基于长寿命试验段的路面结构与性能预测研究_朱美蓝.pdf
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1、收稿日期:2023-01-16作者简介:朱美蓝,女,工程师,硕士,主要从事路面设计与研究工作。引文格式:朱美蓝,毕可为,于海臣,等.基于长寿命试验段的路面结构与性能预测研究 J.市政技术,2023,41(5):58-65.(ZHU M L,BI KW,YU H C,et al.Research on pavement structure and performance prediction based on the long-life test section J.Journal of municipaltechnology,2023,41(5):58-65.)文章编号:1009-7767(2
2、023)05-0058-08第41卷第5期2023年5月Vol.41,No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.058Journal of Municipal Technology基于长寿命试验段的路面结构与性能预测研究朱美蓝1*,毕可为2,于海臣1,3,4,刘晓姗1,乔文耀5(1.北京国道通公路设计研究院股份有限公司,北京 100073;2.北京市交通基础设施建设项目管理中心,北京 100053;3.北京市政路桥股份有限公司,北京 100045;4.北京建工集团有限责任公司,北京 100055;5.北京城建道桥建设集团有限公司,北京 10002
3、2)摘要:随着我国沥青路面技术的发展,对沥青路面结构及其性能变化的研究也在逐步深入,其中长寿命沥青路面已被大量证明可有效提高路面的使用性能和寿命。基于现有长寿命路面设计理论和性能预测方法等相关理论,以北京市华西路为例,进行了不同路面结构的力学和性能分析,验证了路面结构对路面性能和病害发展的影响,并根据实际检测数据拟合得到了华西路路面性能指数预测模型,检验了 PCI、RQI 等相关指标的精度,得到了在类似的交通和环境条件下,半刚性基层长寿命路面结构具有更好的路面性能,更适于荷载较大的路面设计的结论。相关分析和结论可为沥青路面结构性能研究和路面养护规划提供参考和借鉴。关键词:长寿命沥青路面;路面结
4、构;性能分析;预测模型中图分类号:U 416.2文献标志码:AResearch on Pavement Structure and Performance Prediction Basedon the Long-life Test SectionZhu Meilan1*,Bi Kewei2,Yu Haichen1,3,4,Liu Xiaoshan1,Qiao Wenyao5(1.Beijing Guodaotong Highway Design&Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100073,China;2.Beijing Transport Infras
5、tructureConstruction Project Management Center,Beijing 100053,China;3.Beijing Municipal Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100045,China;4.Beijing Construction Engineering Group Co.,Ltd.,Beijing 100055,China;5.Beijing Urban Construction Road&Bridge Group Co.,Ltd.,Beijing 100022,China)Abstract:With th
6、e development of asphalt pavement technology in China,research on asphalt pavement structureand performance change has been also gradually deep-going.Long-life asphalt pavement has been widely proved toeffectively improve the performance and service life of pavement.Based on existing theories such a
7、s long-life pave鄄ment design and performance prediction methods,taking Huaxi Road in Beijing as an example,mechanical analysisand performance analysis of different pavement structures were conducted to verify the impact of pavement structureson pavement performance and disease.A prediction model for
8、 Huaxi Road pavement performance index was ob鄄tained by fitting actual test data to test the accuracy of PCI,RQI and other related indicators.The conclusion isdrawn that the semi rigid base long-life pavement structure has better pavement performance and is more suitable forroad design with heavy lo
9、ads under similar traffic and environmental conditions.The relevant analysis and conclu鄄sions can provide reference and guidance for the study of asphalt pavement structural performance and pavementmaintenance planning.Keywords:long-life asphalt pavement;pavement structure;performance analysis;predi
10、ction model第5期近20年来,我国沥青路面技术发展迅速,成果显著,路面使用性能和使用寿命均不断提高,但对标发达国家,依然存在设计寿命短、维修养护频繁等问题。根据相关调查显示,我国高速公路大中修年限60%为1012年,17%为68年。路面设计寿命和使用寿命不足是目前我国交通基础设施行业技术发展的主要短板。沥青路面作为我国公路路面的主要类型,其结构设计和病害分析一直是研究和实践的重点。近年来,为了进一步提高沥青路面的质量和服务水平,我国进行了大量与之相关的新技术、新材料的研究、引进和验证工作。其中,长寿命沥青路面技术已被证明是提高路面质量的有效途径,并成为我国沥青路面研究的重点方向。20
11、00年,我国引入长寿命沥青路面技术,至今仍处于不断积累数据和总结经验的阶段,距离形成成熟的技术体系和广泛应用还有较长的路要走,因此总结相关工程的实际经验并分析其性能数据,对未来研究和发展相关技术至关重要。1长寿命沥青路面设计理论1.1长寿命沥青路面理念20世纪末,欧美国家的道路工作者提出了长寿命沥青路面的概念。经过不断发展,长寿命沥青路面理念可表述为:通过采用较厚的沥青层,可有效减少传统的沥青层开裂,避免发生结构性车辙,使沥青路面的设计寿命达到4050年或更长。在使用年限内,长寿命沥青路面的损坏仅发生于路面顶部(25100 mm)区域,不产生结构性破坏,因此只需对沥青路面定期进行表面铣刨、罩面
12、修复或加铺即可。目前,对于长寿命沥青路面的设计使用寿命,国内外均无统一标准,多数地区定为3050年。长寿命沥青路面的设计是以较大的初始投资来换取路面长期的优良性能,同时也降低了养护成本、提高了运营收益、减少了环境污染,实践证明是道路寿命周期内经济效益最优的设计方案1。1.2设计原则和力学指标长寿命沥青路面技术在结构设计方面应遵循以下5个基本原则。1)良好的路基稳定性:在设计和施工中,应尽可能地提高路基的承载能力,为路面结构层提供长期稳定的支撑。2)合理的路面结构设计:综合考虑路面各结构层的功能设计和材料组合,充分发挥其整体性能。例如,在力学验算和功能分析的基础上,表面层应满足抗车辙、抗裂、抗磨
13、耗、稳定性、密实性、抗滑性等性能要求;中面层以抵抗剪切变形为主,可采用高模量沥青混合料或硬质沥青来提高结构层性能;下面层以抵抗疲劳为主,同时考虑抗裂性能;注重加强各结构层之间的连接,提升路面的整体性。3)优良的材料性能:良好的材料性能是路面结构发挥作用的基础保障。长寿命沥青路面结构对材料要求较高,各结构层都应确保具有足够的性能储备,以使其在较长的设计寿命内不发生疲劳破坏。4)一定的结构层厚度:根据长寿命沥青路面理念可知,只有路面结构层底的拉应力不超过材料限值,才能保证整个路面结构不发生疲劳破坏,而采用足够厚度的沥青面层是控制其层底弯拉应力的重要途径。根据国内外经验,一般长寿命沥青路面的沥青层厚
14、度应大于180 mm。5)良好的路面排水:水损坏是路面破坏的主要原因之一。设计长寿命沥青路面结构时,一定要充分考虑排水和较高地下水位地区的防隔水设计,以避免路面结构发生水损坏。因此,参考国内外不同地区的长寿命路面设计指标和标准,并结合我国实际,笔者采用了沥青混合料层底弯拉应变、路基顶面垂直应变、沥青混合料层内剪切应力和半刚性基层层底弯拉应力等指标,作为长寿命沥青路面综合设计和力学分析指标。1.3常见的路面结构组合我国现有的长寿命沥青路面结构根据基层类型可分为半刚性、柔性和组合式3种。其中,受长期以来强基薄面路面设计理念和设计规范的影响,我国的长寿命沥青路面结构以半刚性基层路面为主要类型2。1)
15、半刚性基层长寿命路面:在传统的半刚性基层沥青路面基础之上,主要通过增加沥青面层厚度、提高结构的抗开裂和抗车辙性能来降低早期路面损坏,实现其使用寿命的提升。2)柔性基层长寿命路面:采用沥青稳定碎石或级配碎石作为柔性基层,是按照长寿命理念设计的沥青路面结构。3)组合式基层长寿命路面:在沥青路面的半刚性基层之上设置1015 cm的沥青碎石基层作为过渡,形成组合式基层沥青路面,同步实现了沥青材朱美蓝等:基于长寿命试验段的路面结构与性能预测研究59Journal of Municipal Technology第41卷料厚度的增加和路面结构层之间的刚性过渡,能有效优化路面受力性能。需要强调的是,长寿命沥青
16、路面技术作为设计-材料-施工一体化的技术,既包括了设计理论、方法、模型和指标的设定是否合理,又包括了在现有的设计技术水平下,施工工艺和质量控制是否能满足相应的长寿命目标。2性能分析与预测模型2.1沥青路面性能分析与预测研究对于路面性能的评价和预测,国内外学者均进行了长期且大量的研究,然而由于路面性能受到路面自身、环境、使用时间、交通和维修养护等众多因素的影响,导致其发展规律和预测模型的研究也具有复杂性、多变性和特殊性。最早的路面性能模型,是20世纪50年代末60年代初美国AASHO通过试验路得到的路面服务性能评价模型。此后,国内外学者运用统计回归、模糊数学、神经网络、遗传算法等方法,探索并建立
17、了不同的沥青路面性能预测模型。由于数据资料不够详尽,以及环境影响的不确定性、交通荷载的随机性、施工质量的变异性、养护作业的分散性等原因,使得现有的沥青路面性能预测模型大多是基于单指标的简单预测,缺乏综合性的性能演变,对不同地区环境下的道路适用性和可靠性也需要实践加以验证3。随着理论研究和工程实践的不断深入,我国在路面性能评价和预测研究方面也取得了一定的成果。其中,在路面性能检测和评价方面,我国逐步建立了以路面状况、平整度、抗车辙性能、抗滑性能、结构强度等指标为评价对象的路面性能评价指标体系4,并形成了相应的道路管理和养护决策检测评定标准。在路面性能分析预测方面,孙立军5在收集了全国具有代表性的
18、5个省市历年路面性能数据基础上,研究了环境、交通、结构对路面性能的影响,并建立了沥青路面性能演变模型;张金喜6在综合分析北京市历年高速公路路面性能变化数据基础上,提出了高速公路沥青路面性能预测模型;孔祥杰7采用指数衰减模型对沥青路面性能进行了预测;徐世法等8在综合分析基础上建立了描述沥青路面平整度随使用年限变化的数学模型;武建民等9建立了基于时间序列分析法的ARIMA模型,并对沥青路面养护维修后的使用性能进行了预测;张洪伟等10采用灰色模型对路面预防性养护进行了研究;刘秀菊等11运用模糊数学的方法对路面性能进行了预测。2.2预测模型的选取一些专家学者基于不同的历史数据和科学方法建立了不同的沥青
19、路面性能发展预测模型。结合北京地区实际情况和华西路路况检测数据,笔者拟采用指数衰减模型7对其长寿命试验段的路面性能进行参数拟合与对比预测,以形成对路面结构、性能数据和性能预测的综合分析。采用的模型如下:Yt=Y0e-ax。式中:Yt为路龄t年时的路面性能评价指标数据;Y0为预测起始年的路面性能评价指标数据;a为路面参数,反映了养护状况、交通量、路面结构对性能的影响;x为路面使用年限,即路龄t。3长寿命试验段路面结构与病害分析3.1基本情况华西路是位于北京市平谷区的一条二级公路,全长8.58 km,路面宽9 m,于2013年建成通车。该路设计功能定位为旅游公路,是平谷城区往返西峪水库、谷泉会议中
20、心等景点的快速通道,主要服务于小客车,设计速度60 km/h,路面设计年限12年。该路在路面结构设计时,结合了长寿命路面和低碳循环材料技术的建设理念,采用了多种结构对比的形式。因此,分析该路不同结构路段的早期和长期性能表现,对于研究路面结构、材料和性能意义重大。华西路的路面结构设计中,采用了3种结构对比的形式,其中结构1、2分别为半刚性基层、柔性基层的长寿命沥青路面试验段,结构3为常规设计的非重载交通二级公路路面结构。结构1通过增强基层和路基的承载能力、调整结构层材料组合来整体提升和优化结构的受力性能,基本与我国现状高等级公路的路面结构一致;结构2突出了厚沥青结构层和柔性基层设计,其沥青面层总
21、厚度达到230 mm,中面层采用了高模量沥青来提高结构抗剪强度,下面层采用了沥青稳定碎石来提高结构弯拉性能,基层则采用了乳化沥青冷再生和级配碎石的组合,起到了有效过渡的作用,垫层有利于提高路基整体承载力、均匀性和稳定性,符合典型的柔性基层长寿命路面结构。华西路路面结构见表1。60第5期华西路建成后,由于周边环境条件改变,其功能定位、交通情况均与原设计相差较大,除服务于旅游车辆外,华西路也成为了区域内部分采运砂石料的重载货车的主要通道。根据2016年的交通调查情况显示,该路的通行车辆虽仍以小货车、小客车为主,但部分通行货车的轴重已经远超出了设计车辆荷载,其中最大载重达到100 t,最大单轴轴重达
22、到300 kN。因此,各种因素综合作用下,华西路部分常规设计路段于2015年底出现了较严重的路面早期病害和整体承载力不足情况。3.2早期病害华西路建成通车2年后,部分常规路段路面(结构3)出现了严重的早期病害,路面破损形式以纵裂、网裂、龟裂、车辙和坑槽为主,同时伴有少量的沉陷。为全面分析路面病害情况,经现场取芯调查分析发现,虽然病害路段沥青路面结构层厚度无明显差异,但芯样多不完整,基层与面层粘结较差,基层上部多处存在松散、碎裂情况。对路面材料的试验分析显示,沥青面层混合料配合比满足规范要求。华西路路面设计弯沉值,结构1、3路段为34.2(0.01 mm),结构2路段为54.7(0.01 mm)
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