层受温度湿度变化影响小，减少了环境因素变化引起的开裂。

3) 级配碎石层具有很好的排水效果，避免了水分在基层集聚，从而引起的冲刷现象。

4) 由于下卧层半刚性层的刚度较大，有利于级配碎石层充分碾压获得较高的密实度，同时较高的下卧层刚度也有利于发挥级配碎石非线性的受力特性，即围压越大，模量越高。

当然这种倒装结构也存在着自身的缺陷 [10]：因为级配碎石层对设计和施工的要求很高，它要求有的级配组成和良好的压实质量，才能形成密实的嵌挤结构，才能发挥出其非线性的受力特性，形成较高的模量。另外，倒装结构从根本上改变了原本半刚性基层结构的受力分布：原本半刚性层与沥青层直接接触，完全连续，半刚性层模量很大，相当于对沥青层底有约束作用，因此沥青层层底一般不会产生拉应力，但由于级配碎石的引入，相当于在两者之间加入了软弱夹层，沥青层层底的约束作用大大减弱，由此产生了弯拉应力，导致沥青层成为了荷载的重要承担层，而半刚性层承受的弯拉应力大大降低，级配碎石层厚度越大，这种现象越明显。因此，级配碎石的引入实质上会导致原本半刚性基层中的弯拉应力转嫁到了沥青层，沥青层负担加重，所以我国在引入级配碎石基层后一般都需要对沥青层进行加厚，例如表2中福建省便同时加入了ATB层，为的便是加强沥青层的承载能力。需要指出的是级配碎石层的引入会增大路面变形量，同时过厚的级配碎石层也不利于发挥半刚性层的承载能力，所以实际工程中级配碎石层厚度有限，当然也不能过薄，过薄不利于反射裂缝的吸收，所以实践中级配碎石的厚度一般为10~20 cm [11]。

2.4. 全厚式沥青路面

全厚式沥青路面在国外使用较多，是美国、德国、法国等国高等级公路的主要结构形式，其中全厚式的沥青层一般由沥青混合料面层 + 沥青稳定材料基层构成，整体的厚度法国一般为23~47 cm，德国一般为22~34 cm，美国实际使用一般为18~50 cm [12]。在2002年，AASHTO指南中，也给出了推荐厚度，对于12~100百万标准轴次对应的沥青层厚度一般取29~43 cm [13]。但值得一提的是，在不同，全厚式沥青路面的概念有所差别，美国的全厚式沥青路面被严格定义为路基之上只有沥青材料，如果加铺了无机结合料稳定层或者粒料层就都不属于全厚式沥青路面，其中加铺粒料底基层的结构被称为高强度厚沥青层路面。但在法国，全厚式沥青路面一般要求设置一定厚度的无机结合料处置层或者粒料层，德国也要求需要设置一定厚度的粒料层，相当于美国的高强度厚沥青路面结构。

但无论有没有加铺无机结合料稳定层或者粒料层，其路面结构的受力原理都是一致的，即利用沥青层作为主要甚至全部的承重层，承担压应力、剪应力和拉应力，这就要求沥青层具有较高的厚度。沥青层越厚，层底的拉应变便会越小，如果沥青层的厚度超过某一阈值，以至于沥青层底的拉应变小于材料的疲劳极限，那么理论上沥青层便永远不会发生弯拉形式的疲劳破坏，也就不会产生down-top类型的贯穿结构层的裂缝。当然，由于路表水平拉应变、沥青老化以及温度应力等原因，沥青层往往会产生一定量的top-down类型的裂缝 [14]，但这种裂缝一般局限于路表，只需要进行及时的罩面修复，便不会扩展到整个结构层，形成结构性损坏 [15]。因此，全厚式沥青路面只要沥青层厚度足够，理论上来说可以通过及时的养护维修实现长期甚至的使用，这是全厚式沥青路面优势，也正是因为如此，全厚式沥青路面成为了国外长寿命沥青路面或沥青路面的主流。

需要指出的是，并不是柔性的全厚式沥青路面车辙变形就一定比半刚性基层沥青路面大，因为在半刚性基层结构中，由于下卧层刚度过大，导致沥青层的剪应力会很高，而在全厚式沥青路面中，由于面层和基层模量相近，变形协调更好，此时其剪应力相对于半刚性基层结构会更小，相应的由于侧向流动引起的车辙变形也会减小，因此没必要对全厚式沥青路面的车辙变形量过分担忧 。

3. 倒装结构的力学分析

实际工程中，路基路面的结构形式很多，本文在第一节中节选了四种比较典型的结构形式，但在这四种结构中，半刚性基层路面一直饱受早期开裂的干扰，而级配碎石沥青路面难以满足高等级道路的要求，只有倒装结构和全厚式沥青路面，无论是力学表现还是长期使用性能，都能保持良好且稳定，符合当前长寿命沥青路面建设的需要。不过在我国，由于历史和成本等因素的影响，无机结合料稳定材料仍然在路面结构中被广泛保留，因此全厚式沥青路面在我国使用较少，而倒装结构现在反而使用较多。因此，在本节中，也将主要针对倒装结构进行力学分析，另外，本文所采用的力学计算方法主要是基于ABAQUS的有限元法。

3.1. 初始模型参数

路面结构设计过程中的力学计算一般基于的是弹性层状体系理论，并采用标准的双圆形荷载，所选取的计算面是双圆荷载横向对称轴所在面，因为设计过程中需要计算的力学指标都是在该面达到。这里，值得一提的是，由于对称性，该面上任意一点在垂直于该面方向上的位移为零，应变很小，与平面应变状态接近，因此，可以将实际的三维模型简化成平面应变模型。当然，由于车辆荷载与路表的接触面并不是长条形结构，因此这样的简化会造成力学响应计算结果偏大，与实际设计不符，但本文主要是定性分析路面结构参数变化对力学响应变化的影响规律，不要求对实际荷载作用下结构力学响应的量值进行计算，因此，这样的简化是可以接受的。

另外，路面结构设计中，使用双圆形荷载更多的是为了方便使用弹性层状体系理论进行计算，但实际上，由于轮胎扁平化的发展趋势，当今汽车轮胎与路表的接触面更接近于矩形，因此，在有限元分析中，如果采用平面应变模型，一般会使用标准的双矩形荷载，如图1所示，为了与双圆形荷载等效，一般取19.2 cm，此时两者面积相等，标准轴载下的接触压力一致 。

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