廣東省倒裝結構瀝青路面彎沉修正應用

林偉弟

(廣東省交通規(guī)劃設計研究院集團股份有限公司，廣東 廣州 510507)

0 引言

“十三五”期間，圍繞推動粵港澳大灣區(qū)、深圳先行示范區(qū)的“雙區(qū)”建設，補短板、強弱項和適度超前發(fā)展、持續(xù)發(fā)展，廣東高速公路網(wǎng)絡不斷完善，新增運營里程超過3 300 km。2020年底,伴隨著潮汕環(huán)線高速等9條高速公路建成通車，廣東高速公路總里程在全國率先突破10 000 km，連續(xù)7年位居全國第一。據(jù)統(tǒng)計，在已建成的高速公路中，傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面為主要型式，占比約80%，該種路面結構最大的優(yōu)點是板體性好、整體強度高、承載能力高，在輕、中交通荷載等級下整體性價比高，適應高速公路路面建設和發(fā)展的需要。但隨著經(jīng)濟發(fā)展，交通量和軸載的增加，加上廣東省氣候炎熱、多雨潮濕、高溫持續(xù)時間長的特點，半剛性路面“耐久性差、使用壽命短”的問題不斷顯現(xiàn)出來。在運營過程中，經(jīng)常出現(xiàn)車轍、松散、坑槽、水損害等路面損壞。在一定程度上無法滿足廣東交通荷載和地理氣候環(huán)境的需要，使得路面壽命縮短，提早6～7 a進行大中修。

隨著對瀝青路面結構行為的深入認識，特別是國外長壽命或永久性瀝青路面思想的引入，出于瀝青路面結構耐久性和全壽命瀝青路面周期經(jīng)濟分析思想，近些年來，許多專家學者對倒裝式瀝青路面進行了研究，并取得了一些有實際意義的成果。

經(jīng)調查分析，倒裝結構瀝青路面結合了半剛性基層板體性分散荷載作用的優(yōu)點及柔性基層抗疲勞性能，消除因為半剛性基層不足引發(fā)的病害，其裂縫率相對于半剛性基層瀝青路面可以減少約2～3倍。綜合來看，倒裝式基層瀝青路面更適合在濕熱地區(qū)特重交通高速公路上使用[1]。

李福普等[2]指出，半剛性瀝青路面由于水泥穩(wěn)定碎石基層溫縮、干縮開裂導致的反射裂縫是瀝青路面的主要病害之一，而采用級配碎石基層對于減少瀝青面層裂縫具有較好效果,在克服早期橫向裂縫方面表現(xiàn)出優(yōu)越性。

王春明[3]采用有限差分方法，模擬了福建省倒裝瀝青路面結構溫度場的時空分布規(guī)律。研究表明：在水泥穩(wěn)定碎石基層上鋪設級配碎石和瀝青碎石，可以改善基層內部溫度梯度與基層頂部的溫度變化幅度，可減少由半剛性基層溫縮引發(fā)的反射裂縫。

為適應高溫濕熱氣候條件，提高重交通荷載等級的瀝青路面的耐久性，減少和延緩反射裂縫病害的發(fā)生，廣東省近年來在廣河高速公路(惠州段)、仁深高速公路(博羅段)等工程選取試驗段，開展了規(guī)?；牡寡b式瀝青路面的應用研究。

1 倒裝式柔性基層瀝青路面在廣東省的應用情況

1.1 廣河高速公路(惠州段)

廣河高速公路(惠州段)，設計年限內1個車道上的累計標準軸載Ne=2.4×107次，屬于重交通荷載等級。路面結構設計采用倒裝式柔性基層瀝青路面結構，瀝青面層采用4 cm厚Sup-12.5 + 7 cm厚Sup-19 + 8 cm厚Sup-25，上基層9 cm 厚 ATB-25、下基層32 cm 厚級配碎石、底基層15 cm 厚水泥穩(wěn)定碎石。依據(jù)交通運輸部公路科學研究院的《廣州至河源高速公路惠州段路面彎沉標準研究報告》的結論[4]，對路表驗收彎沉進行調整，采用43.5(0.01 mm)。

自2012年1月通車以來，路面行駛質量整體較好，平整密實、抗滑性能好，未發(fā)現(xiàn)結構性破壞[5-6]。路面行駛質量指數(shù)(RQI)優(yōu)良率占98%，僅存在局部坑槽和裂縫，但路表彎沉值較大，如圖1所示。

圖1 2012—2014年度左右幅彎沉代表值對比Fig.1 Comparison of deflection representative values between left and right pavement in 2012-2014

由統(tǒng)計結果可知，2012—2014年間各路段路表彎沉的實測值介于37.6～72(0.01 mm)之間，個別達到81(0.01 mm)。運營前3年，各路段的彎沉代表值均較交工驗收時的彎沉代表值大，整體呈現(xiàn)逐年增長的趨勢。而2013—2014年間右幅有一定幅度降低，左幅小幅增大。這主要是因為在半剛性底基層和瀝青層之間設置了32 cm 厚度的級配碎石，其模量較低，造成路表彎沉較大。

通過對歷年路面彎沉結果進行對比分析，由圖2可以看出：彎沉隨著齡期增長沒有增大，在2014年之后，反而呈現(xiàn)變小的趨勢。2017與2018年間，雙向各車道每公里代表彎沉平均值大多數(shù)在30.0(0.01 mm)以下， PSSI評價等級均為優(yōu)，路面結構承載能力較高。這一現(xiàn)象與20世紀末，英國 TRL 公布的英國長壽命瀝青路面的觀測結果一致，與《福建省高速公路新型結構瀝青路面結構設計指南》中提出的柔性路面路表彎沉隨時間推移變化趨勢的結論相吻合[7]。

圖2 廣河高速公路彎沉變化規(guī)律Fig.2 Rule of deflection of Guangzhou-Heyuan expressway

這主要是因為：柔性基層級配碎石模量隨著瀝青層加鋪之后，含水量較為穩(wěn)定，其模量基本保持不變；瀝青層混合料由于油質揮發(fā)，瀝青質增多，膠質含量有所降低，瀝青膠結料產(chǎn)生硬化，導致瀝青混合料模量的增加。

1.2 仁深高速公路(博羅段)

2016年，仁深高速公路在充分調研了福建、廣東兩省倒裝路面結構應用的基礎上，分析研究了該結構在各工程上的適用性及優(yōu)缺點。對路面結構進行了優(yōu)化調整，并應用于博羅縣的平安互通立交至響水停車區(qū)10 km路段(樁號 K459+500～K469+595)。通過減薄級配碎石基層的厚度，降低瀝青面層在荷載作用下的彎曲半徑，從而減緩瀝青面層的結構性疲勞破壞。同時為保證柔性層具有足夠的層底彎拉應力，滿足應力的有效擴散，將級配碎石層厚度調整為12 cm。此外，增加水穩(wěn)底基層厚度至36 cm，有利于降低路基土頂面壓應力水平，同時提高級配碎石的模量。路面結構參數(shù)如表1所示。

表1 路面結構參數(shù)Tab.1 Pavement structural parameters

根據(jù)交通量預測結果，計算得到設計使用年限內設計車道累計大型客車和貨車交通量為：2.015×107輛，屬于特重交通荷載等級。根據(jù)現(xiàn)場實測彎沉結果，修正后的路表驗收彎沉采用36.8(0.01 mm)，路面的各項力學指標、無機結合料穩(wěn)定層與瀝青混合料層的疲勞開裂驗算均能滿足規(guī)范的相關要求。

該工程從2018年底通車至今3 a，根據(jù)2020—2021年度定檢報告：路面技術狀況指數(shù)(PQI)為97.18，其他各分項指標：路面損壞狀況指數(shù)(PCI)為99.56，路面車轍深度指數(shù)(RDI)為96.39，路面行駛質量指數(shù)(RQI)為95.42，路面跳車指數(shù)(PBI)為99.31，路面抗滑性能指數(shù)(SRI)為93.19，路面結構強度指數(shù)PSSI為99.81，路面彎沉代表值為17.3～25.1之間，路面結構強度較好。PQI優(yōu)等路率為100%。從路面性能看，路面水損壞、坑槽、車轍等早期損壞問題幾乎沒有，路面行駛質量高，取得了明顯的經(jīng)濟和社會效益。

2 現(xiàn)行規(guī)范對倒裝式瀝青路面驗收彎沉的適用性分析

劉賀等[8]通過對全柔性瀝青路面各層實測彎沉值與計算值進行比較分析得到：采用設計文件設計值和計算軟件 HPDS2011的計算值，合格率為0，需調整指標才能完成對柔性基層及相應面層的彎沉判定。

王璜[9]研究認為，各彎沉標準與實測彎沉間均存在相互矛盾的情況，現(xiàn)行彎沉設計標準體系不適用于柔性基層瀝青路面結構，應重新調整柔性基層瀝青路面設計的彎沉計算方法。

王旭東[10]從路面結構承載能力角度出發(fā)，指出完善彎沉設計指標是完善瀝青路面力學經(jīng)驗設計方法的有效途徑。聶憶華等[11]針對我國彎沉計算公式對全厚式瀝青路面結構的不適應性，通過國內外計算公式參數(shù)的修正，提出了新的彎沉計算公式。胡春華等[12]利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，于2005年提出了能夠適應柔性基層瀝青路面的彎沉F修正公式。馮志慧等[13]通過分析具有代表性的柔性結構瀝青路面的總厚度及層底受力狀況，進行了彎沉回歸分析，重新標定了基層類型系數(shù)。

縱觀我國瀝青路面發(fā)展史，從1978—2017年，規(guī)范經(jīng)過7次修訂和不斷調整。每次彎沉設計公式的修訂，都是針對當時最典型的公路結構進行調整。現(xiàn)行設計規(guī)范的設計體系主要是以半剛性基層為典型結構的瀝青路面設計。對于半剛性瀝青路面，彎沉設計標準總體上是逐漸提高，即彎沉值逐漸降低。而倒裝式瀝青路面結構畢竟是一種新的結構型式，與傳統(tǒng)半剛性基層存在較大差異，在國內真正應用只有15 a左右，尚未針對該路面結構制定相應的設計標準，在廣東省內也只有廣河、仁深兩條高速公路進行規(guī)?；瘧?。

規(guī)范指出：對于交通量較大的柔性基層瀝青路面結構，現(xiàn)在尚處于研究階段，缺乏理論研究及工程實踐經(jīng)驗，故采用柔性基層瀝青路面結構時，應綜合考慮國外經(jīng)驗及國內實際[14]。2017版《公路瀝青路面設計規(guī)范》，雖然取消了路表彎沉設計指標，但由于彎沉測定廣為熟知，具有使用簡便、直觀、經(jīng)濟和較快速的優(yōu)點，同時對于同一種或同一段路面結構，彎沉指標仍能反映出該結構的承載能力，故2017版設計規(guī)范仍將彎沉作為路基和路面的交工驗收指標。

2017版規(guī)范附錄 B.7.3[14]計算路表驗收彎沉值時，采用平衡濕度狀態(tài)下頂面當量回彈模量乘以模量調整系數(shù)kl，kl用以協(xié)調理論彎沉與實測彎沉的差異,如式(1)、式(2)所示:

(1)

(2)

采用 HPDS2017根據(jù)彈性層狀體系理論按上式計算得到仁深高速公路(博羅段)倒裝式路面結構的理論路表交工驗收彎沉值la=30.1(0.01 mm)，這與現(xiàn)場實測彎沉值存在較大的差別。該工程于2018年9月施工完成路面上面層，現(xiàn)場采用貝克曼梁實測路表彎沉代表值為30.3～37.6(0.01 mm)之間。

可以看出采用現(xiàn)行規(guī)范計算路表驗收彎沉值，在應用中依然存在彎沉“超標”的問題。分析其原因，主要有以下幾個方面:

2.1 模量調整系數(shù)kl

該系數(shù)是通過采集國內4條柔性路面公路的容許彎沉值與累計軸次進行回歸得到的，其樣本數(shù)量較少，且大多數(shù)采集樣本為北方省份，對于南方高溫濕熱地區(qū)代表性不足。根據(jù)規(guī)范的解釋說明：當路面結構層采用無機結合料穩(wěn)定類基層瀝青路面和水泥混凝土基層瀝青路面，取0.5；粒料類基層瀝青路面和瀝青結合料類基層瀝青路面，當采用無機結合料穩(wěn)定底基層時，取0.5，否則取1.0[14]，即倒裝結構的瀝青路面(粒料類基層瀝青路面，無機結合料穩(wěn)定底基層)，該模量調整系數(shù)kl值取0.5，與半剛性基層路面類型取值一致。計算彎沉值時，僅能通過各結構層模量取值不同加以調整。

2.2 氣候條件及交通環(huán)境的特殊性

廣東省地處中國大陸最南部，位于東亞季風區(qū)，從北向南分別為中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶氣候。氣候炎熱，高溫持續(xù)時間長，是全國光、熱和水資源較豐富的地區(qū)，且雨熱同季。年平均氣溫22 ℃，歷史極端最高氣溫為42 ℃，極端最低氣溫-7.3 ℃。按瀝青路面氣候分區(qū)屬于夏炎熱冬溫潮濕區(qū)，即1-4-1。根據(jù)廣東省近20 a的氣候數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，近年來極端高溫、35 ℃以上高溫天數(shù)、35 ℃以上高溫積溫等氣候參數(shù)均有增強的趨勢，高溫條件將明顯影響路面性能，進而影響到材料的選擇。瀝青混合料在長時間重載和高溫的作用下，其壓縮模量和強度將隨溫度升高而顯著下降，加大瀝青混合料的變形，進而產(chǎn)生車轍、推移等永久性病害，降低路面的使用性能。

廣東省的雨季主要集中在4—9月，年平均降水量為1 789.3 mm，年降水量最少為1 314.1 mm，最多達2 254.1 mm。降水對地基土和路面材料的沖刷及材料性能影響很大。土體含水量增加，將導致路基承載力下降，影響路面使用性能[15]。

多雨潮濕地區(qū)施工過程中，半剛性底基層的強度形成較慢，導致級配碎石的承載能力較低，級配碎石頂面彎沉普遍偏大，難以達到原設計要求；同時潮濕狀態(tài)下的級配碎石層模量降低也會導致彎沉的增加[16]。

2.3 級配碎石的粒料性

級配碎石由于沒有采用膠結料，其強度主要靠碎石自身的強度及碎石顆粒之間的嵌擠能力，其力學性能與瀝青混合料和半剛性材料不同，受原材料質量、粗集料含量以及施工期間含水量影響較大。故原材料對級配碎石混合料的性能影響非常大，采用優(yōu)質的級配碎石和嚴格控制生產(chǎn)質量對于保證級配碎石的性能非常重要[7,17]。

2.4 交通負荷大

交通量與中型以上貨車比例是影響路面使用性能的關鍵因素。廣東省作為全國經(jīng)濟第一強省，貨物運輸及客流量均排在全國前列。為了便于比較，收集了全國89條高速公路的設計累計標準軸次，匯總得到統(tǒng)計分布圖，如圖3所示。

圖3 全國89條高速公路累計標準軸次統(tǒng)計分布Fig.3 Statistical distribution of cumulative standard axes of 89 expressways in China

全國現(xiàn)有高速公路交通荷載具有較大的差異，東部沿海發(fā)達省份(如廣東、山東、江蘇)普遍為重載交通等級公路；北方及西部地區(qū)(如黑龍江、遼寧、重慶)以輕、中型交通荷載等級公路為主。其中廣東省特重型交通荷載公路的比例高達42%，加之超載問題較為突出，使得路面的使用年限大打折扣。

圖4為廣東省已運營部分高速公路交通荷載推算15 a累計標準軸次的區(qū)域分布情況，從圖中可以看出，廣東省內所調查的23條高速公路均為重型和特重型交通等級公路，珠三角地區(qū)大部分為特重型交通等級公路，其中廣深高速設計累計標準軸次高達4 958 萬次。

圖4 廣東省23條高速公路累計標準軸次統(tǒng)計分布Fig.4 Statistical distribution of cumulative standard axes of 23 expressways in Guangdong Province

目前國內專家學者，基于倒裝式瀝青路面的特點，考慮地區(qū)的氣候、交通量等因素提出的修正彎沉驗收標準，均為針對2006版規(guī)范的計算公式所提出。而現(xiàn)行的2017版規(guī)范同樣不能很好地適用于計算倒裝式瀝青路面驗收彎沉值，需要對彎沉計算公式進行修正，為廣東省倒裝式瀝青路面路表驗收彎沉值的確定提供依據(jù)。

3 彎沉修正及驗證

根據(jù)設計規(guī)范確定路表驗收彎沉值的原則，驗收彎沉值是依據(jù)路面結構模量計算標準軸載的輪胎接地壓強0.7 MPa下的計算彎沉來確定的[18]，取其中最小彎沉值乘以模量調整系數(shù)kl為驗收彎沉值。

仁深高速公路倒裝結構路段施工完成后，采用貝克曼梁對路表的彎沉進行了實測，路段長度10 km，樁號范圍為K459+500～K469+595。沿行車方向每隔20 m實測1個斷面，每個斷面分左右幅、分車道，共測試了2 514組數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 仁深高速公路倒裝結構路段路表彎沉代表值Fig.5 Representative values of road surface deflection in inverted structural section of Renhua-Shenzhen expressway

從圖5中可以看出，倒裝結構路段路表彎沉代表值處于30.3～38.0(0.01 mm)之間，左右幅彎沉趨勢一致，離散性不大。對于 K467～K468路段彎沉達37.6(0.01 mm),分析其原因，主要是因為該路段為低填淺挖段，且施工期間連續(xù)的雨水天氣及豐富的地表水系及地下水系造成路面結構層含水量偏大。如果采用現(xiàn)行規(guī)范計算值la=30.1(0.01 mm)作為彎沉驗收指標，則路表交工驗收彎沉合格率為0。

參考文獻[7]中交通運輸部公路科學研究院匯總了全國9個省328個路段的柔性結構、厚瀝青層路面結構計算彎沉與實際測量彎沉的差異，大約有72.8%的路段不合格。建議計算彎沉值可在2006版設計規(guī)范F修正的基礎上，放大1.4倍?；?5%統(tǒng)計可靠性的彎沉修正，在大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基礎上，對彎沉計算值加以修正。假設修正系數(shù)為K，當K值等于1.22時，修正后的驗收彎沉值為36.8(0.01 mm)，可滿足可靠度為95%的要求。

由于廣東省內已建成的高速公路中，大規(guī)模應用倒裝結構路面的工程較少，為了提高回歸方程的準確性，增加樣本數(shù)量，本研究將福建省近些年修建的同類型高速公路進行統(tǒng)計分析，如表2所示。

表2 各高速公路的彎沉修正系數(shù)Tab.2 Deflection correction coefficient for each expressway

從前面的分析可知，級配碎石層厚與瀝青層厚的厚度對路表彎沉值影響很大。表2中，當級配碎石層厚與瀝青層厚比值越大，相應的彎沉修正系數(shù)K值越大，其大小從1.22～1.39不等，并非固定值。廣河高速公路級配碎石層厚達32 cm，與瀝青層厚比值為1.14，相應的彎沉修正系數(shù)為1.39。仁深高速公路減薄級配碎石層厚度為12 cm，增加水穩(wěn)底基層厚度至36 cm，路面結構層與福建的廈蓉高速公路較接近，相應彎沉修正系數(shù)為1.22。

如果按照2006版規(guī)范及《福建省高速公路新型結構瀝青路面結構設計指南》將修正系數(shù)取值為1.4，雖然現(xiàn)場實測的彎沉代表值均能100%滿足驗收要求，但將導致現(xiàn)場施工容易達到設計要求，標準偏低，不利于現(xiàn)場施工質量的控制。因此，建議采用2017版規(guī)范公式計算倒裝式瀝青路面的驗收彎沉值，其修正系數(shù)K值需根據(jù)不同工程的路面結構型式進行內插取值，其范圍為1.22～1.39。

將上述所選路段的級配碎石層厚分別與瀝青層總厚度、路面結構層總厚度的比值作為橫坐標，彎沉修正系數(shù)K作為縱坐標，回歸所得曲線如圖6、圖7所示。

圖6 級配碎石層厚/瀝青層總厚度與彎沉修正系數(shù)關系Fig.6 Relationship between graded gravel layer thickness/total asphalt layer thickness and deflection correction coefficient

圖7 級配碎石層厚/路面結構層總厚度與彎沉修正系數(shù)關系Fig.7 Relationship between graded gravel layer thickness/total pavement structural layer thickness and deflection correction coefficient

從圖中可以看出，“級配碎石層厚/瀝青層總厚度”、“級配碎石層厚/路面結構層總厚度”與彎沉修正系數(shù)均有著較強的線性關系，相關系數(shù)R2的為0.89。路表驗收彎沉修正系數(shù)K，可由線性內插確定。

由于本次研究只采用了10條倒裝式瀝青路面的驗收彎沉資料，樣本數(shù)量相對較少。同時由于彎沉修正系數(shù)受很多因素的影響，故建議各地區(qū)工程進行彎沉的試驗和跟蹤觀測，進一步細化修正系數(shù)K值的內插公式研究。

4 結論

(1)現(xiàn)行的《公路瀝青路面設計規(guī)范》不能很好地適用于計算倒裝式瀝青路面驗收彎沉值，需要對其進行修正。目前國內普遍采用的彎沉修正系數(shù)1.4，是針對舊版《公路瀝青路面設計規(guī)范》的計算公式所提出。如果單一地將此彎沉修正系數(shù)套用到現(xiàn)行2017版規(guī)范進行修正，結果將過于寬松，標準偏低，不利于現(xiàn)場施工質量的控制。

(2)在大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基礎上，統(tǒng)計各工程彎沉理論計算值與實測值的關系，分析了“級配碎石層厚/瀝青層總厚度”、“級配碎石層厚/路面結構層總厚度”與彎沉修正系數(shù)均有著較強的線性關系，相關系數(shù)R2約為0.89?；貧w得到了滿足95%可靠度的路表驗收彎沉修正系數(shù)K，其范圍為1.22～1.39。當級配碎石層厚度越大，K值越大，具體操作可通過內插確定。

(3)考慮本次研究只采用了華南地區(qū)10條倒裝式瀝青路面的驗收彎沉資料，樣本數(shù)量相對較少。同時由于彎沉修正系數(shù)受很多因素的影響，故建議各地區(qū)工程進行彎沉的試驗和跟蹤觀測，進一步細化修正系數(shù)K值的內插公式研究，為今后倒裝式瀝青路面進一步推廣應用提供理論參考，為廣東省倒裝式瀝青路面路表驗收彎沉值的確定提供依據(jù)。