耐久性沥青路面结构关键技术的研究基于层位分工理论

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义
在我国高速公路建设飞速发展的同时，沥青路面破坏现象十分严重，原因也相当复杂。但当以车辙、水损害等为代表的早期破坏现象频频出现于全国范围高速公路时，有理由认为目前全国通用的沥青混合料配合比设计方法已经无法满足现实的交通需求，以往的工程经验也难以有效地指导工程建设，更难以解决工程中出现的新的技术问题。经过调查分析，课题组认为我国沥青面层结构设计、材料设计存在的主要问题有：
（1）沥青路面结构层层位分工不明确
（2）材料设计方法不完善，与层位分工相脱节
（3）路面结构设计时未充分考虑新材料性能
（4）对粘结层认识不足
我国沥青路面结构设计以弹性层状理论为基础，设计规定的界面条件是连续的，即结构层之间应该是完全连续的一个整体。沥青路面的粘结状况对路用性能的影响也十分显著，但国内对粘层油种类及用量的选择、以及对粘层油作用的认识尚不统一。乳化沥青，改性乳化沥青、热喷 SBS 改性沥青及基质沥青均在不同的工程应用，粘层油用量也从越少越好到每平方米 2.4kg。粘层油的使用是否会导致沥青路面产生车辙也是普遍担心的问题之一。
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1.2 国内外研究现状
国内外关于地下道路的研究主要集中在三个方面：一方面是地下道路洞体本身结构设计和施工技术，主要涉及地下工程和岩土工程；一方面是地下道路自身的环境，包括地下道路通风和照明环境；另外一方面是关于地下道路系统规划、通行能力设计、交通组织设计、消防安全设计等。此外，国际上对地下道路运营期间的安全问题关注较多，大多是通过设置通风设施、监控设施解决火灾时及时通信问题或交通拥堵问题。20 世纪 30 年代，英国修筑了连续配筋混凝土（CRC）板上加铺铺沥青层的复合式路面结构，1957年在伦敦和丹地附近延长了试验路，1985年修筑了长达 8km（双车道）的路面结构[1]。1988年日本在某停车场做了以碾压混凝土（RCC）作为沥青混凝土下层使用的适应性研究，并将这种路面结构形式写进了 1990年 6月出版的《碾压混凝土路面技术指南（草案）》中，根据 1993年日本《铺装》杂志报导，在山阳高速公路西条至河内路段修筑了长 9km的水泥混凝土板（CC）+沥青混凝土（ 种结构隧道连续配筋混凝土与沥青混凝土复合式路面结构研究类型，路面以不同厚度的连续配筋混凝土(C 0cm 双层式沥青混凝土或 5cm 单层式沥青棍凝土[2]。英国关于 C 道路指示 29号》，这是目前唯一由国家机关颁布关于此类刚柔复合式路面的设计方法。
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第二章 基于层位分工的耐久性沥青路面结构分析

2.1 耐久性沥青路面结构设计标准及原则
2.1.1 耐久性沥青路面结构设计标准
耐久性沥青路面的定义:耐久性沥青路面设计年限为 30-50 年，路面结构在荷载的反复作用下不会在基层或者路基发生结构性损坏，损坏仅发生在沥青层顶部，只需在使用年限内周期更换损坏的表面即可。从耐久性沥青路面的定义可以看出，对于耐久性沥青路面的设计要满足以下 4 条标准
1、30 年以上的设计寿命达；
2、设计寿命期间只发生在表面功能层，不发生结构性破坏
3、只需进行日常养护，不需要进行结构性大修；
4、在寿命周期内最经济。
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2.1.2 耐久性沥青路面结构设计原则
基于层位分工的耐久性沥青路面的设计过程中要遵循 4 个原则。
1、材料的性能良好，耐久性沥青路面的面层材料首先应具有较高的强度和温度，水稳定性及抵抗大规模车辆荷载的重复作用引起的车辙，同时避免水损坏，确保行车的安全性。除此之外，耐久性路面结构对承重层材料的要求也很高，以确保结构层在使用寿命期内不发生疲劳破坏。
2、路基稳定性和承载能力良好，耐久性沥青路面要求具有均匀稳定的路基，同时较普通高速公路沥青路面而言，耐久性沥青路面应具有更高的承载能力，已达到其长期受荷的目的。
3、结构层要具有一定的厚度，路面结构层厚度一直是耐久性路面结构设计时所关心的问题。在我国已建高速公中的京津塘和广深高速公路由于参照国外高速公路的路面结构和混合料设计，沥青层较厚(大于 20cm)，自通车使用 10 多年来，使用情况相对国内其他高速公路要好得多，这也证明了厚度对耐久性沥青路面的重要性。
4、注意各结构层的功能性，以层位分工理论作为设计基本原则，充分考虑每一层的路用性能，完成对路面的结构设计。
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2.2 国内外耐久性沥青路面结构形式
日本耐久性路面简称 LSP，它的设计目标是拥有 2 倍于现行路面的使用性能，因功能破坏而维修的周期在 15 年以上。结构性寿命在 40- 60 年。在日本，认为可以实现耐久性的路面形式有以下几种路面结构，见表 2.1。从表 2.1 可以看出日本的耐久性路面结构组成特点：上面层统一采用 50 mm 低噪声面层，底基层也一般使用 300mm—400mm 的水泥稳定处理底基层，基层形式多样，可以由改性沥青Ⅱ型半刚性联结层+高强度水泥处理混合料或者大粒径改性Ⅱ型沥青混合料基层+沥青稳定处理上底基层等组成。可以看出美国的耐久性路面结构组成特点：上面层可采用 Superpave 沥青混合料，OGFC 或者 SMA，根据具体采用的形式决定厚度，多见 Superpave 沥青混合料 50mm，OGFC25mm，SMA50mm。中面层和下面层一般采用 Superpave 沥青混合料。值得注意的是，在很多结构中都有 50mm—100mm 的抗疲劳层。路面基层也以沥青粒料为主，也可以采用石灰稳定土、级配碎石等。
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第三章 基于力学的耐久性沥青路面结构设计方法........17
3.1 耐久性沥青路面最佳厚度的确定 .....18
3.1.1 柔性路面厚度计算......18
3.1.2 半刚性路面厚度计算.........23
3.2 耐久性沥青路面最佳模量的确定 .....29
3.3 本章小结 ....40
第四章 耐久性路面表面层混合料施工技术研究.....43
4.1 AK-13A 型沥青混合料的矿料级配范围.......43
4.2 AK-13A 改性沥青混合料配合比设计 ....44
4.3 本章小结 ....48
第五章 基于有限元的耐久性沥青路面结构优化方法....49
5.1 耐久性沥青路面结构优化的方法 .....49
5.2 基于 ANSYS 的路面结构优化设计实例分析 .....51
5.3 同现行路面结构设计方法的对比分析....57
5.4 本章小结 ....58

第五章 基于有限元的耐久性沥青路面结构优化方法

耐久性沥青路面是一种构成十分复杂的结构形式，它需要同时承受行驶车辆荷载和环境的共同作用。设计人员所推荐的路面结构方案除要满足一定路用性能要求外，还应力求做到工程建设费用最低。路面结构尤其是高速公路耐久性沥青路面结构设计时，需要输入设计参数例如各结构层厚度、模量等在一定的范围内可以任意取值，这样使得设计人员选择的路面结构方案很多。如何在众多的路面结构中选出最优设计方案，是一个十分困难的问题。因此，在路面结构的设计和选择过程中，很多公路设计人员往往凭借的是个人经验。随着经济技术的快速发展，有必要对路面结构设计方案进行优化选择，以使得公路的工程质量、服务性能和经济性达到和谐统一。为此，已有工程人员和学者提出了各种路面结构优化方法。例如，胡霞光等[3]利用均匀设计方法进行路面结构优化。该方法精度高简单，程序仿真计算取得了良好效果，但需要编写计算机程序，给工程人员带来不便。汪劭袆，黄文雄[4]使用遗传算法优化路面结构设计，遗传算法作为一种广泛使用的优化算法，具有较好的优化性能，但是也有容易陷入局部最优和收敛慢的缺点。许新权，俞竞伟基于模糊理论对路面结构给予评价，为路面结构的优选提供了模型和方法。但该方法较为复杂且需要较高的数学理论基础，在现实生产中难以推广应用。综述所述，当前缺乏一种简单实用的路面结构设计或优选方法。本文旨在利用目前使用十分普遍的有限元软件，给出一种简单路面结构优化方法。尤其是通过 ANSYS软件中的结构优化模块，以路面结构费用最低为目标函数，各结构层厚度、材料抗弯拉强度与抗压回弹模量为约束条件，构建了路面结构优化模型，从而实现了对路面结构结构的模拟、计算、优化，并通过工程实例进行仿真计算，结果表明了该方法的可行性和有效性。