1、山西通县公路改造沥青路面结构参数敏感性分析陈越 1,2 杨平 3 (1.中国中铁一局集团第一工程有限公司 陕西渭南 714000；2.长沙理工大学 湖南长沙 410076；3.湖南工程职业技术学院 湖南长沙 410151 )摘 要：依托山西通县公路改造工程，对山西通县公路沥青路面结构设计参数进行了敏感性分析，寻求较敏感的参数和层位，为土基强度等级划分及结构优化设计提供了依据。关键词：旧路改造 沥青路面 结构参数 敏感性分析 路基强度沥青路面是山西现有路面结构的基本结构形式，其里程占山西公路里程 60%左右，承担着 80%以上的交通量。目前山西通县公路技术等级低、路基路面状况差、病害严重，迫切需
2、要对全省现有通县公路进行技术改造，提高技术等级和通行能力。但通县公路改造投资少，技术含量要求高，我国现行规范对于县乡低等级公路沥青路面结构及其设计方法没有做出具体的规定，不利于县乡低等级公路建设改造的设计，迫切需要一套适合山西当地实际情况的简单易行的路面设计方法，指导该地区的旧路改造。为了详细制定山西通县公路典型沥青路面结构，并保证各设计参数在最不利组合时路面使用的安全性，合理地划分公路路基强度等级，有必要选择具有代表性的路面结构，对其各设计参数进行敏感性分析，以便使路面结构设计更合理。1 结构参数敏感性分析据调查，山西通县公路路面的代表性结构如图 1 所示。各层材料参数根据室内试验结果确定，
3、路面结构参数和几何参数见表 1。上面层A上基层路基(土基或旧路面)h1=3cm、 E1=1270MPa底面层底基层h2=4cm、 E2=850MPah3=20cm、 E2=1100MPah4=20cm、 E2=400MPa图 1 路面基本结构表 1 路面结构材料力学参数与几何参数结构层 模量 E(MPa) 厚度 (cm)上基层 700、900、1100、1400、1900 15、20、25、30、40底基层 200、400、600、900、1400 10、15、20、25、30、40路基 30、40、50、60、70、80、90、110、160 工程实践中为便于测试，一般用轮隙中心弯沉测试值评
4、价路面结构刚度。本文以双圆均布荷载作用下的弹性层状体系理论为基础，以图 1 中双轮隙中心 A 点作为计算点，运用 BISAR3.0 程序计算分析路基模量对路表弯沉的影响、上基层厚度和模量对路表弯沉的影响以及底基层的厚度和模量对路表弯沉的影响。分析层结构参数在取值范围变化(见表 1)，其余各层抗压模量及各结构层厚度均按基本结构图 1 取值。路基模量及底基层厚度对路表设计弯沉的影响如图 2 所示。路基模量及基层厚度对路表设计弯沉的影响如图 3 所示。路基模量及底基层模量对路表设计弯沉的影响如图 4 所示。路基模量及基层模量对路表设计弯沉的影响如图 5 所示。2545658510530 50 70
5、90 110 130 150 170E0(MPa)ls(0.01mm)h4.15 h4.20h4.25 h4.30h4.40图 2 路基模量及底基层厚度对路表弯沉的影响233343536373839310330 50 70 90 110 130 150 170E0(MPa)ls(0.01mm)h3.15 h3.20h3.25 h3.30h3.40图 3 路基模量及基层厚度对路表弯沉的影响233343536373839310330 50 70 90 110 130 150 170E0(MPa)ls(0.01mm)E3.200 E3.400E3.600 E3.900E3.1400图 4 路基模量及
6、底基层模量对路表弯沉的影响233343536373839310330 50 70 90 110 130 150 170E0(MPa)ls(0.01mm)E4.700 E4.900E4.1100 E4.1400E4.1900图 5 路基模量及基层模量对路表弯沉的影响结构分析计算结果表明，路基模量是影响路表弯沉的重要因素。路基模量较低时，路表弯沉随其变化非常敏感。路基模量较大时，其变化曲线趋于平缓。随着基层和底基层厚度的增加，路表弯沉值逐渐减小，当路基模量较大时，厚度的增加对路表弯沉的影响已不明显。提高底基层模量 E4及基层模量 E3，可减少路表弯沉值，且减少的程度随路基模量的变化基本保持不变。由
7、图 2 和图 3 可看出,当 E0从 160MPa 减少到 30MPa(减小至 3/16)，即从非常干燥路基降到潮湿的路基，其路面基层厚度从 40cm 减小到 15 cm(即 2.7 倍 )时，其路表弯沉值减小 6.5%10.7%。同样当底基层厚度也由 40cm 减小到 15cm 时，路表弯沉减小4.4%8.3%。在这种不利条件下，路基强度与路面基层厚度风险组合的结果会增大路表设计弯沉值，这一点是可以接受的。图 4 和图 5 表明，当出现另一种最不利组合时，即当表征路基强度的 E0由 160MPa 降至20MPa，路面基层 E3值由 1900MPa 降到 700MPa(底基层 E4由 1400
8、 MPa 降至 200 MPa)时，其路表设计弯沉值增加 1.9%2.8% (基层变化)(底基层增大 4.6%6.9%)。这种路基强度 E0与 E3(E4)的最不利组合对路表弯沉产生的影响也不大。2 路基强度等级划分根据结构参数的敏感性分析结果可知，路基强度是影响路表弯沉值的主要因素，也是路面结构设计的基础参数，是影响路面结构承载能力、结构层厚度和使用性能的重要因素，其强度直接影响路表弯沉值的大小和路面使用寿命的长短。因此，在山西通县公路改造路面结构设计中，能否选用合乎实际的路基(新建土基或旧路面 )回弹模量直接关系到路面结构的安全性和经济性。基于路基(土基或旧路面)回弹模量对路面结构厚度及结
9、构组合重要影响，路基的设计强度等级划分：一方面要控制路基回弹模量低限值，由室内外试验结果并结合山西土质及路基干湿状况，山西土基回弹模量大部分处于 3050 MPa 之间，山西旧路顶面回弹模量大部分在 50110MPa 之间，所以路基回弹模量低限取 30MPa 是合理的。如果路基回弹模量最小值达不到要求，应采取掺入固化材料或换填砂、砂砾、碎石等渗水性材料，以及设置土工合成材料等加强路基排水的技术措施进行综合处理。另一方面，为了设计合理的路面典型结构，路基模量划分不能太粗，亦不宜太细，应以不同路基强度等级对基层或底基层厚度产生大致相同的效应为依据，例如以每一路基强度等级对基层或底基层厚度分别产生
10、34cm 或 46cm 为宜。本文选择 6 种三级公路沥青路面结构，基层厚度不变而只变底基层，方案配置情况见表 2，绘制出底基层厚度与路基模量 E0的关系曲线见图 6。表 2 只变底基层厚度的方案配置情况表项 目 方案一 方案二 方案三 方案四 方案五 方案六基层抗压回弹模量(MPa) 1500 1300 1500 1300 1500 1300基层厚度(cm) 15 15 20 20 20 18底基层抗压回弹模量(MPa) 1300 1000 1300 1000 200 2001) 方案一方案六的面层厚度为 4cm，面层的抗压回弹模量为 1200/1800MPa(表示 20/15时回弹模量)；
11、2) 方案一方案六的设计弯沉值定为 40.0(0.01mm)；3) 路基回弹模量 E0定为 30110(MPa)；4) 面层允许弯拉应力取为 1.4MPa，基层取为 0.5MPa，底基层取为 0.4MPa。010203020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120土 基 回 弹 模 量 (MPa)底基层厚度(cm)方 案 一 方 案 二方 案 三 方 案 四01530456020 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120土 基 回 弹 模 量 (MPa)底基层厚度(cm) 方 案 五 方 案 六图 6 底基层随路基回弹模量变化图从图 6 可知，
12、E 0随底基层厚度的减薄而增加，各条曲线的变化趋势基本相同，其递增速度大致可分 5 个阶段：1 )当 E0=30 40MPa，曲线较陡，即随着底基层厚度变薄，路基强度变化速率比较大；2 )当 E0=4050MPa 时，曲线逐渐变缓； 3)当 E0=5060MPa 时，曲线变得更缓，不过对底基层的影响程度仍大致在 35cm 之间；4 )当 E070Mpa 时，曲线变得较平坦； 5)当 E090Mpa 时，曲线变得平坦，即路基对底基层厚度的影响不敏感。因此对于当 E070MPa，随着当 E0的增加，结构层厚度变化较慢，故路基强度划分的粗些，因此，以路基模量 E0为划分指标，将路基强度划为 6 个等
13、级，如表 3。 这种路基强度等级配合一定的交通量等级可作为确定公路结构组合的控制因素。设计路面结构时,可按最不利情况对结构进行验算。 表 3 路基等级强度划分等 级 S1 S2 S3 S4 S5 S6路基强度 30E 040 40E 050 50E 060 60E 070 70E 090 E0903 结论通过对山西通县公路常用路面结构设计参数敏感性分析,可以得出以下结论：1) 在诸多层次路面结构设计参数中，路基抗压回弹模量是影响路表弯沉的最重要因素。路基强度对沥青路面结构承载力、厚度和使用性能影响非常大。2) 路基模量较低时，路表弯沉值随其变化较为敏感。因此，在进行路面结构设计时，路基模量的取
14、值必须慎重，测定结果应准确且具有代表性。3) 当路基强度较高时,增加基层及底基层的厚度对路表弯沉已无明显的影响。为了减少路表弯沉应着重考虑增加路基强度。若采用提高基层厚度的方法，则既不经济，效果也不理想。4 ) 由于土基中含水量随季节变化，其强度也处在不断变化之中，因此确定 E0时应考虑最不利条件。参考文献1 公路沥青路面设计规范(JTGD50-2006)S. 人民交通出版社 ,2006.第一作者简历：陈越 男 出生于 1979 年 11 月 籍贯 陕西榆林现攻读长沙理工大学道路与铁道工程专业工程硕士学位工作于中国中铁一局集团第一工程有限公司单位地址：陕西渭南市站北路 25 号邮编：714000电话：13574863434第二作者简历：杨平 男 出生于 1977 年 12 月 籍贯湖南长沙。2005 年 6 月毕业于长沙理工大学的道路与铁道工程专业，工学硕士学历。2005 年 6 月2008 年 1 月在湖南省交通科学研究院工作，现工作于湖南工程职业技术学院土木系，职称：工程师 研究方向：路基路面与高职教育通讯地址：湖南省长沙市东塘冶金设计研究总院退休办杨兴银转 邮编：410007手机：13574863434
