公路桥梁维修加固技术探讨

　摘要

近十年来，我国经济实力不断加强，基建也不断提高。然而，令人惊讶的是，国内部分公路沥青路面尚未达到设计寿命，并且已经有严重的结构损坏所出现，这对其道路功能产生了重大影响，导致了道路的服务能力，很难满足预期的要求，对交通的综合效益影响较大。因此，有必要对半刚性基层路面进行研究和设计。

从全球的角度来看，大多数传统的长寿命路面都是全厚度的沥青，结构和厚度都很大，非常昂贵且需要较高资源。在中国推广建设非常困难。然而，近年来，中国在半刚性基础材料和半刚性基层沥青路面的设计和施工方面积累了大量宝贵的经验。因此，本文将长寿命和耐用性作为其最终研究目标，利用KenLayer软件研究计算传统半刚性基层沥青路面的结构特征及路面各层明确的特性，利用Excel软件分析所得出的数据，最终分析得出路基路面各结构层的特征规律。最后，根据所验算分析得出的结论，推荐两种结构所不同的路面结构，并对其进行比较分析验算其综合性能，目的是推荐一种适合国内运用的路面结构，以提高国内沥青路面的耐久性和低寿命，并验对路面进行分析确认。

　关键词：长寿命路用沥青路面；KenLayer；半刚性基层；面疲劳破坏；路面剪切破坏；；低温缩裂破坏

　1绪论

　　1.1研究背景及其意义

我国长寿沥青路面由两个主要方面决定。第一是结构的绝对安全，第二是路用沥青表面的功能特性。与一般生活中所使用的普通沥青路面不同，长寿命沥青路面的综合使用时间超过40年。在这40年当中，沥青路面除了基本的维护保养，基层不再需要进行大的修改[1]。

由于半刚性基层结构承载能力强车辙深度小，在使用期间维护次数强度较少，现已成为我国主要的高速公路修筑模式[2]。现如今我国新建高速公路80％以上采用半刚性基础结构。根据查阅资料，沥青路面经常出现缝隙，并出现较大裂缝。这是由于沥青材料收缩性的特性所致。在集中荷载和其他影响的共同产生的影响下，损伤便在路面产生，早期疲劳损伤在重载和重复作用下很快发生[3]。产生的损害一方面会严重影响交通运输能力，另一方面也增加道使用过程中维护的经济成本。为了追求经济的合理性，延长道路使用寿命，降低道路使用过程中的维护成本，必须要在道路施工中实现重大突破。因此进行迫切需要对半刚性基础结构路面进行系统科学的设计和验证。从世界范围来看，传统的长寿命路面结构存在着诸如厚度过大，造价过高，资源所需过多等缺点，以我国现在国情来看，大范围推广存在着很大的难度。当今我国半刚性基层路面应用越来越广泛，对半刚性结构设计施工也有了独特的经验和见解[4]。

　1.2国内外研究现状

　　1.2.1国外研究状况

欧X家从上世纪初便开始分析研究沥青路面结构特性，目前已经积累了较为成熟的技术。他们现在所采用的基层结构形式分别有柔性、刚性和半刚性、组合式等。国外对于路面基层设计经常使用的研究方法有SHELL、AASHTO、AI等。

作为最先开始进行长寿命试验的国家，英国在20世纪50年代末期就已经开始修建长寿命实验路段。当时科学家对采集的数据进行分析研究后，发现其结构并不经济。经过四十余年的不断研究论证，专家们最终提出了当时世界上最早的沥青路面设计理论，并对其进行着不断的研究与完善。[6]

法国拥有多种不用结构的半刚性基层路面。法国大多因地制宜选取不同铺筑材料。例如法国西部地区是钢材冶炼地区，因此西部地区道路多铺筑半刚性基层沥青路面。而其他地区多采用的是柔性基层沥青路面作为半刚性路面。法国国内在建或使用的高速公路几乎都是全厚式沥青路面结构。

X看到长寿命沥青路面所具有的优势后，迅速进行了不断的研究。他们首先对长寿命试验路段进行铺筑，同时还进行了大量的测量与试验，所得的数据与结论不仅给本国交通建设带来了指导，也给国外交通建设提供了有益的帮助[5]。X通过对长长寿命沥青路面的不断研究，最终总结出路面所有层的各自特点以及路面在不同地区、不同材料下的结构[7]。

　1.2.2国内研究现状

在我国现在所使用的各种路面结构中，使用最为普遍的路面结构是半刚性基层，所以说我国的长寿命路面结构研究是以半刚性基层为出发点的。首先必须要使用性能较高的铺路材料作为路面的表面层。因为路面的表面层直接承受荷载的不断压缩和剪切。并且为了适应我国国情和能够大范围的推广，我国路面表层一般使用改性沥青SMA。具有良好抗车辙性能的高性能沥青混合料，如AC16或AC20，一般直接用于路面的上表层。对于路面的底层或底基层，一般采用中等粒度的沥青混凝土，如AC20。此类型材料能够满足路面的机械抗疲劳性并提高其抗弯拉应力。中粒混凝土材料拥有较强的耐久性和较高的水稳定性，并且还能够满足路面厚度要求。[8]。

随着国内改。革开放的不断深入，国内道路交通水平也不断提高，但由于路面建设存在着的缺点，路面使用初期便产生了诸如表面破损、坑洼等不同严重问题，致使中期维护修补在公路在建成的几年后就要进行。过度的修补维护不仅浪费资源，造成不必要支出，还给交通运输带来了较大的不力影响。因此研发寿命长、耐久性高的公路路面基础是当今道路研究领域的主要方向。

沥青路面各结构层剪切应力决定路面的抗车辙能力。只有对各层结构层的各自厚度和对应模量进行得到优化和调整，以达到最佳值，并且可以进一步提高其抗压性能。改善并满足表层抗车辙要求[9]。

由于经济发展不平衡原因,我国之前建设的一批高速公路沥青路面都较薄。只有少量高速公路沥青路面厚度较高。例如沪宁高速公路和广深高速公路。沪宁高速路公路所采利用的是面层厚度为23厘米，上基层厚度是为23厘米的结构。广深高速路公路其选用的面层厚度为31厘米，下基层厚度为63厘米的结构。通过对路面数据的采集分析，发现为了能够提高上面层的抗车辙能力，可以分别提高面层中上中下三层不同的厚度。

我国对长寿命沥青路面的研究一直在进行。2002年，浙江某大学与江苏某公司一同合作，修建了长度为5.4千米的试验路段。这期间还在位于启通高速某段共修建了长约4.6千米的半刚性基层路面试验路段。试验路段所采用的路面结构为：上上面层是16厘米厚度的沥青混凝土，基层采用6厘米厚度的沥青稳定碎石基层；而下基层则采用了34厘米厚度的水泥混凝土，而底基层中主要选用了21厘米厚度的二灰土。通过对路面的检验检测以及对采集到的数据的分析，国内数名学者提出了适宜我国的增加半刚性基层长寿命的方法，就是想办法去减少基层的与底基层的层底的弯拉应力。具体可采取的措施有是：增加路面材料的各层的不同厚度、增加不同材料类别的弹模量。通过采取这些措施都会显著增加路面的使用长寿命。

2004年，同济大学与广西某公司共同修建了上面层为6厘米厚度的细粒式SMA-13,中面层为14厘米的中粒式AC-20，下面层为19厘米厚度的粗粒径的AC-25，底基层为15厘米厚度的水泥混凝土碎石的试验路段。但由于车辆数的不断增加，重量也在不断提高，路面在多次反复作用下产生了车辙，变形也出现在了面层上。最后总结发现，面层各结构的损害严重超出预期，表明此次试验不成功，路面结构不尽如人意。

　1.3工作内容

（1）对所学内容进行回忆，对不懂之处及早翻书查阅。

（2）对国内高速公路结构进行查阅，并汇总进行分析。将半刚性基层路面与非半刚性基层路面分类总结，找到其二者的不同处。

（3）使用河工大图书馆查询到有关半刚性基层路面的结构特点。利用网络上的论文、文献资料等，对论文进行不断的完善。

（4）向老师请教学习KenLayer的使用，对照英文进行翻译操作，熟悉按钮代表的意思，牢记每部分的操作流程。最终掌握软件的使用方法。

（5）总结试验分析数据后，提出两种路面推荐结构并进行各项分析，最终提出比较适合我国国情的半刚性基层长寿命沥青路面结构。

　　2国内采用半刚性基层路面典型结构

通过查阅文献资料，此次分析比较挑选的是有国内大部分高速公路所采用的结构，将不同基层路面工作进行对比分析。表3.1中是采用半刚性基层的高速公路；作为比较选用的是未采用半刚性基层路面的高速公路，如表3.2。[10]

表2.1采用半刚性基层路面高速公路结构值参数值

各自高速公路名称路面面层结构值及其厚度值（cm）路面基层其结构及其厚度值（cm）路面底其基层结构及其厚度值（cm）

在使用过程中，半刚性基层沥青路面较少出现诸如表面坑洼、车辙、油料溢出、内部松散等系列问题，后期维护次数及费用较低，不仅有效提高了道路的通行能力，还具有较低的经济费用。通过对不同路面结构类型的综合对比分析，半刚性基层沥青路面在运营期的平均路况及服务水平比非半刚性基层沥青路面好，其保养维护的费用较低，相比较而言是一种较好的路面结构。

　3 KenLayer软件的学习及应用

(1)图3.1是打开Kenpave软件的开始界面，从左至右共有12个命令按钮。左边6个用于沥青路面设计，而最右边6个用于混凝土道路面合计，此次对半刚性基层的验算我们只需要使用最左边的3个命令按钮。点击LAYERINP按键进入数据编辑界面。

(2)点击LAYERINP按钮进入菜单界面如图3.3所示，开始分析验算我们只需用其中的6个按键，File表示“文件”，General表示“概括”，Zcoord表示“Z坐标”，Layer表示“层”，Moduli表示“模量”，Load表示“负载”点击File，选择New，开始新建一个文件。

(3)点击General按钮进入如图3.4界面。其中ATL表示“材料类型”，NDAMA表示“伤害分析”，NPY表示“每年的周期数”，NLG表示“荷载组的数量”，DEL表示“数值积分公差”，NL表示“层数”，NZ表示“需要计算的垂直坐标的数量”，ICL表示“积分周期的最大次数”，NSTD表示“应力，应变和位移的数量”，NBOND表示“两层之间的接口类型”，NLBT表示“基于沥青层底部拉应变的损伤分析层数”，NUNIT表示“单位系统”。

(4)点击Zcoord进入分析层竖向坐标输入界面选择面层3层，基层1层，底基层1层的结构，如图3.5所示。ZC表示各层垂直坐标值，坐标值从上到下依次为0,6,14,26,66,88。

(5)点击Layer进而进入下一界面，如图3.6所示，TH指各层的厚度，PR指泊松比，输入数据如图所示。

(6)点击moduli菜单，进入如图3.7所示页面。点击Period1，输入各层的弹性模量如图3.8所示。

(7)点击Load按钮，输入如图3.9所示数据，双击打开NR or NPT下方的文本框，输入各坐标值如图3.9所示。

(8)点击图3.3中的Save As按钮，保存该文件。然后点击Exit按钮返回初始界面，最后点击图3.1中的KENPAVE进行计算，计算结果如图3.10所示。

图3.10中的表头M。AJORR PRINCIDPAL STRAESS指的是“主应力”，而表头M。IMOR PRMCIPAL STRAESS指的是的“次主应力”。将这两个力进行相减并除以二，就可以求出四个点的剪应力及其对应的弯拉应力[16]。

　　4沥青路面典型功能分析比较

　　4.1路抗疲劳区

　　4.1.1路面结构参数

在使用KenLayer对京新高速公路C1标段的路面结构值的分析研究中，所用到值的主要参数值有：沥青路面层上各层的主要厚度值分别为0.04m，0.06m，0.06m，0.40m，0.18m。各点位对应的竖向坐标值分别为0m，0.02m,0.04m，0.06m，0.08m，0.1m，0.12m,0.16m，0.18m，0.20m,0.3m,0.4m,0.46m，0.5m，0.6m,0.74m。计算所采用的泊松比值分别为0.25，0.25，0.25，0.25，0.35，0.4。每一层对应的弹性模量值从上至下依次为2250MPa，2400MPa，1900MPa,1800MPa,1000MPa,50MPa。[16]KenLayer软件得出参数如表4.1所示：

表格4.1京新高速C1标段路面分析结果抗疲劳区参数表格

　　4.1.2路面层底弯拉应力

根据上一节计算出的各项数据，对其进行整理，将相同点位数据整合到一起。数据表格中，数据中的次主应力是水平应力，如果其为正，那么为压应力，如果其为负，则为拉应力，表4.2是全部计算结果：

表4.2路面各计算点位处的水平应力

将以上数据进行在Excel软件中进行统计整理，并利用绘图功能绘出弯拉应力与不同路面结构深度相对应的关系图，如图4.1所示。

　　图4.1四个不同计算点位的水平应力

　4.1.3疲劳寿命计算方法

查书可知，疲劳寿命值需用公式子4-2：

上述式子中，Ac=001。利用上述各项公式进行计算，计算出半刚性基层的路面的底基层、基层、面层处的各自不同的疲劳寿命值，如表4.3所示。

　　4.1.4路面抗疲劳功能层确定

从图4.1中的折线图可以看出，每个结构点的最大弯曲应力值出现在几乎相同的位置，最大弯曲应力值有不同的点。如果水平应力为负，则结构处于拉伸状态，如果水平应力为正，则结构处于压力下。从图4.1中可以看出，路面基础只有正值，基层和底基层只显示负值。因此，可以得出结论，路面结构的表面处于压力下并且基部和底部基层处于张力下。没有疲劳损坏或疲劳计算，因为路面上没有负值。荷载作用下，在底基层和基层中发生道路疲劳损坏。拉应力相同的条件下，首先引起疲劳破坏的结构层是疲劳寿命较短的结构层。

因此抗疲劳功能区相对于路面结构具体划分如图4.2所示：

4.2路面抗车辙区域

　　4.2.1路面结构参数

在本章中，我们选择使用京新高速公路C1标段的结构，并对其结构进行各种机械检查和分析，以总结和确定结构功能区的划分。在所有类型的道路损坏中，车辙损坏是沥青路面损坏的一种主要形式。这种损坏的发生是因为载荷作用在路面上并在沥青混合料表面上连续压缩和剪切，通常只在表面上[11]。如果载荷太高，如果剪切应力对于路面材料来说太高，则路面将被切割。车辙损坏的主要外部表现是路面和车轮的滚动产生不均匀的凹陷，同时在轨道的端部产生均匀或不均匀的凸起。路面的抗剪切区域是路面上最大的剪切应力区域。由于路面受力最大，因此只需要分析路面各层的剪切应力。。

利用KenLayer对京新高速C1标段进行剪切受力分析。此次需要用到的主要参数有：路面各结构层的主要厚度数据，其分别为0.04m，0.06m，0.06m，0.40m，0.18m。各点位对应的竖向坐标值分别为0m，0.02m,0.04m，0.06m，0.08m，0.1m，0.12m,0.16m，0.18m，0.20m,0.3m,0.4m,0.46m，0.5m，0.6m,0.74m。而中每一层的泊松比值从上到下依次为正0.2505，正0.250，正0.250，正0.250，正0.350，正0.450。深度所对应的不同弹性模量依次为2250MPa，2100MPa，1900MPa,1800MPa,1000MPa,50MPa。[16]计算参数如表4.1所示：

表4.4新建京新高速C1标段分析路面抗车辙区域参数表

　　4.2.2计算受力点位图

此次荷载选用的是单轴双轮组，所以受力点位图位置分布正如图4.3所示：规定点1、点2、点3、点4计算点各自处于正对应轮胎里的正中央，轮胎轴线初与圆心的重心点，车轮胎边缘处以及两个轮胎中心处。

图4.3路面分析中的4个典型点点位

　　4.2.3剪切受力值计算分析

查书可知最大剪切力公式：

式子4-1

式子里，字母τ是指的剪应力值，字母σ1是指主要应力值，字母σ3是指次主要应力值。

把所有已知所得出各项具体参数值以及计算点位值输入KenLayer，通过利用上公式4-1，结合Excel公式，将剪应力分布的四组数据计算值得表4.5：

将上述数据分别进行整理，做出路面结构深度与各自计算点位值相对应剪应力的关系图像，如下图4.4所示。

　4.2.4路面抗剪切功能层确定

　　从图4.4可以看出来，四点的剪切应力具有相同的趋势：首先，它在中间层位置增加到最大值;然后它变为减少，最后趋于一致。从图中可以看出，剪切应力的最大值主要分布在上中间层，基层和基层的剪切应力相对较小。因此，可以确定上中间层是最重要的抗车辙层并且是主剪切功能区域。抗剪功能区在路面分布如图4.5：

　　4.3抗低温缩裂区

　　4.3.1低温累计收缩应力值计算方法

低温下路面收缩开裂病害是由于材料由于热膨胀和收缩的不均匀的膨胀和收缩引起的，导致路面收缩和开裂。在低温裂缝病害的影响下，半刚性基础沥青路面破裂，造成交通运输效率的下降，并给路面维护带来较大工作量，造成不必要经济损失。所以进行温度较低情况下路面性能的分析实有必要。西尔曼和卜来恩特提出的温度应力计算公式如公式4-6所示[12]：

　4.3.2累计温缩应力计算

查询资料得到的图4.9是京新高速C1标段张家口怀安地区2009年到2018年十年之间的平均最低温度指的调查记录表。通过好这些现有数据对其有效温度做出预估，如表格4.10所表示。

表4.9京新高速怀安段路线区历年来最低温度值调差表

将所有项数据代入公式，如下表所示得出各项数据。

将上述数据值利用Excel表格生成更加直观的折线图，如下图所示：

　　图4.7路面温度值收缩应力值与路面的结构深度对应图

对比图象4.6与图像4.7能够得到，其路面表面层顶部的累计低温值收缩应力存在值最大值，路面最低有效温度值随着深度值的增加而逐渐的减小值。

　　4.3.3其路面低温抗裂功能层确定

由图像4.7得出，温度作用于沥青路面表层位置比较集中，可是在基层和亚基层可以忽略，因为它们不受影响。在沥青路面结构表层中，表面温度越低，累积的冷缩应力越高，冷缩应力的峰值到达上层的顶部。因此，路面上面层决定路面的抗裂性，低温抗裂最重要的功能层是路面的上面层。因此抗低温缩裂功能区在沥青路面的具体划分如下图4.8所示：

图4.8抗低温缩裂功能相对于半刚性基层路面其划分图

　4.4本章小结

从以下各方面考虑分析出长寿命沥青路面所有各结构层的特征性能：

（1）联系文中所说的半刚性基础路面自由的的抗疲劳性能。有必要使用KenLayer分析每个深度处的各种点的主应力（弯曲和拉伸应力），确定出主要的劈裂强度，并使用公式4-2查找寿命来确定每个位置的抗疲劳。确定出相应的主抗疲劳功能区域作为基础层。

（2）考虑所研究的路面半刚性基层路面的抗车辙能力。首先要使用KenLayer软件分析出每个点处的主要和次要主应力，并使用剪切方程导出剪切应力。最后分析所有剪切应力数据，确定路面中上面层是路面的主要抗车辙功能区。

（3）研究抗疲劳性能作用于所研究路面的具体结构层。首先将当地近些年由来的最低温度值与对应温度应力值方程相互结合，得到值路面本身结构的深度值与路面在低温下收缩应力之间存在的关系，并由此得确定相应的低温值收缩裂缝功能区域为上面层。

　5长寿命沥青路面结构组合设计分项分析

在其使用期间内，较长寿命沥青路面的最主要特点是，路面虽产生出各种不同损坏，但其却仅仅发生在表面层而没有导致结构的大范围损坏[14]。所以在今后设计较长寿命的半刚性路面时，首先不仅要满足本条道路的疲劳性寿命，还要满足一般超过40年的路面设计寿命[15]。通过对之前的路面典型结构的计算和分析，已知对较长寿命路面设计的研究应该考虑到底基层，基层和面层各自不同的特性。长寿命表面疲劳失效的存在的重要位置是基层和基底，因此有必要对基层进行分析。在下文中，需要分析表面层上的厚度，基层的模量及其厚度，基层的厚度以及基层的模量。

　5.1面层推荐的较合适厚度

如果对面层的结构进行设计时，需要根据新规范JTTG D50-2017，必须达到下列不同的要求：

（1）其路面层上所有材料的厚度值要满足越来越厚。

（2）路面层上所有材料的颗粒径要满足越来越大。

（3）其路面层各层材料确定后，结构层的厚度一定要根据其各自结构层的材料粒径值来选取确定[17]。

（4）其路面面层中，为了使路面面层就拥有好的抗疲劳性能，路面面层所含沥青含量需要更高。[18]

由于路面上层应与外界直接接触，因此应考虑低温缩裂的作用。通常，使用名义上具有14mm或17mm的最大值粒径的细沥沥青混合物。在此期间，有必要选择具有良好抗车辙特性的材料，因为要满足抗车辙的上层或其他主要的结构层。SMA沥青混合物不仅具有极好的粘接效果，更好的抗车辙性能，因此可以提高低温抗收缩性，增强水的稳定性[18]。道路路面中间层最好应使用直径为2cm左右的中粒沥青混合料，每层的厚度要及时根据设计的要求越来越大。因为根据规范面层厚度不能小于沥青混合料公称粒径数值的2.5-3倍。并且因为需要主要考虑车辙抵抗力。所以中间层选取材料的最大粒径应大于上层的精细层材料的粒度。本次研究路面推荐结构，选用三种不同结构进行对比分析。

路面具体结构图如表5.1所示：

表5.1分析面层时的道路路面横截面详图

通过利用KenLayer软件计算出各底基层拉压应力，从而具体考虑比较出路面底基层的具体抗疲劳能力：

表5.2分析面层时的底基层层底拉应力

根据表5.2结果，可以看出路面的面层厚度值与底基层的疲劳寿命值成正比关系值而与底基层层底弯拉压应力值成反比关系。

　5.2基层推荐较合适厚度

通过上节的分析研究，路面基层厚度要大于面层厚度且沥青路面面层各结构层的厚度值是越来越大的。所以本次分析比较，选用不同的基层结构进行分析比较，其不同结构分别如下：

表5.3分析基层时的道路横截面图

从图表5.4所示的数据可以得出，值沥青路面底基层的厚度值值与底基层的下层底弯拉应力值值成反比关系，所以基层的厚度值与底基层对应的疲劳寿命值成正比。

表5.4分析路面基层时的底基层层底拉应力

　5.3底基层推荐较合适厚度

由上一节总结研究分析，国内半刚性路面底基层厚度值大多数采用16-32cm。国内值长寿命沥青的路面值底基层材料主要选用的是二灰土、水泥稳定碎石等材料。所以就选用三种不相同的结构的底基层进行比较分析，具体如下所示：

从上表结果中可以看出，路面底基层厚度值与疲劳寿命值成正比关系，而与层底弯拉应力值成反比关系。

　5.4基层模量值对沥青路面疲劳寿命的影响

路面的基层一方面是承受荷载的主要功能区，另一方面更是主要的抗疲劳功能区。因此，其首先需要考虑路面基层的厚度大小，要对其不同弹性模量对其抗疲劳性的影响进行分析。不同地区所使用的建筑基础材料有所不同，基层材料的弹性模量也存在较大不同。以下是基层模量不同的变化对基层的影响和疲劳寿命的分析。本次研究分析所需使用的弹性模量为220Mpa、245MPa、255Mpa。路面所有结构层的厚度如下图所示：

从上表的结果值可以看出，随着基层材料的回弹模量的逐渐增加，基层底部的弯曲应力值也随之增加。选用的模量为了能够保证基层的抗疲劳特性，也为避免产生过大的弯曲应力，所以在确保基层材料的强度满足要求的同时，模量选取的也不应太大。

　5.5底基层模量对沥青路面疲劳寿命的影响

控制材料参数一定，只控制模量数值不同。选用底基层弹性模量值分别为610MPa、660MPa、710MPa。其路面结构值如下：

整理得出了各层层底拉应力数值如下表：

表5.5路面层底拉应力值

由上表的数据中可以得到，路面基层的拉应力值随着回弹模量的增大而增大，而路面基层的弯曲应力值会随着回弹模量的增大而减小。因此，为了既能有利于改善疲劳值，又避免因弯曲应力过大值而对基层造成损伤。所以一方面要保证基层强度值满足设计要求，另一方面所选用基层的模量值应选用较小值。

　5.6本章小结

通过计算与分析，得出下述结论：

（1）材料选用上，路面层应首先使用沥青含量较高的沥青混合料，这样可以提高各种材料的特性。用于路面中间和下三层的材料的粒度值应在规范要求的范围内逐渐增加。

（2）要在确定厚度时，路面层应按顺序从下到上依次减薄，但底基层厚度不应超过所选材料粒径的2.5-3倍。增加路面的基层和底基层厚厚度，因为在综合成本等因素下，路面各层选择的厚度应适宜。

（3）在要选用材料模量上，路面基层值与底基层的弯拉应力值应该是相互制约的，所以为了均衡，弹性模量应取中间值。

（4）在路面抗疲劳上，路面设计其使用年限数值要在路面其所拥有的底基层的疲劳寿命值之下等，路面寿命至少为40年及以上。

　6两种推荐路面的设计与验算

　　6.1设计参数的确定

　　6.1.1荷载参数

进行路面结构值的验算所需参数值值的选取同第4章一致。

　6.1.2交通参数

本节分析研究值为京新高速张家口怀安地区新建高速公路路段，车道分布为双向共六车道，其使用年限值为至少40年。首先本高速公路车道的系数值取值为0.45，其方向系数值取0.45，假定此条高速公路的双向年共平均日交通量为0.55万辆/天。其次选取此公路的TTC分类值为TTC2,此公路分布系数值可根据最新规范JJTG D50-2017中查询得到。本高速公路路面竣工后其第一年内双向日平均标准轴载值hi2作用次数N1值为0.55万次/天。现将车辆的每年增长率值分为三个不同阶段，第一段为14年，其增长率值为4%，第二个阶段为14年，增长率值为5%，第三个阶段为12年，其增长率值为2.5%[16]。

式中车辆的大当量设计值轴载换算系数EESLF可由下述公式6-3求得：

　　02类~11类不同车辆中其满载车与非满载车的不同比例值及当量设计，其不同轴载换算系数取表6.1：

表6.1不同车辆的比例值值与当量设计值值轴载换算系数值

　6.1.3材料参数

下表6.2是路面各层层选用材料表：

表6.2路面材料组合方式

　6.2第一种推荐路面结构

　　6.2.1推荐路面结构设计

下表6.3分析确认了第一种推荐路面结构所属的各项主要类型参数：

　　6.2.2第一种推荐路面结构疲劳寿命分析

将参数输进入KenLayer，对路面结构进行层底水平应力值分析。厚度分别为0.07m，0.08m，0.12m，0.39m，0.21m。坐标依次为0m，0.02m,0.05m，0.10m,0.12m，0.18m,0.23m，0.30m，0.35m,0.4cm，0.50m，0.61m，0.65m，0.7m，75cm，0.82m。深度对应泊松比依次是0.25,0.25,0.25,0.25,0.35,0.4。弹性模量依次为：2250Mpa，2100Mpa,1900Mpa,1800Mpa,1000Mpa,50Mpa。利用KenLayer进行分析验算，并且通过excel整理数据如下表：

表格6.4第一种推荐的路面结构各点的层底水平应力

图表6.1第一种种推荐路面结构各自点的层底水平应力值

　　计算各层的疲劳寿命，将各类数据代入公式中4-2，。如下所示：

表格6.5第一种种推荐路面结构型各层的水平应力峰值及其疲劳寿命值

判断该设计是否满足世纪要求，观察半刚性基层与底基层底部的疲劳寿命是否均大于设计中的Ne值。

　6.2.3第一种推荐路面结构剪应力分析

将第一种剪应力数值填充到下表：

表格6.6推荐其第一种种路面结构各点的剪应力植

利用Excel软件绘出路面各个点位剪切的受力值与路面不同深度的关系图象，如下图6.2所示。

图像6.2第一种种推荐路面深度各点处的剪应受力分布图

　　抗剪应力设计的要求，由上图可以看出，第一种推荐的结构的设计能够满足。

根据本节的研究分析，推荐路面中第一种的设计方案，不仅没有使面层处的剪应力发生过大而产生路面破坏，并且还延长了基层上与底基层的疲劳寿命值，因此使最后的效果达到了期待的目标。

　6.2.4第一种推荐路面结构车辙预估分析

　6.3第二种推荐路面结构

　　6.3.1推荐路面结构设计

本节进行第二种推荐路面的结构分析，此次选用其各项参数值如下所示：

表格6.7第二种种推荐路面其结构的各项参数值

　6.3.2第二种推荐路面结构疲劳寿命分析

此次固定其他参数不便，改变材料弹性模量如下：2250Mpa，2100Mpa,1900Mpa,1800Mpa,1200Mpa,50Mpa。

将所得数据汇总到下列表中：

表格6.8第二种推荐路面的结构各点的层底水平应力值

图6.3第二种推荐路面结构各点的层底水平应力

　　利用公式4-2，计算分析各层层的疲劳寿命值，如下表所示：

表格格6.9第第二种推荐的路面的结构各层值的水平应力峰值及其疲劳寿命值

　6.3.3第二种推荐路面结构剪应力分析

利用软件计算并将各项数据汇总如下列所示：

表6.10第二种推荐路面结构各点的剪应力

图表6.4第二种种推荐路面的各点的剪应力

由图可知，抗剪应力的要求被此设计所满足。

两种结构分析比较，为了能延长下基层层与底基层的疲劳长寿命值，且并没有破坏面层。推荐路面里的第一种结构达到了预期的效果。

　6.3.4第二种推荐路面结构预估分析车辙

利用公式6-6~6-10代入各值，得出Rai=14.398mm。其小于标准值15mm，因此此设计满足条件。

6.4本章小结

通过对两种不同路面的设计结构并执行结构检查计算。对于长寿命的路面，基层结构主要决定了路面的使用寿命。因此，主要研究了下层结构的主要特点以及分布。在本章设计中基层的厚度应保持相同，并且选择的两种不同的结构的上表面层与下基层应该做到完全相同，能够保证下基层在使用过程里中能保持较好的性能;但因为所选材料的不同，会造成相应的弹性模量不同。为了更好地降低维护费用，所设计的沥青路面应该尽量减少车辙变形。将要计算的各类数据输入到软件中进行查验，然后使用Excel软件整理分析和比较数据。最后发现两种推荐的结构都可以达到设计要求，因为二者满足路面抗疲劳功能与抗车辙的功能。

　7经济性分析

考虑好路面抗车辙性和其抗疲劳性，是对长寿命路面进行设计时首先要考虑的问题，并且还需要考虑施工和维护的各类花销。路面完整的开支需主要由生命周期的成本和其另外开支构成。路面的全生命周期成本是该次主要考虑的因素，共包括服务期间的所有建设成本，一切的维护成本以及施工现场的运输成本等[16]。

推荐路面结构的材料及其厚度总结如下：

进行长寿命路面的经济值分析时，不仅要单方面考虑施工成本，更重要的是，应考虑使用期间的所有成本，包括维修养护成本。建设道路的最终目标是在道路使用期间最大化利益，同时最小化成本控制以最大化利润。除此之外，国民经济的评价、社会的评价、经济的评价等都应考虑在内[19]。在研究和分析推荐的两种路面结构类型时，不可能单独的直接评估某一年或者某一个结构的路面损坏情况，而是要将生命周期成本分析方法运用到道路经济和管理课程中的。基于此，选择最佳和最合适的结构。因此在满足设计要求后，经济评价是确定道路优劣的一定因素。[16]。

净现值法是指：路面开始从施工到结束竣工，包括试用期期间内所花费的所有一切费用都转换成现在时间点，从而计算出全部的总费用，最后计算确定整个道路全寿命周期内的所有经济情况。现采用的净现值公式如下[16]：

我们使用净现值法对两种结构进行经济性分析。

　　此次使用净现值法分析道路经济性。该路面折现率选用的是8%。设定路面要要在115年、130年以及140年分别进行较翻修，选用的分析期为40年。

先分析1公里，再对整理道路进行验算：

通过查阅可知，当地4cm中粒，6CM粗粒，36cm12%的石灰土基层，一般造价为120元/m2；水稳层150mm加4%水泥为16.88元/m2；天然砂石200mm 9.56元/m2；中粒沥青砼39.45元/m2。厚度5cm沥青当地的市场价为60元/m2左右。公路沿线地区保养维护包括路面，路基，隧道、桥涵、交叉工程以及沿线设施、养护工人区(中心)房屋的平时保养和日常维修。

在结构I的计算中，初期建设成本为3569万元，中后期维护成本为1.166亿元。年均成本约为359.25万元。结构II计算得，初期建设成本共计3723万元，中后期维护费用总计9535万元，经计算，年均成本约为342.53万元。比较表明，经济上更好的路面结构是结构II。

重新选择正常高速公路进行分析研究，建设成本约1411万元，中后期维修费用约4512万元，使用寿命15年，计算年平均值，其费用约为411.6万元。

长寿命沥青路面铺筑所使用的材料类型较复杂，且具有比一般普通路面更大的结构层厚度，因此导致路面在初始施工的过程中拥有更高的成本。但是在完全寿命使用期间内，它将通过降低维护保养成本从而创造出更高的运营效益。因此从长期发展的角度来看，拥有经济效益更好的是长寿命沥青路面结构。

结论

本论文主要得出以下结论：

（1）长寿命沥青路面一般选用的是半刚性基层结构，其路面结构可以分为三个主要的大层，从下至上依次为：底基层、基层和面层。基层可以分为上基层和下基层；而面层分为下面层、中面层和上面层。

（2）底基层是沥青路面结构中的最最主要的抗疲劳功能层。底基层的层底抗弯拉应力的增加影响其抗疲劳寿命。

（3）新路面设计时，要充分考虑设计路面的抗疲劳性、抗车辙能力及抗低温缩裂的能力。

（4）在进行探索研究时，要采用控制变量法。控制其中所有变量值固定不变，改变其中任意一个值，通过比较不同的结果，进而得出不同结论。

（5）路面设计中，任意增加各层的厚度值都可以增加基础层或者底基层的抗疲劳能力。由于基层与底基层的层底弯拉应力之间存在着相互制约的关系，因此基层与底基层的弹性模量都要控制在一个适当的范围之内。

　致谢

从论文选题到收集资料，再到写提纲，其中经历了聒噪、痛苦和彷徨，在写论文的过程中心情是五味杂陈的。开始选题时很迷茫，不知该怎么选好，幸而在同学和老师的帮助下，才得以确定。然后就是最难的找资料，由于首次写论文，不懂该怎么着手去收集、归纳资料，因而花费了好多时间在这上面，但收集到的资料真正能用上的却没多少。这时得感谢我的指导老师，他始终给予我细心的指导和不懈的支持。从论文框架到细节修改，都给予了细致的指导，提出了很多宝贵的意见与建议。老师以其严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风和大胆创新的进取精神深深地感染和激励着我。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪，这篇论文是在老师的精心指导和大力支持下才完成的。在此谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

　参考文献

[1]王旭东.关于长寿命沥青路面技术的思考[J].上海公路,2012(04):1-7+12.技,2007(12):35+38.

[2]国莉,苑红凯,史超.半刚性基层沥青路面与长寿命沥青路面比较分析[J].交通标准化,2005(10):38-41.

[3]胡艺兵,秦岭.沥青路面车辙影响因素的分析[J].黑龙江交通科

[4]于岚.高速公路路基施工技术探析[J].黑龙江科技信息,2012(23):244.

[5]付国华.长寿命沥青路面结构设计研究[D].河北工业大学,2010.

[6]PHASE E 1.A guide to the use of long-life fully-flexible pavements[R].Brussels:FFHRL REPORT,2004.

[7]宋波,薛忠军,周绪利,张涛.欧X家利用既有道路进行长寿命路面研究的综述[J].市政技术,2016,34(01):17-22.

[8]殷伟,张冬.浅谈国内外长寿命沥青路面的结构[J].山西建筑,2007(06):292-293.

[9]刘跃武.谈长寿命沥青路面[J].北方交通,2009(04):34-35.

[10]司马小.半刚性基层沥青路面典型结构设计[J].2015

[11]蔡旭.沥青路面抗车辙性能评价及结构优化[D].华南理工大学,2013.

[12]王嬿,查旭东.沥青路面低温缩裂的分析与研究[J].国外公路，2000（06）：41-45.

[13]吕文江.沥青路面结构与材料设计一体化研究[D].长安大学,2006.

[14]王德蜜.长寿命沥青路面设计方法研究[D].长安大学,2008.

[15]张志祥.长寿命沥青路面设计与试验研究[J].2007

[16]付璞.半刚性基层沥青路面结构的长寿命路面研究[D].河北工业大学.2014

[17]张兰峰.沥青路面Top-Down开裂影响因素及其评价方法研究[D].长安大学,2008.

[18]董强.重载交通改性沥青路面抗车辙性能研究[J].2008.

[19]余江.浅谈长寿命沥青路面[J].山西建筑,2008,34(35):295-296.

[20]王祺,罗红星,谢洪斌,倪小军.昆安高速公路柔性基层沥青路面全寿命经济性能分析[J].石油沥青,2009,23(02):68-71.

[21]李芸,温学明,许长青.长寿命路面结构的经济效益分析[J].交通标准化,2011(19):97-101.

[22]武建民.半刚性基层沥青路面使用性能衰变规律研究[D].长安大学,2005.

[23]刘颖.重载道路路面设计方法研究[D].长安大学硕士学位论文.2001.4:1-75.

[24]崔鹏,邵敏华,王国英,孙立军.长寿命沥青路面结构组合探讨[J].中南公路工程,2007,Vol.32(3):25-28.

[25]徐鸥明.长寿命沥青路面设计指标与设计方法研究[D].西安:长安大学,2007.

[26]张阳.基于半刚性材料的长寿命路面初步分析与试验研究[D].哈尔滨哈尔滨工业大学,2005.

[27]孟书涛.沥青路面合理结构的研究[D].南京:东南大学,2005.

[28]赵晓晴.高速公路长寿命路面典型结构技术研究[D].北京:长安大学,2005.

[29]沈金安.高速公路沥青路面早期病害预防措施的研究[R].交通部公路科学研究所,2004.

[30]王瑞山.干线公路重载交通沥青路面结构的强度及耐久性研究[D].郑州：郑州大学,2012.

[31]武金婷.半刚性基层合理层位与合理厚度研究[D].西安:长安大学,2009.

[32]JTG D50-2017公路沥青路面设计规范

[32]公路养护费用计算方法详细

[33]常莎莎.沥青路面结构组合设计[A].邯郸大友建筑设计有限公司[C],2010.