河北工业大学硕士学位论文大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构合理性分析姓名：许爱丽申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：魏连雨20071101河北工业大学硕士学位论文 i 大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构合理性分析大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构合理性分析 摘摘 要要 大粒径沥青稳定碎石基层不同于半刚性基层，具有较高的强度、刚度和优良的抗疲劳特性， 能够有效的抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生， 具有良好的路用性能和经济效益。大粒径沥青碎石基层在国外得到了广泛的应用，在国内很少使用，相关的研究刚刚起步。 本文通过对天津市代表公路交通量和轴载的调查，分析了九园公路和杨北公路的交通状况； 并采用 ANSYS 有限元分析软件建立道路实体结构模型， 分析不同路面结构参数 （面层弹性模量、面层厚度、基层弹性模量、基层厚度、旧路模量）变化时对路面结构力学响应的影响；并分析了大粒径沥青稳定碎石基层与旧路面之间的接触和超载问题，对道路结构的力学性能的影响。另外，针对九园公路和杨北公路的具体状况，提出七种典型的沥青路面结构，进行力学模拟分析，并进行全寿命周期经济分析。研究表明，采用合理的大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构，不仅可以得到较好的使用性能，还可以收到较好的经济效益。 关键词：关键词：大粒径沥青稳定碎石，路面结构，有限元，寿命周期经济分析 大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构合理性分析 ii ANALYSIS ON THE RATIONALITY OF ASPHALT PAVEMENT WITH ATB(ASPHALT TREATED BASE) ABSTRACT ATB ( Asphalt Treaded Base ) is different from Semi rigid Base that it has relative high strength、Stiffness and good Anti-fatigue performance and better economic benefits. It can effectively restrain and reduce the produce of reflection cracks. ATB has been widely applied abroad, but rarely in our country. Its just a start to research into ATB . With the investigation of traffic volume and Axis Load about representative road in tianjin, The paper make a analysis of traffic condition about jiuyuan road and yangbei road. It made a 3D solid model with ANSYS software, and computed response of pavement structure with different Pavement Structure Parameter (Face-layer Elastic Modulus、Face-layer thickness、Base Elastic Modulus、Base thickness、Elastic Modulus of old road).It make analysis of Contact Problems which between Asphalt Treated Base and old pavement and of overloading. In view of the specific status of jiuyuan road and yangbei road, it presented seven Asphalt Pavement Typical Structure, and make mechanics analysis and make Life Cycle Cost Analysis. Summary from research, the Rational Pavement Structure with ATB can improve the Performance of Road, and further get better economic benefits. KEY WORDS: asphalt treaded base, pavement structure, ansys, life cycle cost analysis 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1-1 问题的提出及研究意义问题的提出及研究意义 1-1-1 问题的提出问题的提出 进入 20 世纪 80 年代以来，随着我国经济的迅速发展，高等级公路的里程不断增加。为适应高等级公路交通流量大和重型车辆多的特点， 以无机结合料稳定粒料类为基层的半刚性基层沥青路面被大量应用于高等级公路。据统计，我国 90%以上的高等级公路沥青路面的基层和底基层均采用了这种半刚性材料。半刚性基层除具有一定的强度、刚度和整体性外，还具有较好的水稳性和抗冻性，而且可供应的材料种类多，早期强度高，有利于加快施工进度，使用过程中弹性变形较小，使用年限长，承载力高。然而，近年来，此类结构在使用中常出现基层反射裂缝、坑槽下沉等病害。 现场钻芯取样观察表明，裂缝大多为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝1，比例超过15%。大量反射裂缝在水的浸泡以及行车荷载的冲刷破坏下，由线性破坏迅速发展为网状开裂，直至结构性破坏。 特别是最近几年， 交通量大增， 超载现象日益严重， 更加暴露了半刚性基层路面的这种缺点。国内已建成的高速公路使用调查表明， 半刚性基层路面裂缝问题日益突出， 并已成为该结构的主要缺陷。不论是南方还是北方，通车后一年最迟第二年均有裂缝产生。初期产生的裂缝对行车并无明显影响，但随着表面雨水或雪水的侵入，在大量行车荷载反复作用下，会导致路面强度明显下降，产生冲刷和唧泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，从而加速了沥青路面的破坏，影响了沥青路面的使用性能。 一直以来国内外的学者尝试着采用各种方法解决半刚性基层路面的这种病害，比如采用塑料隔栅、在半刚性基层上面铺筑应力吸收层(SAMI、集配碎石夹层) 、增加沥青层的厚度等，但是这些方法仅仅延缓或者抑制反射裂缝的发展，没有根本消除反射裂缝。故此，急需寻求一种其它的基层材料来克服半刚性基层的缺点，以提高沥青路面的使用品质。而以刚度相对较小的柔性材料作为沥青路面的基层，可以吸收部分层底拉应力，大大减少路面开裂的可能性，解决沥青路面的反射裂缝问题。 大粒径沥青稳定碎石混合料2是近年来兴起的一种性能优良的沥青混合料， 它一般指矿料的最大粒径在 2563mm之间的热拌热铺沥青混合料。国内外的研究和实践证明，大粒径沥青稳定碎石混合料具有以下优点： 级配良好的沥青稳定碎石混合料可以抵抗较大的塑性和剪切变形， 承受重载交通的作用，具有较好的抗车辙能力，提高了沥青路面的高温稳定性；集料的增多和矿粉用量的减少，使得在不减少沥青膜厚度的前提下，减少了沥青总用量，从而降低了工程造价；可一次性摊铺较大的厚度，缩短了工期；沥青层内部储温能力高，热量不易散失，利于寒冷季节施工，延长施工期。对于目前交通中存在的重车多，车辙比较严重的情况，有较好的应用前景。 大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构合理性分析 2 1-1-2 研究意义研究意义 随着公路施工技术水平发展和旧路改造范围的扩大， 大粒径沥青稳定碎石柔性基层成为人们的研究热点。大粒径沥青稳定碎石基层在我国研究起步较晚，但已成为众多国家的公路典型基层结构类型。大粒径沥青稳定碎石基层属柔性结构层材料； 与传统的用于面层的沥青混凝土相比， 它是针对于基层用的，粒径偏大，级配偏粗，沥青用量偏少，对原材料的要求相对于面层要低；与半刚性基层相比，大粒径沥青稳定碎石基层刚度相对较小，具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性，不易产生收缩裂缝和水损坏，同沥青面层一起构成全厚式沥青路面（厚度在 20cm 以上） ，从而使得整个沥青面层具有修筑时间短、路面结构均匀、受水与冰冻影响较小、维修费用低、路面材料能够全部被重复利用和使用寿命被延长等优点。 采用大粒径沥青稳定碎石基层的沥青路面将具有半刚性基层沥青路面所不具备的许多优越性， 主要有： （1）具有大粒径沥青稳定碎石基层的沥青路面，由于面层和基层材料结构的相似性，路面结构受力、变形更为协调。 （2）设计优良的大粒径沥青稳定碎石混合料能保证一定的空隙率，使水分顺畅地通过基层排出，不会滞留在路面结构中造成路面的水稳性破坏。 （3）大粒径沥青稳定碎石混合料对于水分的变化不敏感，受水和冰冻影响较小，不会因为干缩裂缝而导致面层出现反射裂缝。 （4）大粒径沥青稳定碎石基层同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，从而使得整个沥青面层的修筑时间减少。 综上所述， 大粒径沥青稳定碎石基层有着良好的发展和应用前景。 这种基层类型的路面结构在国外已得到广泛的应用，而国内关于这方面的研究才刚刚起步。鉴于此，深入系统地研究大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面设计方法、力学性能的研究，对于避免沥青路面过早开裂，减轻沥青路面的车辙、剪切等病害，延长沥青路面的使用寿命，提高沥青路面的使用质量，节约工程费用等，都具有十分重要的经济和社会意义。 1-2 国内外研究概况国内外研究概况 1-2-1 国外研究概况国外研究概况 英国早在 40-60 年代就铺筑了几条试验路，以检验不同类型与厚度的基层的使用性能3。基层分别采用贫混凝土基层、水泥稳定土基层、水泥稳定碎石基层、级配碎石、湿拌碎石基层、渣油碎石基层和大粒径沥青稳定碎石基层。 通过对试验路几十年的变形和开裂观测以及各项试验研究表明： 大粒径沥青稳定碎石基层表现出较其他类型基层更好的使用性能和经济效益。 因此， 大粒径沥青稳定碎石基层随后河北工业大学硕士学位论文 3 成为英国使用最广泛的基层类型。 英国常用的沥青稳定碎石混合料有：DBM(密级配沥青稳定碎石（ATB）混合料)、HRA(热拌热铺沥青混凝土)、 DTM(密级配煤沥青稳定碎石 （ATB） 混合料)、 DBM50(使用针入度为 50 的沥青)、 HDM(多碎石沥青混合料)。 近年来美国致力于永久沥青路面(Perpetual Pavement)或者长寿命沥青路面(Long-lasting Asphalt Pavement) 4,5,6,7的研究。长寿命沥青路面并不是什么新思想，早在 60 年代，美国就铺筑了全厚式沥青路面(Full-depth Pavement)和高强度沥青路面(Deep-strength Pavement)8,9。全厚式沥青路面，是直接在土基上或改良后的土基上铺设单层或多层沥青混凝土； 而高强度沥青路面是在粒料基层上铺设沥青混凝土层。 长寿命沥青路面在美国得到迅速的认可。在 2001 年的交通运输研究委员会年会(Transportation Research Board Annual Meeting)上，探讨了它的设计思想。长寿命沥青路面的定义是：设计和建造寿命达 50 年甚至更长时间的沥青路面，路面的破坏只出现在表面层。因此在寿命周期内，不需要对主要结构层进行修复和重建，只需定期更换表面层。 美国的规范对大粒径沥青稳定碎石基层的设计方法和施工技术有详细的阐述。 除美、 英之外， 德国、日本、法国等也都广泛采用沥青稳定基层。表 1.1 中列出部分国家所采用的大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构。 表 1.1 部分国家所采用的大粒径沥青稳定碎石基层沥青路面结构 Table 1.1 ATB asphalt pavement structure used by some count