瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命預(yù)測(cè)分析*

邱懷中

(湖北省交通運(yùn)輸廳漢十高速公路管理處 武漢 430051)

瀝青路面在全天候服役環(huán)境中，一方面承受車(chē)輛荷載的作用，另一方面由于溫度差異，內(nèi)部長(zhǎng)期處于應(yīng)力變化狀態(tài)，路面性能不斷下降，損傷不斷積累，當(dāng)車(chē)輛作用軸載次數(shù)超過(guò)臨界值時(shí)，路面產(chǎn)生疲勞破壞[1]，因此，瀝青混合料疲勞性能與服役壽命緊密相關(guān)。高速公路瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層級(jí)配、瀝青含量不同，其疲勞壽命也不相同；在服役的過(guò)程中，瀝青路面的疲勞破壞并非整體發(fā)生，而是優(yōu)先出現(xiàn)在疲勞性能較差的結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而擴(kuò)展至整個(gè)面層[2]。因此，準(zhǔn)確比較不同結(jié)構(gòu)層間疲勞性能的強(qiáng)弱，確定最先發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)層對(duì)科學(xué)制定養(yǎng)護(hù)決策具有重要意義[3]。

現(xiàn)階段我國(guó)公路性能評(píng)價(jià)主要依據(jù)JTG H20-2007 《公路技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》[4]，以公路技術(shù)狀況各項(xiàng)指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，這些指數(shù)僅代表了路表的服役性能，缺少對(duì)道路在長(zhǎng)期服役后道路面層各結(jié)構(gòu)層性能差異的分析[5]。因此本文選用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中瀝青混合料疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算模型[6]，通過(guò)對(duì)瀝青面層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取芯檢測(cè)[7]和落錘式彎沉儀(FWD)檢測(cè)，獲取現(xiàn)場(chǎng)道路性能參數(shù)，進(jìn)而準(zhǔn)確地對(duì)路面剩余服役壽命進(jìn)行預(yù)估，分析比較不同結(jié)構(gòu)層剩余疲勞壽命狀況。

1 理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的基于現(xiàn)象學(xué)的疲勞壽命預(yù)估模型主要建立在傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)方法上，將試驗(yàn)產(chǎn)生疲勞損傷的重復(fù)加載次數(shù)稱(chēng)為疲勞壽命[8]。這些模型考慮瀝青混合料材料、環(huán)境等因素的影響，在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)相應(yīng)的瀝青混合料疲勞方程[9-10]。但上述瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估模型均有限制條件，得到的疲勞壽命為對(duì)應(yīng)試驗(yàn)條件下的加載周期，而非標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)，無(wú)法應(yīng)用于服役壽命的預(yù)估。

JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中瀝青混合料疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算模型如式(1)所示，該模型考慮了材料、環(huán)境等因素，相較于室內(nèi)試驗(yàn)得到的加載周期數(shù)，預(yù)估的疲勞壽命為標(biāo)準(zhǔn)軸載加載次數(shù)。

Nf=6.32×1015.96-0.29βkakbkT1-1·

(1)

式中：Nf為瀝青混合料疲勞開(kāi)裂壽命，軸次；β為目標(biāo)可靠指標(biāo)；ka為季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)調(diào)整系數(shù)；kT1為溫度調(diào)整系數(shù)；εa為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變，×10-6；Ea為瀝青混合料20 ℃時(shí)壓縮動(dòng)態(tài)模量，MPa；VFA為瀝青飽和度，%；kb為疲勞加載模式系數(shù)。

其中：ha為路面結(jié)構(gòu)層厚度，mm。

溫度調(diào)整系數(shù)kT1通過(guò)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄G中的方法進(jìn)行確定，通過(guò)式(2)進(jìn)行計(jì)算。

kT1=AhAEkTi1+Bh+BE

(2)

式中：下標(biāo)i為1代表瀝青混合料疲勞開(kāi)裂分析；kTi為基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)；Ah、Bh、AE、BE為與面層、基層有關(guān)函數(shù)，由于本文僅針對(duì)瀝青混合料疲勞開(kāi)裂進(jìn)行計(jì)算，故僅列出以上4個(gè)參數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)式(3)～(6)。

AE=0.76λE0.09

(3)

Ah=1.14λh0.17

(4)

BE=0.14ln(λE/20)

(5)

Bh=0.23ln(λh/0.45)

(6)

式中：λE為面層與基層的當(dāng)量模量比；λh為面層與基層的當(dāng)量厚度比。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由式(1)可知，根據(jù)該模型，瀝青路面疲勞壽命與環(huán)境溫度、瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量、路面厚度，以及路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變相關(guān)。由于瀝青路面各結(jié)構(gòu)層配合比設(shè)計(jì)不同、厚度不同，其在長(zhǎng)期服役后的材料性能存在差異，導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命不同。因此，對(duì)在役高速公路瀝青路面剩余疲勞壽命預(yù)估時(shí)，須獲得在役路面各結(jié)構(gòu)層的實(shí)際材料性能參數(shù)，具體流程如下。

1) 鉆取在役瀝青路面芯樣，測(cè)量芯樣各結(jié)構(gòu)層的實(shí)際厚度。

2) 進(jìn)行室內(nèi)20 ℃各結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，獲取在役路面面層各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)模量。

3) 采用FWD檢測(cè)路面彎沉，判斷路面強(qiáng)度，反算路面基層與路基的動(dòng)態(tài)模量。

4) 根據(jù)路面各結(jié)構(gòu)層實(shí)際厚度和動(dòng)態(tài)模量，基于層狀彈性理論，采用BISAR軟件分別計(jì)算瀝青路面上、中、下面層層底拉應(yīng)變。

5) 根據(jù)公路等級(jí)和所在地區(qū)確定相應(yīng)的修正系數(shù)，包括目標(biāo)可靠指標(biāo)、季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)調(diào)整系數(shù)和溫度調(diào)整系數(shù)。

6) 查找公路設(shè)計(jì)資料確定各面層瀝青飽和度VFA。

7) 將上述參數(shù)帶入疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算模型，得到在役高速公路取芯路段面層各結(jié)構(gòu)層的剩余疲勞壽命。

本文依托的實(shí)際工程為漢十高速公路孝襄段，全長(zhǎng)243 km，其路面結(jié)構(gòu)信息及瀝青飽和度見(jiàn)表1。

本次研究于漢十高速公路K1016+000-K1021+000路段進(jìn)行鉆芯取樣，每1 km選取1個(gè)芯樣進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)路面芯樣各結(jié)構(gòu)層的動(dòng)態(tài)模量參數(shù)表征該路段瀝青面層的動(dòng)態(tài)模量，并采用FWD對(duì)取芯路段進(jìn)行檢測(cè)，反算得到道路基層與路基模量。

2.1 芯樣各結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量測(cè)量

考慮試驗(yàn)便捷性和準(zhǔn)確性，采用單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定芯樣的動(dòng)態(tài)模量。試驗(yàn)儀器為DTS-30動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)，儀器加載力上限為30 kN，負(fù)載波形頻率上限為100 Hz，能夠滿(mǎn)足應(yīng)力加載需求，且精度較高。式(1)中采用的動(dòng)態(tài)模量為瀝青混合料20 ℃、10 Hz下的動(dòng)態(tài)模量，因此在該條件下對(duì)所取芯樣的動(dòng)態(tài)模量進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程見(jiàn)圖1，通過(guò)分層粘貼試模，對(duì)路面芯樣上、中、下面層分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)模量測(cè)試，LVDT測(cè)量標(biāo)距通過(guò)各結(jié)構(gòu)層實(shí)際厚度進(jìn)行調(diào)整。

圖1 路面芯樣動(dòng)態(tài)模量測(cè)試

試驗(yàn)得到各路段芯樣各結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量見(jiàn)表2。

表2 取芯路段上、中、下面層厚度及20 ℃、10 Hz動(dòng)態(tài)模量

2.2 基層和土基模量計(jì)算

針對(duì)路面基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度檢測(cè)，漢十高速公路每年分段采用落錘式彎沉儀進(jìn)行檢測(cè)。FWD檢測(cè)路面行車(chē)道彎沉，以20 m為單位保存檢測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)每公里彎沉代表值，計(jì)算對(duì)應(yīng)路段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)PSSI。通過(guò)彎沉盆數(shù)據(jù)反算確定評(píng)價(jià)路段基層及土基的模量，表3為漢十高速公路取芯路段彎沉反算模量。

表3 FWD彎沉反算模量

2.3 層底拉應(yīng)變計(jì)算

以K1017+000-K1018+000路段為例，采用BISAR軟件進(jìn)行層底拉應(yīng)變計(jì)算，依據(jù)表1、表2、表3中檢測(cè)結(jié)果，輸入各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見(jiàn)表4。其中上、中、下面層厚度為現(xiàn)場(chǎng)取芯測(cè)量所得，基層厚度依據(jù)漢十高速公路設(shè)計(jì)資料取0.6 m，泊松比根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)選取了常用的經(jīng)驗(yàn)值。

表4 BISAR軟件路面模型參數(shù)輸入

圖2中A、B、C、D4點(diǎn)為規(guī)范推薦的進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變最大的位置。根據(jù)各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，計(jì)算各點(diǎn)沿行車(chē)方向的層底水平拉應(yīng)變，車(chē)輛輪胎與路面接觸形狀近似為橢圓，在路面設(shè)計(jì)中被簡(jiǎn)化為圓形均布荷載，其中δ是當(dāng)量圓的半徑為106.5 mm，由式(7)計(jì)算可得，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，車(chē)輪荷載為25 kN，輪胎接觸壓力為0.7 MPa。

(7)

式中：P為車(chē)輪荷載，kN；p為輪胎接觸壓強(qiáng)，kPa。

圖2 路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變計(jì)算位置示意圖

在BISRA軟件計(jì)算中需要輸入4個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，其中Z方向?yàn)槁访嫔疃确较?，Y方向?yàn)檐?chē)輛的行車(chē)方向，X方向?yàn)槁繁泶怪毙熊?chē)的方向，各結(jié)構(gòu)層的A、B、C、D點(diǎn)坐標(biāo)見(jiàn)表5。

表5 層底拉應(yīng)變計(jì)算點(diǎn)坐標(biāo)值 m

BISAR軟件以層狀彈性理論為基礎(chǔ)進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算得到各結(jié)構(gòu)層層底A、B、C、D4點(diǎn)拉應(yīng)變見(jiàn)表6，并確定各結(jié)構(gòu)層最大層底拉應(yīng)變。

表6 面層各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變

續(xù)表6

3 疲勞壽命預(yù)估

本文基于試驗(yàn)檢測(cè)得到的路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，計(jì)算得到了長(zhǎng)期服役后瀝青混合料面層各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)變。根據(jù)漢十高速孝襄段的瀝青路面的材料參數(shù)和所處環(huán)境，可以確定式(1)中各項(xiàng)系數(shù)的大小，從而通過(guò)該疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算模型對(duì)不同結(jié)構(gòu)層疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估。

3.1 模型參數(shù)確定

依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，高速公路目標(biāo)可靠指標(biāo)β為1.65。依據(jù)JTG/TD31-06-2017《季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》[11]，確定湖北省漢十高速公路孝襄段為規(guī)范中的其它地區(qū)，調(diào)整系數(shù)ka為1.00。

路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)根據(jù)式(2)～式(6)進(jìn)行計(jì)算，該系數(shù)考慮了氣溫狀況對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)損壞的影響。漢十高速位公路于武漢地區(qū)的部分根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中相應(yīng)的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)表，確定瀝青混合料層底壓應(yīng)變的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)kT1為1.41。

計(jì)算路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)時(shí)，需將路面結(jié)構(gòu)按式(9)、式(10)換算為當(dāng)量瀝青面層和當(dāng)量基層。超過(guò)2層時(shí)，重復(fù)采用公式自上而下進(jìn)行換算，最終簡(jiǎn)化為由當(dāng)量瀝青面層、當(dāng)量基層和路基構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。基層當(dāng)量厚度為0.6 m，當(dāng)量模量為FWD反算模量。

(9)

(10)

表7 取芯路段面層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

通過(guò)式(3)～(6)確定式(2)各項(xiàng)系數(shù)，求得各路段溫度調(diào)整系數(shù)kT1，見(jiàn)表8。

表8 取芯路段溫度調(diào)整系數(shù)

計(jì)算疲勞加載模式系數(shù)kb，其中各結(jié)構(gòu)層瀝青飽和度按表1中設(shè)計(jì)值進(jìn)行取值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 取芯路段疲勞加載模式系數(shù)

3.2 疲勞壽命預(yù)估

將上文確定的各項(xiàng)參數(shù)代入式(1)，確定各路段各結(jié)構(gòu)層剩余疲勞壽命見(jiàn)表10。

表10 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命

對(duì)比表10中各路段上面層、中面層、下面層剩余疲勞壽命分析得，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，服役路面中面層剩余疲勞壽命最大，其次是上面層，下面層最小。由此可得在行車(chē)荷載作用下，面層中最先發(fā)生失效的并非是車(chē)輛直接作用的上面層，而是距離車(chē)輛作用最遠(yuǎn)的下面層。

比較取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命，以上、中、下面層剩余疲勞壽命的最小值為該路段的剩余疲勞壽命。路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI反映路面表面總體性能，一定程度上代表了路面病害嚴(yán)重程度，表11對(duì)比了取芯路段剩余疲勞壽命和路面使用性能指數(shù)。

表11 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命與PQI對(duì)比

根據(jù)表11，所選路段路面技術(shù)狀況指數(shù)均在93～95之間，表示各路段路面技術(shù)狀況較為接近，且JTG H20-2007 《公路技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)該指數(shù)在90以上的路段評(píng)定為“優(yōu)”。然而，各路段計(jì)算所得剩余疲勞壽命存在明顯差異，K1017+000-K1018+00疲勞壽命下降明顯，說(shuō)明路面技術(shù)狀況指數(shù)與路面剩余疲勞壽命之間并沒(méi)有必然的聯(lián)系。因此僅通過(guò)路面表觀(guān)性能并不能反映路面的服役壽命、確定路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，為完善路面服役性能評(píng)價(jià)，需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)路面材料性能。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托于漢十高速公路孝襄段，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)芯樣動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)及FWD現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取了長(zhǎng)期服役后道路各結(jié)構(gòu)層的模量參數(shù)。以高速公路瀝青路面長(zhǎng)期服役后的路面性能參數(shù)為基礎(chǔ)，選取了JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中瀝青混合料層的疲勞開(kāi)裂壽命預(yù)測(cè)模型，預(yù)估了在役瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命，得到結(jié)論如下。

1) 采用規(guī)范中模型，對(duì)各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，發(fā)現(xiàn)取芯路段中面層疲勞壽命>上面層疲勞壽命>下面層疲勞壽命，說(shuō)明在行車(chē)荷載作用下，面層中最先發(fā)生失效的并非是車(chē)輛直接作用的上面層，而是距離車(chē)輛作用最遠(yuǎn)的下面層。

2) 路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI與路面剩余疲勞壽命之間不存在明顯聯(lián)系，路面表觀(guān)性能并不能準(zhǔn)確反映路面服役壽命，確定路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)，需要進(jìn)一步評(píng)價(jià)路面材料性能。

該研究通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期服役后瀝青路面進(jìn)行實(shí)地取樣和檢測(cè)，采用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的疲勞壽命預(yù)測(cè)模型對(duì)道路剩余疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)估，提出了一種在役路面疲勞壽命的預(yù)估方法，分析了瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層在長(zhǎng)期服役后疲勞壽命的差異，并指出目前道路檢測(cè)體系的不足，需進(jìn)一步完善。