倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面兩階段疲勞開裂壽命驗(yàn)算

牛敏強(qiáng) 蔡良 鄧明超 吳智維

（1.廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心新博管理處，廣東 惠州 516800；2.廣東省南粵交通大豐華高速公路管理中心，廣東 梅州 514329；3.華南理工大學(xué)廣州學(xué)院，廣東 廣州 510800）

在交通荷載和持續(xù)循環(huán)溫度應(yīng)力反復(fù)作用下，裂縫處的應(yīng)力集中位于半剛性材料層，上部層底的疲勞開裂使裂縫反射傳播至路面形成反射裂縫。針對(duì)此問(wèn)題，在半剛性材料層上設(shè)置級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)層，形成倒裝結(jié)構(gòu)后可有效防止或減緩瀝青層反射裂縫。

一、兩階段設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

兩階段設(shè)計(jì)方法是一種設(shè)半剛性材料層的瀝青路面設(shè)計(jì)方法，其計(jì)算的基本原理采用Miner累計(jì)損傷原理進(jìn)行壽命分析。該方法實(shí)際上是一種允許半剛性底基層破裂成等效的粒料層，進(jìn)一步挖掘材料潛在壽命的設(shè)計(jì)思路，為了使倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面達(dá)到耐久性要求，各個(gè)階段的實(shí)際有效壽命總和應(yīng)不小于設(shè)計(jì)的使用壽命。

對(duì)于倒裝結(jié)構(gòu)的半剛性底基層，在荷載及環(huán)境因素影響作用下，從整體開裂成塊體、散體狀態(tài)，強(qiáng)度和模量會(huì)逐漸衰減。所以倒裝結(jié)構(gòu)路面在驗(yàn)算疲勞開裂壽命過(guò)程中，應(yīng)分兩階段進(jìn)行：一是半剛性底基層疲勞開裂階段，二是半剛性底基層破裂成等效的粒料階段，且兩階段的疲勞壽命應(yīng)按相應(yīng)階段的材料強(qiáng)度和模量分別計(jì)算。兩個(gè)階段疲勞壽命的總和為路面結(jié)構(gòu)總壽命，應(yīng)不小于設(shè)計(jì)使用壽命。

二、兩階段疲勞開裂壽命計(jì)算公式

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）B.1.1-1、B.2.1-1，瀝青混合料層疲勞開裂壽命及無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂壽命計(jì)算公式，分別為公式（1）、（2）。

三、兩階段疲勞開裂壽命分析方法

由Miner累計(jì)損傷原理可知：某一結(jié)構(gòu)層（不考慮半剛性層）在達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，其不同階段的最終疲勞累計(jì)損傷率之和為1。

式中，為第i層結(jié)構(gòu)層在第j階段（1為第一階段，2為第二階段）對(duì)應(yīng)的最終疲勞累計(jì)損傷率。

在第一階段，各結(jié)構(gòu)層實(shí)際有效壽命應(yīng)為第一階段的計(jì)算疲勞壽命，則：

對(duì)于第二階段來(lái)說(shuō)，各結(jié)構(gòu)層實(shí)際有效壽命為，則：

根據(jù)上面的公式，可以計(jì)算出，則最終每個(gè)結(jié)構(gòu)層的實(shí)際有效壽命：

式中，為第i層結(jié)構(gòu)層在第j階段（1為第一階段，2為第二階段）對(duì)應(yīng)的計(jì)算壽命。

路面結(jié)構(gòu)的總實(shí)際有效壽命為以上兩個(gè)階段各結(jié)構(gòu)層實(shí)際有效壽命的總和。

表1 倒裝試驗(yàn)段瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一覽表

四、兩階段疲勞開裂壽命驗(yàn)算步驟

兩階段設(shè)計(jì)方法實(shí)際上是一種進(jìn)一步挖掘材料潛在壽命的設(shè)計(jì)思路，為了使倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面達(dá)到耐久性，第一階段與第二階段的實(shí)際有效壽命總和應(yīng)不小于設(shè)計(jì)的使用壽命。同時(shí)，當(dāng)半剛性底基層破裂成粒料后還需要把路基頂面豎向壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)。具體驗(yàn)算步驟如下：

1.調(diào)查交通數(shù)據(jù)，計(jì)算設(shè)計(jì)累計(jì)軸載作用次數(shù)（由于半剛性底基層破裂成等效的粒料層后，不具有抗拉的疲勞性能，故只考慮瀝青混合料層換算指數(shù)計(jì)算出的設(shè)計(jì)累計(jì)軸載作用次數(shù)，即）；

2.確定路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定土基回彈模量，并對(duì)初擬路面結(jié)構(gòu)方案的各結(jié)構(gòu)層，分兩階段分析受力，得出最不利位置處面瀝青材料層層底拉應(yīng)變、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變；

3.綜合交通、氣候、地質(zhì)水文、筑路材料等狀況，根據(jù)公式（1）-公式（7）計(jì)算兩階段倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面總實(shí)際有效疲勞壽命，驗(yàn)算總實(shí)際有效疲勞壽命是否不小于設(shè)計(jì)累計(jì)軸載作用次數(shù)；

五、兩階段疲勞開裂壽命驗(yàn)算實(shí)例

（一）工程概況

廣東省仁化至博羅高速公路項(xiàng)目是國(guó)家公路網(wǎng)規(guī)劃的武漢至深圳高速公路廣東境內(nèi)的一段，沿線經(jīng)過(guò)韶關(guān)市新豐縣和惠州市龍門縣、博羅縣，終點(diǎn)接博深高速公路，路線全長(zhǎng)約108km。調(diào)查交通數(shù)據(jù)后計(jì)算設(shè)計(jì)累計(jì)軸載作用次數(shù)，路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示。

（二）兩階段疲勞開裂壽命驗(yàn)算過(guò)程

第一階段為半剛性底基層疲勞開裂階段，第二階段為半剛性底基層破裂成等效的粒料階段，兩個(gè)階段的路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)分別如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

表3 路面結(jié)構(gòu)層疲勞開裂壽命驗(yàn)算結(jié)果匯總表

對(duì)初擬路面結(jié)構(gòu)方案的各結(jié)構(gòu)層，分兩階段分析受力，得出最不利位置處路面瀝青材料層層底拉應(yīng)變、半剛性材料層層底拉應(yīng)力、路基頂面豎向壓應(yīng)變，以及綜合交通、氣候、地質(zhì)水文、筑路材料等狀況，根據(jù)公式（1）和公式（2）計(jì)算出第一階段瀝青混合料、無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料開裂壽命分別為5.13×108和3.77×108次；根據(jù)公式（1）計(jì)算出第二階段瀝青混合料開裂壽命為5.20×108次；根據(jù)公式（4）計(jì)算出第一階段有效疲勞壽命為3.77×108次；根據(jù)公式（7）計(jì)算出第二階段有效疲勞壽命為1.38×108次；總有效疲勞壽命為兩階段有效疲勞壽命之和，即5.15×108次；兩階段倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面總實(shí)際有效疲勞壽命結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

對(duì)于廣東省仁博高速公路新博試驗(yàn)路段項(xiàng)目，兩階段路面總實(shí)際有效疲勞壽命大于設(shè)計(jì)累計(jì)軸載作用次數(shù)；路基頂面豎向壓應(yīng)變小于允許壓應(yīng)變值，路面結(jié)構(gòu)方案兩階段疲勞開裂壽命驗(yàn)算通過(guò)。

六、結(jié)語(yǔ)

半剛性底基層在荷載及環(huán)境因素影響作用下，從整體開裂成塊體、散體狀態(tài)，強(qiáng)度和模量會(huì)逐漸衰減；同時(shí)，半剛性底基層破裂成等效的粒料層過(guò)程中，存在潛在的材料壽命，可進(jìn)一步挖掘，所以倒裝結(jié)構(gòu)路面在驗(yàn)算疲勞開裂壽命的過(guò)程中應(yīng)考慮材料強(qiáng)度與模量的變化、各結(jié)構(gòu)層的損傷機(jī)理，以及半剛性層的潛在材料壽命后分階段進(jìn)行，這樣得到的驗(yàn)算結(jié)論會(huì)與實(shí)際情況更吻合。