瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)取值分析

殷宇翔

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507)

0 引言

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)較《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)調(diào)整了設(shè)計(jì)指標(biāo)的選取，在交通參數(shù)上遞進(jìn)式考慮了車輛類型、軸型、軸載譜等因素對(duì)軸載換算的影響，在材料參數(shù)上考慮動(dòng)載和濕度等因素對(duì)力學(xué)響應(yīng)的影響[1]，使得瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算過程更為合理。規(guī)范最終在設(shè)計(jì)指標(biāo)的驗(yàn)算時(shí)充分考慮溫度、結(jié)構(gòu)等因素，提出了更為精細(xì)的計(jì)算公式，使設(shè)計(jì)與驗(yàn)算結(jié)果更有科學(xué)依據(jù)。但規(guī)范提出的公式中存在參數(shù)較多、計(jì)算較為復(fù)雜等問題，易導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中難以抓住主要矛盾。

廣東省高速公路主要采用半剛性基層瀝青路面，該路面主要問題為車轍和半剛性基層的疲勞開裂，在設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)[2-4]。瀝青路面設(shè)計(jì)過程中，交通參數(shù)與環(huán)境參數(shù)由項(xiàng)目所處的區(qū)域位置所決定，因此設(shè)計(jì)主要是從材料參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)著手。從材料角度來看，除滿足基本的力學(xué)性能要求外，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮各結(jié)構(gòu)層模量的選取對(duì)力學(xué)指標(biāo)值的影響，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)結(jié)果的影響[5]。從結(jié)構(gòu)角度來看，在路面結(jié)構(gòu)組合形式確定的前提下，各結(jié)構(gòu)層厚度則是影響設(shè)計(jì)的核心因素。

基于此，本文選取廣東省典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，利用公路路面設(shè)計(jì)程序系統(tǒng)HPDS2017，探究結(jié)構(gòu)層模量、厚度等核心參數(shù)對(duì)控制指標(biāo)的影響，明確設(shè)計(jì)要素與設(shè)計(jì)指標(biāo)之間的變化規(guī)律，以期為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)算提供參考。

1 路面結(jié)構(gòu)及交通參數(shù)

1.1 路面結(jié)構(gòu)

選取廣東省典型的半剛性基層瀝青路面為研究對(duì)象，采用HPDS2017軟件進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算。路面結(jié)構(gòu)形式及材料參數(shù)見表1，其中瀝青層模量值為20℃、10Hz條件下的動(dòng)態(tài)壓縮模量，水泥穩(wěn)定碎石層模量值為經(jīng)調(diào)整系數(shù)修正后的彈性模量，級(jí)配碎石層模量值為濕度調(diào)整后的回彈模量值，土基模量值為平衡濕度狀態(tài)下并考慮干濕與凍融循環(huán)作用后的頂面回彈模量值[6-8]。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

1.2 交通參數(shù)

規(guī)范中考慮了車型、軸型和軸重等因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，主要目的是計(jì)算與設(shè)計(jì)指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)。當(dāng)分析無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂時(shí)，該值主要是用來與無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開裂壽命進(jìn)行對(duì)比；分析瀝青層變形時(shí)，該值主要是用來計(jì)算瀝青混合料層永久變形量。對(duì)于半剛性基層瀝青路面，交通參數(shù)的取值將會(huì)影響到瀝青層永久變形的計(jì)算結(jié)果[9-10]。由于本文主要分析材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響規(guī)律，無需獲取精確的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)，故對(duì)于交通參數(shù)的取值不作深入考究。為避免結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果不滿足要求，分析時(shí)交通參數(shù)值選取相對(duì)保守,其中初始年大型客車和貨車雙向年平均日交通量取3 500輛/d，交通量年平均增長(zhǎng)率取5%，方向系數(shù)取0.55，車道系數(shù)取0.45。

2 材料參數(shù)影響分析

在表1的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整各結(jié)構(gòu)層的模量值，分析材料參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響。設(shè)計(jì)指標(biāo)為水泥穩(wěn)定層的疲勞開裂壽命次數(shù)和瀝青混合料層永久變形量。

2.1 瀝青層模量變化

分別選取上中下面層不同的動(dòng)態(tài)壓縮模量值，模量選取范圍均為9 000～13 500MPa，計(jì)算底基層疲勞開裂壽命和瀝青層永久變形量,計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 瀝青層模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可知，底基層疲勞壽命次數(shù)隨面層模量的增加而波動(dòng)，但整體有增大的趨勢(shì)，其中上面層模量變化的影響更為顯著。由規(guī)范中驗(yàn)算過程可知[1]，在影響疲勞壽命次數(shù)的因子中與材料模量有關(guān)的主要為底基層層底拉應(yīng)力和溫度調(diào)整系數(shù)，計(jì)算過程中上述兩因子隨模量的變化規(guī)律如圖2所示，可見底基層層底拉應(yīng)力隨面層模量的增加有逐漸變小的趨勢(shì)，這與彈性層狀體系理論下的結(jié)構(gòu)模量組成相關(guān)。層底拉應(yīng)力減小將有利于底基層的抗疲勞開裂性能，但另一因子溫度調(diào)整系數(shù)會(huì)隨面層模量的增加而增大，導(dǎo)致疲勞壽命次數(shù)的縮減，故最終疲勞壽命次數(shù)隨面層模量的增加呈現(xiàn)波動(dòng)的趨勢(shì)。

圖2 瀝青層模量與計(jì)算因子的關(guān)系

瀝青層永久變形量隨上中面層模量的增加而逐漸減小，隨下面層模量的增加而逐漸增大，這是結(jié)構(gòu)模量組合對(duì)瀝青混合料各分層頂面豎向壓應(yīng)力產(chǎn)生影響而導(dǎo)致的。計(jì)算結(jié)果表明,在荷載條件和瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度等因素不變的前提下，瀝青層永久變形量會(huì)受瀝青混合料模量的影響，且變化規(guī)律與瀝青混合料層位有關(guān)，因此在瀝青路面抗車轍性能優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，可通過改變?yōu)r青混合料模量來減小瀝青層的永久變形，但具體調(diào)整方向需進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

2.2 水泥穩(wěn)定層模量變化

選取基層和底基層不同的彈性模量值，其中基層模量變化范圍9 000～14 000MPa，底基層模量變化范圍為7 000～10 000MPa，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 水泥穩(wěn)定層模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

由圖3可見，底基層疲勞壽命次數(shù)隨基層模量的增加由2.93×109增大到3.85×109，而隨著底基層模量的增加，疲勞壽命則由4.54×109減小到2.67×109。瀝青層永久變形量隨基層模量的增加略有增大，隨底基層模量的變化無明顯變化。這表明在水泥穩(wěn)定類材料彎拉強(qiáng)度不變的前提下，適當(dāng)增大基層模量或減小底基層模量，有助于減緩水泥穩(wěn)定層的疲勞開裂。

2.3 土基模量變化

選取土基頂面不同的當(dāng)量回彈模量值，變化范圍為40～70MPa，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 土基回彈模量與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

由圖4可見，隨著土基模量的增加，底基層疲勞壽命次數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，瀝青層永久變形量則無變化，這主要是因?yàn)橥粱斆婊貜椖Ａ康脑黾訒?huì)減小底基層層底拉應(yīng)力，但對(duì)瀝青層頂面豎向壓應(yīng)力影響不大。在設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮通過提高路基性能來減少半剛性基層的疲勞開裂現(xiàn)象。

2.4 結(jié)構(gòu)層模量敏感性

為分析各結(jié)構(gòu)層模量對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響的顯著程度，采用正交試驗(yàn)極差分析法進(jìn)行敏感性分析。選取下面層動(dòng)態(tài)壓縮模量Ea、基層彈性模量Eb、底基層彈性模量Ec和路基頂面回彈模量Ed作為試驗(yàn)因素，每因素選取五水平，進(jìn)行四因素五水平正交試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平設(shè)置見表2，正交試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果見表3。

表2 正交試驗(yàn)因素水平 (模量單位：MPa)

表3 正交試驗(yàn)方案及計(jì)算結(jié)果 (模量單位：MPa)

極差分析法是通過對(duì)比各因素的極差大小判斷因素主次。判斷過程為先計(jì)算i因素在j水平時(shí)所對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)值和Kj，再計(jì)算對(duì)應(yīng)均值Mj，最后計(jì)算各水平設(shè)計(jì)指標(biāo)均值中最大值與最小值之差，即i因素的極差Ri。極差Ri即為設(shè)計(jì)指標(biāo)隨i因素水平變動(dòng)時(shí)的變化幅度。當(dāng)極差Ri值越大時(shí)，表明該因素對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響越大，反之，則影響越小。極差分析結(jié)果見表4。

由表4可知，對(duì)于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂指標(biāo)而言，對(duì)其影響程度大小分別為Ec>Ed>Eb>Ea；對(duì)于瀝青層永久變形指標(biāo)而言，對(duì)其影響程度大小分別為Ea>Eb>Ec>Ed。因此，對(duì)于半剛性基層瀝青路面，當(dāng)針對(duì)半剛性基層疲勞開裂性能進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇通過調(diào)整無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層模量或路基頂面回彈模量進(jìn)行優(yōu)化；當(dāng)針對(duì)路面抗車轍性能設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整瀝青層模量。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表4分析可知，相對(duì)提高上中面層模量有助于減小瀝青層的永久變形，但對(duì)底基層疲勞壽命影響不大。相對(duì)提高基層模量可顯著增大底基層的疲勞壽命，但一定程度上不利于瀝青層永久變形。因此，針對(duì)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要調(diào)整的材料參數(shù)不盡相同，且設(shè)計(jì)指標(biāo)隨材料參數(shù)變化的幅度也不盡相同，設(shè)計(jì)時(shí)建議根據(jù)實(shí)際情況和計(jì)算分析合理調(diào)整對(duì)應(yīng)的材料參數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

當(dāng)路面結(jié)構(gòu)組合形式確定后，路面設(shè)計(jì)的重點(diǎn)即為確定各結(jié)構(gòu)層的厚度。結(jié)構(gòu)層厚度的變化將會(huì)引起路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)值變化，進(jìn)而影響相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)值。在表1各參數(shù)的基礎(chǔ)上，分別調(diào)整瀝青層和水穩(wěn)層的厚度值，分析其變化對(duì)設(shè)計(jì)的影響規(guī)律。

3.1 瀝青層厚度變化

由于瀝青層厚度受集料公稱最大粒徑和施工因素的限制，故選定上面層厚度變化范圍為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。計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 瀝青層厚度與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可見，增大瀝青面層的厚度有利于提高水穩(wěn)層的疲勞壽命，瀝青厚度每增加1cm，疲勞壽命次數(shù)約增長(zhǎng)4%，且各面層厚度變化對(duì)疲勞壽命的影響規(guī)律較為相似。上面層厚度的增大可顯著降低瀝青層永久變形量，而中面層厚度變化對(duì)變形量的削減相對(duì)較弱，下面層厚度增大則有加速瀝青層永久變形的趨勢(shì)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的主要原因，一是瀝青層厚度不同使得永久變形計(jì)算時(shí)層位劃分不同，各層位的豎向壓應(yīng)力也不盡相同；二是因?yàn)樯现邢旅鎸訛r青混合料的高溫穩(wěn)定性不同，一般上面層混合料動(dòng)穩(wěn)定度較高，在計(jì)算模型中以較小的車轍試驗(yàn)永久變形量體現(xiàn)。因此，增大厚度這一措施對(duì)于高溫穩(wěn)定性較好的瀝青層可提高路面整體結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，對(duì)于高溫穩(wěn)定性相對(duì)較弱的瀝青層則會(huì)適得其反。

3.2 水泥穩(wěn)定層厚度變化

參照廣東省公路路面典型結(jié)構(gòu)，選定“36cm+36cm”、“36cm+20cm”和“20cm+36cm”三種水泥穩(wěn)定層厚度組合形式。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泥穩(wěn)定層厚度與設(shè)計(jì)指標(biāo)的關(guān)系

由圖6可見，水泥穩(wěn)定層厚度變化對(duì)瀝青層永久變形量無明顯影響，但對(duì)水穩(wěn)層的疲勞壽命影響較大。增大底基層厚度可顯著提高底基層的疲勞壽命次數(shù)，當(dāng)水泥穩(wěn)定層厚度一定時(shí)，相對(duì)減小基層厚度會(huì)對(duì)底基層的疲勞壽命略有削弱。因此，在路基性能等條件相對(duì)受限時(shí)，可通過調(diào)整水泥穩(wěn)定層的厚度來提高半剛性基層的抗疲勞開裂性能。

4 結(jié)論

(1)底基層疲勞壽命次數(shù)隨面層模量的增加而波動(dòng)，隨基層和土基模量的增加而增大，隨底基層模量的增加而減小，各參數(shù)影響程度大小分別為Ec>Ed>Eb>Ea。增大瀝青面層厚度有利于提高底基層的疲勞壽命，增大底基層厚度可顯著提高底基層的疲勞壽命次數(shù)。

(2)瀝青層永久變形量隨上中面層模量的增加而逐漸減小，隨下面層模量的增加而逐漸增大；瀝青層永久變形量隨基層模量的增加略有增大，隨底基層模量和土基模量的變化無明顯變化，各參數(shù)影響程度大小分別為Ea>Eb>Ec>Ed。增大上面層厚度可顯著提高瀝青層的抗車轍性能，而水穩(wěn)層厚度變化對(duì)其無明顯影響。