高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

張志勇、桑明麗

（江西省交通科學(xué)研究院有限公司，江西 南昌 330200）

1 路面結(jié)構(gòu)及交通參數(shù)

1.1 路面結(jié)構(gòu)

以江西某交通工程項(xiàng)目為例，選擇半剛性基層路面材料為研究背景，采用HPDS2017 軟件對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)算。該路面工程的結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)見(jiàn)表1。其中，瀝青模量參數(shù)為在20℃、10Hz 條件下，動(dòng)態(tài)壓縮模量的變化，考慮到水泥穩(wěn)定碎石層參數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)要求，需要通過(guò)修正系數(shù)確定彈性模量。同時(shí)從級(jí)配碎石模型值分析，當(dāng)參數(shù)值為濕度則需要調(diào)節(jié)回彈模量值，并且在分析土基模量值后確定是否為平衡濕度，此時(shí)考慮凍融循環(huán)與干濕系數(shù)，而后根據(jù)系統(tǒng)情況做出改進(jìn)和調(diào)整。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

1.2 交通參數(shù)

在目前的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于路面結(jié)構(gòu)有明確的要求，每項(xiàng)參數(shù)都必須加強(qiáng)控制，才能達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足公路交通通行的安全性要求。在公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定性疲勞壽命次數(shù)分析中，交通參數(shù)的作用就是分析該類型材料的疲勞壽命次數(shù)；在瀝青路面結(jié)構(gòu)變形分析中，交通參數(shù)的作用是確定瀝青混合料層永久變形量；在半剛性基層瀝青路面分析中，交通參數(shù)的確定會(huì)對(duì)瀝青面層永久變形計(jì)算結(jié)論帶來(lái)直接的影響。在研究環(huán)節(jié)，更好地掌握和了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)造成的影響，綜合確定設(shè)計(jì)軸載的次數(shù)，同時(shí)還要加大力度對(duì)交通參數(shù)進(jìn)行分析?？紤]到結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的要求，避免出現(xiàn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的情況。在具體分析階段，參數(shù)值的選擇通常比較保守，通過(guò)分析大客車的計(jì)算結(jié)構(gòu)可以了解到，底基層疲勞壽命次數(shù)在一定的范圍內(nèi)與面層模量的增加頻率有密切的聯(lián)系。但是總體來(lái)說(shuō)是變大的趨勢(shì)，最為顯著變化的是上面層模量數(shù)據(jù)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的驗(yàn)算要求，分析疲勞壽命次數(shù)因子、與材料模量相關(guān)的底基層層底拉應(yīng)力及溫度調(diào)整系數(shù)[1]。

2 材料參數(shù)影響分析

通過(guò)對(duì)表1 數(shù)據(jù)的分析，掌握相應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)層模量數(shù)據(jù)并做出調(diào)整，確定各項(xiàng)參數(shù)所產(chǎn)生的影響，將其應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，開(kāi)展各項(xiàng)水穩(wěn)結(jié)構(gòu)層壽命的控制，掌握具體的變形量數(shù)據(jù)，為后續(xù)的應(yīng)用提供基礎(chǔ)，不會(huì)對(duì)路面的通行產(chǎn)生不利影響。

2.1 瀝青面層模量變化

執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在設(shè)計(jì)時(shí)，選擇上、中、下面層不同條件下的動(dòng)態(tài)壓縮模量數(shù)據(jù)信息，保持在9000～13500MPa 區(qū)間內(nèi)，根據(jù)這一數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算確定底基層疲勞壽命次數(shù)與瀝青面層永久變形量。

圖1 為瀝青面層模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)關(guān)系變化規(guī)律圖。通過(guò)對(duì)圖1 中的變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)，在底基層層底拉應(yīng)力時(shí)刻處于變化中，會(huì)伴隨著面層模量增加而減小，符合彈性理論的要求，和結(jié)構(gòu)模量有關(guān)聯(lián)性。如果減小層底拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的抗開(kāi)裂效果會(huì)得到提高。溫度調(diào)整系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生影響，極易出現(xiàn)面層模量變大的情況，壽命也會(huì)縮短。因此，瀝青路面在投入使用后，其壽命會(huì)因?yàn)槊鎸影l(fā)生變形而改變，其主要的變化狀態(tài)是上面層模量增大而減小，而下面層的變化趨勢(shì)正好相反，導(dǎo)致這一問(wèn)題是多數(shù)瀝青混合料的不同層面的豎向應(yīng)力變化。對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)展開(kāi)分析計(jì)算，掌握荷載參數(shù)，確定瀝青混合料的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)模量影響變形的問(wèn)題，且變化發(fā)展的規(guī)律和混合料的層位有關(guān)系。在這種情況下，應(yīng)該優(yōu)化改善抗車轍性能，確定模量條件，確保變形不會(huì)超出規(guī)范性的標(biāo)準(zhǔn)，但是具體的方向調(diào)整應(yīng)經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)算分析確定[2]。

圖1 瀝青面層模量與計(jì)算因子的關(guān)系

2.2 水泥穩(wěn)定層模量變化

在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，通過(guò)對(duì)各個(gè)路面位置的彈性模量進(jìn)行計(jì)算，基層彈性模量取值范圍控制在9000～14000MPa 之間，底基層彈性模量取值范圍控制在7000～10000MPa 之間，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 水泥穩(wěn)定層模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

通過(guò)對(duì)圖2 分析可知，基層疲勞壽命次數(shù)出現(xiàn)了小范圍的變化，其變化值從2.93×109增大到3.85×109，而在底基層模量參數(shù)增加以后，其系數(shù)也發(fā)生變化，由4.54×109減小到2.67×109。分析兩層永久變形的特性方面，發(fā)現(xiàn)其隨著基層模量的不斷增加而增大，也會(huì)隨著底基層模量變化而變化。在這種情況之下，水泥穩(wěn)定材料如果受到的彎拉強(qiáng)度在規(guī)定的范圍內(nèi)，基本處于恒定條件時(shí)，可以通過(guò)提升基層模量、降低底基層模量等方法，有效地消除疲勞開(kāi)裂的問(wèn)題，延長(zhǎng)壽命[3]。

2.3 土基回彈模量變化

從實(shí)際應(yīng)用的效果的角度，對(duì)土基回彈模量展開(kāi)分析，取值范圍在40～70MPa 之間，如圖3 所示。

圖3 土基回彈模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

通過(guò)圖3 可知，土基回彈模量增加以后，疲勞壽命次數(shù)也隨之增加，此時(shí)檢測(cè)后確定的瀝青面層變形并不明顯。這是因?yàn)橥度脒\(yùn)營(yíng)后，土基頂面回彈模量較高，容易發(fā)生底基層層底拉應(yīng)力不足的情況，但是影響的范圍并不大。在方案設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，還要采取措施，提升路基性能，有效降低半剛性基層的疲勞開(kāi)裂概率，對(duì)于提升結(jié)構(gòu)的質(zhì)量產(chǎn)生積極的作用。

2.4 結(jié)構(gòu)層模量敏感性

為了快速確定相應(yīng)的各個(gè)層內(nèi)的結(jié)構(gòu)模量數(shù)據(jù)，以正交試驗(yàn)的方法掌握相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。選擇應(yīng)用表2 中的4 個(gè)因素，并進(jìn)行五水平正交試驗(yàn)分析，具體可見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平模量單位：MPa

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.1 瀝青面層厚度變化

通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，在瀝青面層厚度增大的情況下，可以有效地提升水穩(wěn)層的疲勞壽命。一般而言，瀝青結(jié)構(gòu)層的厚度增加1cm，疲勞壽命增加約4%，并且每層的厚度變化對(duì)于疲勞壽命的影響比較一致。在上面層厚度增大的情況下，會(huì)造成瀝青面層永久變形量的減小，中面層變化并不會(huì)對(duì)瀝青面層永久變形量產(chǎn)生過(guò)大的影響，下面層厚度的增大則會(huì)使得瀝青面層永久變形速度加快。分析形成這一現(xiàn)象的原因：一是通過(guò)調(diào)整瀝青面層結(jié)構(gòu)的厚度計(jì)算永久變形時(shí)，不同層所存在的豎向拉應(yīng)力有差異。二是選擇使用的上中面層瀝青材料的高溫穩(wěn)定性不同，所以出現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好的狀態(tài)。在模型計(jì)算中，通常根據(jù)較小的車轍試驗(yàn)永久變形。由此可見(jiàn)，在瀝青路面的設(shè)計(jì)中，通過(guò)增加面層結(jié)構(gòu)厚度的方式，可以提升瀝青面層的高溫穩(wěn)定性，并具備一定的抗車轍性能。這種情況只出現(xiàn)在高溫穩(wěn)定性良好的瀝青面層上，不適用于高溫穩(wěn)定性較差的情況。在瀝青面層厚度的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，主要是受到集料工程粒徑、施工環(huán)境因素的影響，所以在選擇上面層厚度時(shí)，其變化范圍為4～6cm，中面層厚度變化范圍為5～7cm，下面層厚度變化范圍為7～9cm。

3.2 水泥穩(wěn)定層厚度變化

以某省的公路路面結(jié)構(gòu)形式為案例進(jìn)行分析，在穩(wěn)定結(jié)構(gòu)層設(shè)置時(shí)，水泥穩(wěn)定層的厚度參數(shù)分別為36cm+36cm、36cm+20cm 和20cm+36cm，具體如圖4所示。

圖4 水泥穩(wěn)定層厚度與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

分析圖4 的變化范圍可以發(fā)現(xiàn)，在水泥穩(wěn)定層厚度發(fā)生變化的條件下，并不會(huì)直接影響瀝青面層的永久變形量，但是會(huì)引發(fā)疲勞壽命次數(shù)的變化。通過(guò)分析目前的底基層厚度層數(shù)，掌握相應(yīng)的疲勞壽命次數(shù)，采取措施增加疲勞壽命次數(shù)。水泥穩(wěn)定基層如果結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，在厚度不變的情況下，基層厚度不斷地縮小，疲勞壽命次數(shù)也會(huì)不斷地減少。因此，從路基性能方面展開(kāi)分析，了解其基礎(chǔ)條件信息，做好現(xiàn)場(chǎng)控制，使各項(xiàng)參數(shù)符合要求，可以根據(jù)需要調(diào)整水泥穩(wěn)定層厚度，確?；鶎咏Y(jié)構(gòu)的抗疲勞開(kāi)裂性能處于合理的范圍內(nèi)。

3.3 計(jì)算公路結(jié)構(gòu)彎沉值

在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，路面彎沉值是重要的參數(shù)，主要通過(guò)彈性層狀體系理論展開(kāi)計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)分析，實(shí)測(cè)參數(shù)值與理論參數(shù)有很大的差異。在研究之后可以了解到，這種差異變化具有規(guī)律性。在路基高度較低的情況下，應(yīng)用計(jì)算公式確定的面層厚度會(huì)超出設(shè)計(jì)規(guī)定的要求；如果路基高度相對(duì)較高，那么厚度就應(yīng)該適當(dāng)減小。按照路基材料不是非線性彈性體，分析材料的抗變形能力，并不能準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)部的形態(tài)。

3.4 計(jì)算層底拉應(yīng)力

在瀝青路面的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，疲勞開(kāi)裂是必須要考慮的一個(gè)問(wèn)題。分析疲勞開(kāi)裂的原因，多數(shù)都是層底拉應(yīng)力較大。為了有效地緩解這一情況，或者降低發(fā)生概率，設(shè)計(jì)人員應(yīng)隨時(shí)進(jìn)行瀝青面層與半剛性基層拉應(yīng)力的檢測(cè)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)點(diǎn)的拉應(yīng)力情況展開(kāi)全面深入的分析，確保拉應(yīng)力參數(shù)值在合理的范圍內(nèi)。與路面容許拉應(yīng)力參數(shù)值對(duì)比分析，查看是否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，是提高設(shè)計(jì)水平的關(guān)鍵。此外，在層底拉應(yīng)力計(jì)算的環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)人員必須綜合分析材料的質(zhì)量性能，根據(jù)不同的情況選擇合適的材料，以確定最佳的設(shè)計(jì)方案。但是也要注意，在瀝青路面的設(shè)計(jì)中，應(yīng)從路面結(jié)構(gòu)的不同情況出發(fā)，展開(kāi)層底拉應(yīng)力的計(jì)算分析，并根據(jù)車輛荷載最大化選取參數(shù)，以確保路面承載性能完全達(dá)到運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 路面材料與路基土的設(shè)計(jì)參數(shù)

3.5.1 設(shè)計(jì)路基土回彈模量值

受到多方面因素的共同影響，路基土彈性模量會(huì)呈現(xiàn)出變化的趨勢(shì)，最為主要的影響因素是應(yīng)力狀態(tài)、荷載方式等。除此之外，土質(zhì)性能、干濕度、密實(shí)度等方面，也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾和影響。在瀝青路面設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)綜合分析惡劣環(huán)境的特點(diǎn)，展開(kāi)試驗(yàn)分析，從而確定合適的回彈模量參數(shù)。在沒(méi)有修復(fù)路基的條件下，可以采取試驗(yàn)分析的方式確定相應(yīng)的技術(shù)內(nèi)容和參數(shù)。

3.5.2 設(shè)計(jì)路面材料回彈模量值

如果設(shè)計(jì)人員在確定方案時(shí)，沒(méi)有可以參考的粒料墊層與基層回彈模量值，通常應(yīng)用重復(fù)加載三軸試驗(yàn)檢測(cè)工作。在試驗(yàn)工作的實(shí)施中，結(jié)合基層結(jié)構(gòu)的受力條件，在不同部位上施加相應(yīng)力，從而提高回彈模量的設(shè)計(jì)精度。以目前我國(guó)的公路瀝青路面設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人員按照回彈模量展開(kāi)設(shè)計(jì)，利用圓柱體實(shí)施彎曲或者壓縮試驗(yàn)，檢測(cè)不同級(jí)別的應(yīng)力，同時(shí)確定壓縮應(yīng)變力參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)參數(shù)選擇非常嚴(yán)格，倘若設(shè)計(jì)參數(shù)不合理就會(huì)導(dǎo)致工程質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)工程安全事故。因此，在選擇路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，需要按照規(guī)范進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)利用信息技術(shù)構(gòu)建三維模型進(jìn)行模擬，為公路工程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。