組合式基層瀝青路面結構FWD 數據特性分析

■張 超

（1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 350004）

0 引言

隨著路面結構的深入研究，我國高等級瀝青路面逐漸由單一的半剛性基層結構形式發(fā)展出柔性基層路面結構、組合式基層路面結構（倒裝路面結構）等多種形式，并在探索使用中獲得了較為良好的效果。

福建省地處我國東南沿海，具有多山濕熱的地理氣候特征，自1997 年泉廈高速通車以來，至今建成通車高速公路里程超過4000 公里。在路面結構設計上，福建省前期主要采用我國常用的半剛性基層路面結構，2006 年后開始采用組合式基層瀝青路面結構，其結構形式為：密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級配碎石+水泥穩(wěn)定碎石，通常稱其中的“瀝青穩(wěn)定碎石+級配碎石+水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層”為組合式基層。

組合式基層瀝青路面結構在理論上具有減少瀝青路面反射裂縫、排出結構內部積水的優(yōu)點，但與現行瀝青路面設計、評價的標準規(guī)程相比，其在彎沉指標的設置和研判上具有明顯的不一致。對組合式基層路面結構的彎沉指標進行研究，有助于該指標在路面設計、檢測中的應用，為改進路面結構設計方法提供參考[1]。

1 彎沉指標概述

1.1 當前彎沉指標的不足之處

長期以來，我國公路工作者普遍認為，彎沉指標不僅能夠反映路面各結構層及土基的整體強度和剛度，而且與路面的使用狀態(tài)存在一定內在聯系，是一個能夠反映路面發(fā)生沉陷、網裂等的綜合強度指標。因此，我國一直以來均采用路面彎沉作為路面結構設計、質量控制和承載能力評估的主要指標。

瀝青路面在我國使用之初，由于歷史原因，強基薄面的半剛性基層路面結構在很長時間里成為通行的結構形式，我國路面各項指標也基于此設置和使用。實際路面檢測表明，依據現行《公路瀝青路面設計規(guī)范》得到的路表計算彎沉，與組合式基層瀝青路面結構的實測值有較大的差異，這些源自路面結構的差異成為路面設計與檢測評價的障礙。

1.2 FWD 彎沉的選擇

路面彎沉是反映路面結構承載力的重要指標。當前，我國關于路面彎沉的檢測與分析主要基于貝克曼梁法，該方法測速慢、精度低，并且只檢測路面的單點彎沉，無法分析評價路基路面各結構層的材料性能。

落錘彎沉儀（FWD）是測試一定高度的標準質量重錘落下時對路基或路面所產生的瞬時變形，所測得的路面在動態(tài)荷載作用下產生的動態(tài)彎沉及彎沉盆信息，為分析路面承載能力及結構特性提供了基礎[2-3]。

FWD 法測速快、精度高、操作方便、數據信息豐富，逐漸成為路面承載能力檢測與結構分析的重要手段。本文以FWD 實測數據為基礎，分析組合式基層瀝青路面結構的彎沉數據分布特性及路面結構特征。

2 路面結構形式

為對比研究半剛性基層瀝青路面結構與組合式基層瀝青路面結構的彎沉差異，本文選擇某高速公路不同路面結構的路段進行了FWD 彎沉檢測，本段高速公路為雙向四車道，檢測車道為雙向的行車道輪跡帶。兩種路面結構形式如表1 所示。

表1 路面結構形式

表1 中兩種路面結構路段通車時間基本相當，至今運營約8 年，檢測路段分別長為30km、20km，路面保持建成時的結構形式，除了日常養(yǎng)護和局部微表處罩面外，沒有進行過大中修。

3 數據分布特征

除去橋隧構造物不檢，剔除彎沉不遞減、與其他點彎沉有明顯差距的兩類數據，組合式基層路面段落測得行車道FWD 彎沉數據461 組，半剛性基層路面段落測得行車道FWD 彎沉數據297 組。對中心彎沉值按照10μm 分檔，檢測數據數值分布情況如下表2 所示。

表2 FWD 彎沉數據分布

圖1 FWD 彎沉數據分布

圖2 FWD 彎沉數據占比

根據表2 數據分布情況，繪制出兩種路面結構FWD 數據分布與占比曲線，如圖1 和2 所示。

（1）正態(tài)分布檢驗

對“組合式基層”和“半剛性基層”路面結構的FWD 彎沉數據分布進行統(tǒng)計檢驗，兩種路面結構的概率P 值分別為0.29 和0.748，大于顯著性水平（0.05），可以認為兩者的總體分布與正態(tài)分布沒有顯著差異，即兩者的總體分布均為正態(tài)分布。

（2）偏度和峰度

統(tǒng)計分析得出，兩種路面結構FWD 數據的偏度分別為2.324 和-0.801，組合式基層路面結構為正偏斜，而半剛性基層路面結構為負偏斜；兩種路面結構FWD數據的峰度分別為1.412 和0.512，均大于0，呈尖峰分布，組合式基層路面結構的峰度較大，正態(tài)分布較集中。

數據樣本假設性檢驗表明，兩種路面結構FWD 數據的樣本均值存在顯著性差異，組合式基層路面結構的總樣本均值大于半剛性基層路面結構；由正態(tài)分布的特點，兩種路面結構FWD 數據分布分別關于（220～230μm）和（160～170μm）對稱，最大值分別為16.8%和12.4%。

按照路面FWD 數據占比，半剛性基層路面結構60%的數據（20%～80%）分布范圍為140μm～210μm，而組合式基層路面結構60%的數據（20%～80%）分布范圍為210μm～270μm，組合式基層路面結構FWD 數據在數值上大于“半剛性基層”路面結構，分布范圍較窄。

4 彎沉盆特征

利用FWD 路表彎沉盆及其衍生參數對結構層狀況進行評價是路面動力響應研究的重要途徑之一[4]。

本文根據不同路面結構FWD 彎沉數據分布，對半剛性基 層 瀝 青 路 面130μm ～180μm 和 組 合 式 基 層 路 面210μm～260μm 數據集中分布范圍的彎沉盆進行分析。分析時，對中心彎沉按照每10μm 一個分段，對段內彎沉盆各測點數值進行平均，作為該點的彎沉測值，繪制彎沉盆形狀如下圖3 所示。

圖3 兩種路面結構彎沉盆形式

根據檢測數據，分三段（d0/d1,d1/d5,d5/d8,d0為彎沉中心點，d1、d5、d8距中心點d0分別為200mm、900mm 和1800mm）計算圖3 彎沉曲線不同測點比值如下表3 所示。

表3 彎沉盆分段斜率計算結果

由圖3 和表3 計算結果可以看出，兩種不同路面結構的彎沉盆形式有著明顯的差別，對于組合式基層瀝青路面結構，除了中心彎沉值較大外（組合式基層瀝青路面結構的中心彎沉值分布峰值約為半剛性基層瀝青路面結構的1.5 倍），其彎沉盆坡度也整體較大，半剛性基層路面結構的彎沉盆總體上“淺且大”，組合式基層路面結構的彎沉盆則“深且窄”。

5 路面結構分析

對于半剛性基層路面結構而言，有研究指出，彎沉盆參數可以歸結為四個方面[5]：①承載板中心彎沉盆反映路面結構整體剛度；②加載中心附近彎沉盆坡度及差異反映路面上部結構的相對剛度；③300～900mm 附近的彎沉盆坡度及差異反映下部結構或路面基層的相對剛度；④彎沉盆末端彎沉反映路基剛度。

在組合式基層瀝青路面結構中，倒裝結構使該路面結構上部瀝青層與級配碎石層、級配碎石層與下部水泥穩(wěn)定碎石層的模量比出現順序與比值的根本變化，并且級配碎石夾層的力學狀態(tài)特性及其與相鄰層位的接觸條件也異于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，所以組合式基層瀝青路面結構彎沉盆表現出來的性狀特性及其表征的路面結構性能，有其自身不同的含義。

（1）承載板中心彎沉盆雖然總體上反映路面結構整體剛度，但更集中反映了級配碎石層的結構狀態(tài)。

與半剛性基層路面結構相比，組合式基層路面結構瀝青層（含ATB-25 層）厚度大，起到部分承重層作用，置于瀝青混凝土與水泥穩(wěn)定碎石層之間的級配碎石，其未處置粒料具有顯著的非線性特點,模量參數與其在路面結構中所處的應力狀態(tài)密切相關,即其模量參數受到上覆層厚度與模量、下承層模量及粒料層本身厚度等眾多因素的影響。

半剛性基層路面結構與組合式基層路面結構的最大差異體現在“級配碎石”層的設置上，這個路面結構上的最大差異在FWD 彎沉盆中則體現在最為顯著的中心彎沉盆上。由數據可以解讀：FWD 中心彎沉越大，路面整體剛度越小，“級配碎石”層與瀝青混凝土層模量比越大，其對路面強度影響越大，即其材料質量越不穩(wěn)定，甚至在一定程度上產生卸載末期變形不恢復的情況。

（2）“加載中心附近彎沉盆”坡度及差異主要反映“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級配碎石”結構層的剛度，尤其反映了“級配碎石”層對其上部結構層剛度的影響。

“加載中心附近彎沉盆”半徑通常是指承載板中心點至彎沉盆曲線凸點的距離，在半剛性基層路面結構中，彎沉盆曲線凸點距中心的距離通常為300mm，但從本文數據看，組合式基層路面結構中這個距離則為200mm?！凹虞d中心附近彎沉盆”半徑的大小主要反映了FWD 沖擊荷載在瀝青層的下承層中的影響范圍，在半剛性基層路面結構中，瀝青層的下承層為半剛性水泥穩(wěn)定碎石材料，在組合式基層路面結構中，瀝青層的下承層則為級配碎石層。

“加載中心附近彎沉盆”的數據解讀主要分為兩個部分：一是彎沉盆半徑，主要受級配碎石層厚度影響較大，同厚度級配碎石的路面結構中，該半徑變化較??；另外一個是彎沉盆坡度，主要反映級配碎石材料的壓實質量，同等應力狀態(tài)條件下，彎沉盆坡度越大，級配碎石材料的模量越小，壓實質量則越差。

（3）“中段彎沉盆”坡度及差異反映組合式基層路面下部結構“水泥穩(wěn)定碎石”層的相對剛度。

“中段彎沉盆”是指彎沉盆曲線凸點至曲線末端直線段起點的距離。組合式基層路面結構中，該范圍內的彎沉盆曲線逐漸脫離級配碎石層的顯著影響，級配碎石下承層——半剛性水泥穩(wěn)定碎石層的影響增加，彎沉盆曲線特性體現了半剛性水泥穩(wěn)定碎石自身厚度、強度對整個路面結構相對剛度的影響。

“中段彎沉盆”半徑越大或者坡度越小，說明組合式基層中半剛性底基層的剛度越大，反之，則說明半剛性底基層的剛度相對較小。

（4）彎沉盆末端彎沉反映組合式基層路面上部結構“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石”層的相對剛度。

在半剛性基層路面結構中，彎沉盆末端彎沉反映路基剛度，但在組合式基層路面結構中，由于級配碎石夾層的存在，半剛性基層與級配碎石層之間、級配碎石層與瀝青穩(wěn)定碎石層之間存在顯著的非連續(xù)接觸狀況，路基應變向上反映到彎沉盆末端的路徑被消滯，所以末端彎沉受近中心點瀝青面層應變的影響更大，即其更多反映的是上部瀝青混凝土層的剛度。

6 結語

對比半剛性基層瀝青路面，組合式基層瀝青路面結構在FWD 彎沉指標上主要有以下特性：

（1）FWD 彎沉數據雖然同樣為正態(tài)分布，但組合式基層路面結構的峰度較大，正態(tài)分布更集中。

（2）組合式基層路面結構的總樣本均值大于半剛性基層路面結構；FWD 數據分布分別關于（220～230μm）和（160～170μm）對稱。

（3）彎沉盆形狀存在明顯差異，相比而言，半剛性基層路面結構的彎沉盆“淺且大”，組合式基層路面結構的彎沉盆則“深且窄”。

（4）承載板中心彎沉盆更集中反映了級配碎石層的結構狀態(tài)，FWD 中心彎沉越大，表明“級配碎石”層所處狀態(tài)對路面影響越大，其材料質量越不穩(wěn)定。

（5）“加載中心附近彎沉盆”主要反映“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石+級配碎石”結構層的剛度，彎沉盆坡度與級配碎石材料壓實質量密切相關，坡度越大則壓實質量越差。

（6）“中段彎沉盆”反映下部結構“水泥穩(wěn)定碎石”層的相對剛度，“中段彎沉盆”半徑越大或者坡度越小，表明組合式基層中半剛性底基層的剛度越大，反之亦然。

（7）彎沉盆末端彎沉反映上部結構“密集配瀝青混凝土+瀝青穩(wěn)定碎石”層的相對剛度。

[1]王旭東.瀝青路面彎沉指標的探討[J].公路交通科技，2015,32（1）：1-11.

[2]唐昱.瀝青路面結構層參數對路表彎沉盆影響分析[J].交通科學與工程，2015,31（1）：27-32.

[3]羅啟添，邱欣，楊青.基于FWD 路表動態(tài)彎沉盆參數的路基模量評價研究［J］.公路工程，2011,36（2）：4-12.

[4]楊國良.基于落錘式彎沉儀評價路基路面結構層狀況的研究［D］.廣州：華南理工大學，2007.

[5]邱欣，楊青，游慶龍.瀝青路面阻尼特征參數及路表動態(tài)彎沉盆分布特征研究[J].公路交通科技，2013,30（7）：1-6.