[0001] 本发明涉及道路工程设计技术领域，具体涉及一种基于强路基的高韧性沥青路面结构及设计方法。

[0002] 沥青路面因其表面平整、行车舒适的特点，目前已成为公路的主要结构形式。

[0003] 现役高速公路所采用的沥青路面结构以半刚性基层沥青路面为主，设计寿命为15年。以设计交通荷载(当量轴载)条件下路面结构总体刚度(承载能力)以及沥青层、半刚性层疲劳开裂损坏为设计指标。基于现行的设计理念，使用末期路面因结构性疲劳损坏需要重建。由于交通量不断增加，重载超载现象严重，加上气候不断变化极端天气频发，现役路面经常达不到设计年限就出现了早期损坏，使得因高速公路维修造成的污染和交通拥堵日益突出。

[0004] 因此，亟需提出一种基于强路基的高韧性沥青路面结构及设计方法，提升沥青路面结构的韧性和耐久性，以应对复杂自然环境和日益增加的交通荷载对沥青路面结构的影响。

[0031] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。

[0032] 实施例1

[0033] 本发明提出了一种基于强路基的高韧性沥青路面结构设计方法，如图1所示，用于设计基于强路基的高韧性沥青路面结构，包括以下步骤：

[0034] 步骤1，根据高韧性沥青路面结构的铺设位置，获取铺设位置周围现役高速公路的全年轴载谱和全年温度场，基于全年轴载谱获取最大交通轴载，最大交通轴载可以为单轴或双联轴或三联轴，再基于全年温度场获取现役高速公路全年温度场中的最大值作为最高温度，确定高韧性沥青路面结构的最大交通轴载和最高温度。

[0035] 步骤2，获取高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，所述初拟设计方案包括高韧性沥青路面结构的各结构层的材料类型、厚度、动态模量和泊松比，其中，高韧性沥青路面结构内设置有多个结构层，由下至上依次为路基、底基层、基层和面层，其中，面层由下至上依次设置为下面层、中面层和上面层。

[0036] 根据高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，分析全年温度场获取现役高速公路路面结构深度与温度之间的关系，确定最高温度下高韧性沥青路面结构中各结构层的动态模量，更新高韧性沥青路面结构设计方案。

[0037] 步骤3，根据更新后的高韧性沥青路面结构设计方案，基于半解析法有限元构建高韧性沥青路面结构数值模型，以最大交通轴载作为高韧性沥青路面结构数值模型的荷载，利用高韧性沥青路面结构数值模型进行模拟，得到高韧性沥青路面结构数值模型的路面设计指标，所述高韧性沥青路面结构数值模型的路面设计指标包括高韧性沥青路面结构的最大剪应力、面层的层底弯拉应变、底基层的层底弯拉应变和路基顶部压变，其中，高韧性沥青路面结构最大剪应力的临界值为0.12MPa，面层的层底弯拉应变的临界值为80με，高底基层的层底弯拉应变临界值为0.15MPa，路基顶部压变的临界值为120με。

[0038] 根据高韧性沥青路面结构数值模型模拟结果，结合各路面设计指标的临界值，判断各路面设计指标值是否在预设的临界值以内。

[0039] 步骤4，若各路面设计指标值均处于临界值内，则将更新后的高韧性沥青路面结构设计方案作为最佳设计方案，得到高韧性沥青路面结构的最终设计方案；否则，则调整高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，重新构建高韧性沥青路面结构数值模型进行模拟，直至得到高韧性沥青路面结构的最佳设计方案。

[0040] 实施例2

[0041] 本实施例采用实施例1中所述的基于强路基的高韧性沥青路面结构设计方法设计高速公路A的高韧性沥青路面结构，该高速公路位于鲁西南地区，全长67.8公里，采用双向六车道标准设计，设计速度120公里/小时，基于强路基的高韧性沥青路面结构设计过程具体包括以下步骤：

[0042] 步骤1，根据高速公路A的铺设位置，获取铺设位置周围现役高速公路的全年轴载谱和全年温度场。

[0043] 基于全年轴载谱，通过对周围现役高速公路一整年轴载谱调查分析，确定最大交通轴载为三联轴530KN，以此作为高韧性沥青路面结构的最大交通轴载。

[0044] 根据全年温度场，通过对高速公路A所在区域一整年温度场统计分析，获取现役高速公路全年温度场中的最大值并作为最高温度。

[0045] 步骤2，获取高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，如表1所示。

[0046] 表1高韧性沥青路面结构的初拟设计方案

[0047] 结构层编号 层位 材料类型 厚度(mm) 模量(MPa) 泊松比1 面层 高韧性抗滑磨耗层 40 12000 0.25
2 面层 高模量高韧性沥青混合料 60 14000 0.25
3 面层 AC‑25 80 12500 0.25
4 基层 高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25 100 13000 0.25
5 底基层 高韧性水泥稳定碎石 200 16000 0.25
6 路基 土基 / 160 0.4

[0048] 本实施例中，所述路基为强路基，即为强化路基；所述底基层为高韧性水泥稳定碎石底基层；所述基层为高韧性沥青稳定碎石基层；所述面层为沥青混合料层，由下到上依次为AC‑25基质沥青混凝土层、高模量高韧性沥青混合料层和高韧性抗滑磨耗层。

[0049] 根据高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，分析全年温度场获取现役高速公路路面结构深度与温度之间的关系，如表2所示。

[0050] 表2不同深度路面结构的温度表

[0051] 路面结构深度(cm) 0 4 10 16 24 30 38路面结构层温度(cm) 34.87 45.88 43.78 40.91 38.74 37.65 36.76

[0052] 通过确定最高温度下高韧性沥青路面结构中各结构层的动态模量，更新高韧性沥青路面结构设计方案，如表3所示。

[0053] 表3高韧性沥青路面结构的更新设计方案

[0054] 结构层编号 层位 材料类型 厚度(mm) 模量(MPa) 泊松比1 面层 高韧性抗滑磨耗层 40 3725 0.25
2 面层 高模量高韧性沥青混合料 60 4281 0.25
3 面层 AC‑25 80 2839 0.25
4 基层 高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25 100 4063 0.25
5 底基层 高韧性水泥稳定碎石 200 16000 0.25
6 路基 土基 / 160 0.4

[0055] 步骤3，根据更新后的高韧性沥青路面结构设计方案，基于半解析法有限元构建高韧性沥青路面结构数值模型，以最大交通轴载作为高韧性沥青路面结构数值模型的荷载，利用高韧性沥青路面结构数值模型进行模拟，得到高韧性沥青路面结构数值模型的路面设计指标，如表4所示。

[0056] 表4高温状态下高韧性沥青路面结构数值模型的力学响应模拟结果

[0057]

[0058] 步骤4，根据各路面设计指标的预设临界值，分析表4可得，本实施例中采用更新后高韧性沥青路面结构设计方案模拟得到的力学响应模拟结果均处于临界值内，确定步骤3中更新后的高韧性沥青路面结构设计方案为高韧性沥青路面结构的最佳设计方案，得到高韧性沥青路面结构的最终设计方案，完成对高韧性沥青路面结构的设计。

[0059] 本实施例基于高速公路A的高韧性沥青路面结构最佳设计方案，提出了一种基于强路基的高韧性沥青路面结构。

[0060] 本实施例中，所述基于强路基的高韧性沥青路面结构如图2所示，包括由下至上依次设置的强路基1、高韧性水泥稳定碎石底基层2、高韧性沥青稳定碎石基层3、沥青混合料层，其中，沥青混合料层由下至上依次设置有下面层、中面层和上面层，下面层设置为AC‑25基质沥青混凝土层4，中面层设置为高模量高韧性沥青混合料层5，上面层设置为高韧性抗滑磨耗层6。

[0061] 本实施例中，所述强路基具体为顶面回弹模量不小于160MPa的强化路基，且每0.01mm的弯沉值不超过155。

[0062] 所述高韧性水泥稳定碎石底基层采用高韧性水泥稳定碎石铺设，高韧性水泥稳定碎石由橡胶颗粒和聚丙烯纤维混合而成协同增韧，高韧性水泥稳定碎石底基层的回弹模量为24000MPa～36000MPa，厚度设置为20cm。

[0063] 所述高韧性沥青稳定碎石基层采用高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25铺设，厚度设置为10cm；所述高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25由50#基质沥青和高粘改性剂混合而成，其中，50#基质沥青的含量为4.0％，高粘改性剂添加量为50#基质沥青质量的7％。

[0064] 所述沥青混合料层中，AC‑25基质沥青混凝土层采用改性沥青AC‑25铺设，厚度设置为8cm。

[0065] 所述高模量高韧性沥青混合料层采用高模量高韧性沥青混合料HMHTAC‑20铺设，厚度设置为6cm，高模量高韧性沥青混合料HMHTAC‑20中含有高韧性改性剂，且所述高模量高韧性沥青混合料层在70℃下车辙试验的动稳定度不低于3500，在60℃、10Hz条件下高模量高韧性沥青混合料层的动态模量不小于500MPa，高模量高韧性沥青混合料层的微应变四点弯曲疲劳寿命不低于800万次，在20℃、10Hz条件下高模量高韧性沥青混合料层的动态模量为13000MPa～15500MPa。

[0066] 所述高韧性抗滑磨耗层采用高韧性抗滑磨耗沥青混合料铺设，厚度设置为4cm，所述高韧性抗滑磨耗沥青混合料由高粘高弹改性沥青和改性玄武岩短切纤维混合而成，其中，改性玄武岩短切纤维的添加量为沥青混合料质量的0.44％，在20℃、10Hz条件下高韧性抗滑磨耗层的动态模量为10000MPa～13500MPa。

[0067] 实施例3

[0068] 本实施例采用实施例1中所述的基于强路基的高韧性沥青路面结构设计方法设计高速公路B的高韧性沥青路面结构，该高速公路位于鲁中地区，全长125.8公里，采用双向四车道标准设计，设计速度120公里/小时，基于强路基的高韧性沥青路面结构设计过程具体包括以下步骤：

[0069] 步骤1，根据高速公路B的铺设位置，获取铺设位置周围现役高速公路的全年轴载谱和全年温度场。

[0070] 基于全年轴载谱，通过对周围现役高速公路一整年轴载谱调查分析，确定最大交通轴载为双联轴415KN，以此作为高韧性沥青路面结构的最大交通轴载。

[0071] 根据全年温度场，通过对高速公路B所在区域一整年温度场统计分析，获取现役高速公路全年温度场中的最大值并作为最高温度。

[0072] 步骤2，获取高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，如表5所示。

[0073] 表5高韧性沥青路面结构的初拟设计方案

[0074] 结构层编号 层位 材料类型 厚度(mm) 模量(MPa) 泊松比1 面层 高韧性抗滑磨耗层 40 12500 0.25
2 面层 高模量高韧性沥青混合料 80 14500 0.25
3 面层 AC‑25 80 12500 0.25
4 基层 高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25 80 14000 0.25
5 底基层 高韧性水泥稳定碎石 220 15000 0.25
6 路基 土基 / 170 0.4

[0075] 本实施例中，所述路基为强路基，即为强化路基；所述底基层为高韧性水泥稳定碎石底基层；所述基层为高韧性沥青稳定碎石基层；所述面层为沥青混合料层，由下到上依次为AC‑25基质沥青混凝土层、高模量高韧性沥青混合料层和高韧性抗滑磨耗层。

[0076] 根据高韧性沥青路面结构的初拟设计方案，分析全年温度场获取现役高速公路路面结构深度与温度之间的关系，如表6所示。

[0077] 表6不同深度路面结构的温度表

[0078]路面结构深度(cm) 0 4 10 16 24 30 38
路面结构层温度(cm) 38.58 45.88 43.78 40.91 38.74 37.65 36.76

[0079] 通过确定最高温度下高韧性沥青路面结构中各结构层的动态模量，更新高韧性沥青路面结构设计方案，如表7所示。

[0080] 表7高韧性沥青路面结构的更新设计方案

[0081] 结构层编号 层位 材料类型 厚度(mm) 模量(MPa) 泊松比1 面层 高韧性抗滑磨耗层 40 3283 0.25
2 面层 高模量高韧性沥青混合料 80 3849 0.25
3 面层 AC‑25 80 2406 0.25
4 基层 高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25 80 3691 0.25
5 底基层 高韧性水泥稳定碎石 220 16000 0.25
6 路基 土基   170 0.4

[0082] 步骤3，根据更新后的高韧性沥青路面结构设计方案，基于半解析法有限元构建高韧性沥青路面结构数值模型，以最大交通轴载作为高韧性沥青路面结构数值模型的荷载，利用高韧性沥青路面结构数值模型进行模拟，得到高韧性沥青路面结构数值模型的路面设计指标，如表8所示。

[0083] 表8高温状态下高韧性沥青路面结构数值模型的力学响应模拟结果

[0084]

[0085] 步骤4，根据各路面设计指标的预设临界值，分析表8可得，面层层底弯拉应变未在临界值以内，所以对高韧性沥青路面结构设计方案进行调整，将高韧性沥青路面结构的高韧性沥青稳定碎石基层的厚度由80mm调整为100mm。

[0086] 基于调整后的高韧性沥青路面结构设计方案，重新构建高韧性沥青路面结构数值模型进行模拟，得到调整后高韧性沥青路面结构数值模型的路面设计指标，如表9所示。

[0087] 表9调整后高韧性沥青路面结构数值模型的力学响应模拟结果

[0088]

[0089] 调整后高韧性沥青路面结构设计方案模拟得到的力学响应模拟结果均处于临界值内，确定调整后的高韧性沥青路面结构设计方案为高韧性沥青路面结构的最佳设计方案，得到高韧性沥青路面结构的最终设计方案，完成对高韧性沥青路面结构的设计。

[0090] 本实施例基于高韧性沥青路面结构的最佳设计方案铺设，提出了一种基于强路基的高韧性沥青路面结构。

[0091] 本实施例中，所述基于强路基的高韧性沥青路面结构如图2所示，包括由下至上依次设置的强路基1、高韧性水泥稳定碎石底基层2、高韧性沥青稳定碎石基层3、沥青混合料层，其中，沥青混合料层由下至上依次设置有下面层、中面层和上面层，下面层设置为AC‑25基质沥青混凝土层4，中面层设置为高模量高韧性沥青混合料层5，上面层设置为高韧性抗滑磨耗层6。

[0092] 本实施例中，所述强路基具体为顶面回弹模量不小于160MPa的强化路基，且每0.01mm的弯沉值不超过155。

[0093] 所述高韧性水泥稳定碎石底基层采用高韧性水泥稳定碎石铺设，高韧性水泥稳定碎石由橡胶颗粒和聚丙烯纤维混合而成协同增韧，高韧性水泥稳定碎石底基层的回弹模量为24000MPa～36000MPa，厚度设置为22cm。

[0094] 所述高韧性沥青稳定碎石基层采用高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25铺设，厚度设置为10cm；所述高韧性沥青稳定碎石HTAM‑25由50#基质沥青和高粘改性剂混合而成，其中，50#基质沥青的含量为4.0％，高粘改性剂添加量为50#基质沥青质量的7％。

[0095] 所述沥青混合料层中，AC‑25基质沥青混凝土层采用改性沥青AC‑25铺设，厚度设置为8cm。

[0096] 所述高模量高韧性沥青混合料层采用高模量高韧性沥青混合料HMHTAC‑20铺设，厚度设置为8cm，高模量高韧性沥青混合料HMHTAC‑20中含有高韧性改性剂，且所述高模量高韧性沥青混合料层在70℃下车辙试验的动稳定度不低于3500，在60℃、10Hz条件下高模量高韧性沥青混合料层的动态模量不小于500MPa，高模量高韧性沥青混合料层的微应变四点弯曲疲劳寿命不低于800万次，在20℃、10Hz条件下高模量高韧性沥青混合料层的动态模量为13000MPa～15500MPa。

[0097] 所述高韧性抗滑磨耗层采用高韧性抗滑磨耗沥青混合料铺设，厚度设置为4cm，所述高韧性抗滑磨耗沥青混合料由高粘高弹改性沥青和改性玄武岩短切纤维混合而成，其中，改性玄武岩短切纤维的添加量为沥青混合料质量的0.44％，在20℃、10Hz条件下高韧性抗滑磨耗层的动态模量为10000MPa～13500MPa。

[0098] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。