鄒曉明 姚新宇 滿新耀 劉宇

摘要：為進一步研究路面結(jié)構(gòu)強度不同評價方法在廣西地區(qū)半剛性瀝青路面的適用性，文章通過FWD采集廣西典型高速公路瀝青路面指標，并通過現(xiàn)行養(yǎng)護規(guī)范法、水穩(wěn)層底面應變法、模量衰減法、路表彎沉法計算評價路面結(jié)構(gòu)強度。經(jīng)驗算對比，其強度系數(shù)、上水穩(wěn)層底面拉應變和損傷度指標具有良好的對應關系，可為廣西地區(qū)半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)強度評價的準確性、路面壽命評估與養(yǎng)護決策規(guī)劃提供參考依據(jù)。

關鍵詞：瀝青路面;結(jié)構(gòu)強度;強度系數(shù);拉應變;損傷度

0 引言

目前，國內(nèi)外還沒有普遍接受的評價瀝青路面結(jié)構(gòu)強度的方法。美國采用結(jié)構(gòu)數(shù)SN評價路面結(jié)構(gòu)強度[1-4]，但仍未成為權威方法，研究還在進行中。我國現(xiàn)行瀝青路面養(yǎng)護規(guī)范采用設計彎沉與當前實測彎沉的比值來評價路面結(jié)構(gòu)強度[5]。然而，確定結(jié)構(gòu)層厚度的指標是水穩(wěn)基層和瀝青層疲勞強度，而非設計彎沉，因此該方法未必合理。此外，我國還有學者通過研究半剛性材料疲勞性能[6]、路面材料模量衰變[7]、路面破損狀況與彎沉[8]等指標間接評價路面結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。但上述成果結(jié)論適用性均未在廣西地區(qū)高速公路得到驗證。本文通過現(xiàn)行養(yǎng)護規(guī)范法、水穩(wěn)層底面應變法、模量衰減法、路表彎沉法計算評價廣西某典型高速公路半剛性瀝青路面，為廣西地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)強度評價的準確性、路面壽命評估與養(yǎng)護決策規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 路面數(shù)據(jù)采集與結(jié)構(gòu)層模量反算

1.1 路面數(shù)據(jù)采集方案

采用落錘式彎沉儀檢測路面彎沉，共有7段檢測慢車道右輪跡彎沉，每段500 m，其中2個路段同時檢測快車道、慢車道和路肩。僅檢測完好處路面，不檢測有病害路面?，F(xiàn)場測試時是冬季，日間氣溫為15 ℃～20 ℃，按現(xiàn)行規(guī)范方法對9個測點彎沉檢測結(jié)果作了溫度修正。FWD測點與荷載板中心距離見下頁表1。共設9個傳感器，其中第9個傳感器位于荷載板左側(cè)，距中心點30 cm。FWD檢測時，施加3級荷載，然后按線性回歸后計算荷載為50 kN對應的彎沉（這時承載板底壓應力為0.7 MPa，采用實測彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量，用于路面結(jié)構(gòu)荷載應力和應變分析。

1.2 結(jié)構(gòu)層模量反算

本文采用美國AASHTO《路面結(jié)構(gòu)設計指南》計算地基模量，分別采用距荷載板中心1 200 mm、1 500 mm處彎沉計算后取平均值，然后將路基模量作為已知參數(shù)輸入SIDMOD軟件反算其他結(jié)構(gòu)層模量。采用SIDMOD反算瀝青層和水穩(wěn)層模量時，彎沉盆采用8個彎沉點50 kN對應的彎沉值平均值，每個路段測點數(shù)約為30～35個;反算模量時，瀝青層厚度采用路段芯樣平均值，水穩(wěn)層厚度為設計厚度，取540 mm。路面結(jié)構(gòu)圖及力學模型見圖1和圖2。

本次檢測2個路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行），分別檢測了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量，結(jié)果見表2。反算的模量值用于路面結(jié)構(gòu)層應力和應變分析。

2 現(xiàn)行養(yǎng)護規(guī)范法評價路面結(jié)構(gòu)強度

根據(jù)現(xiàn)行《公路技術評定標準》（JTG5210-2018）[9]結(jié)構(gòu)強度系數(shù)評價路面強度標準見表3。路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)SSR計算式為：

根據(jù)設計文件，該高速公路施工時的設計彎沉值通過貝克曼梁與FWD相關性換算后為LFWD=199 μm，F(xiàn)WD實測路面彎沉值與所計算的路面結(jié)構(gòu)彎沉值列于表4。

由表4可見，7個檢測路段的慢車道、快車道和路肩等共11個車道的結(jié)構(gòu)強度系數(shù)均>0.95，表明路面結(jié)構(gòu)強度達到優(yōu)等，現(xiàn)行養(yǎng)護規(guī)范法無法預測路面剩余疲勞壽命。慢車道路面結(jié)構(gòu)強度系數(shù)<快車道路面結(jié)構(gòu)強度系數(shù)<路肩路面結(jié)構(gòu)強度系數(shù)，顯然路面結(jié)構(gòu)強度隨著行車作用次數(shù)增加而不斷衰減。

3 水穩(wěn)層底面應變法評價路面結(jié)構(gòu)強度

本文根據(jù)實測彎沉盆平均值采用SIDMOD軟件反算了瀝青層、水穩(wěn)層模量，而路基模量則根據(jù)美國AASHTO《路面結(jié)構(gòu)設計指南》計算地基模量，根據(jù)結(jié)構(gòu)層模量應用BISAR軟件計算上水穩(wěn)層和下水穩(wěn)層

底面拉應變，結(jié)果列于表5。表中計力學模型為瀝青層與上水穩(wěn)基層連續(xù)、上水穩(wěn)層與下水穩(wěn)層分離，詳見圖3。

有研究者進行了室內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石材料小梁四點彎曲疲勞試驗，應力水平S=0.5～0.8。結(jié)果表明：小梁模量隨荷載作用次數(shù)不斷降低，底面拉應變不斷增大，至疲勞破壞時極限應變的實測結(jié)果變化較大，達139～300 με;上水穩(wěn)層底面最大拉應變?yōu)?8 με，遠小于疲勞破壞的極限拉應變（139～300 με，而底基層底面拉應變均<15 με。由此可見，上水穩(wěn)層底面拉應變遠大于下水穩(wěn)層拉應變，上水穩(wěn)層底面拉應變遠小于室內(nèi)小梁疲勞試驗極限值（139～300 με，表明路面尚遠離疲勞破壞階段。

4 模量衰減法評價路面結(jié)構(gòu)強度

本文對2個路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行）分別檢測了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量（結(jié)果見表2），并采用模量衰減方程估算慢車道疲勞損傷，如以下公式所示，計算結(jié)果見下頁表6。

根據(jù)《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50-2017），對于單幅兩車道高速公路，超車道標準軸次是慢車道的0.25倍，因此：

5 路表彎沉法評價路面結(jié)構(gòu)強度

交通運輸部公路研究院1995年完成的瀝青路面設計指標和參數(shù)研究課題，匯總了國內(nèi)31段試驗路和實體工程4～8年的跟蹤觀測數(shù)據(jù)，分析得到路面彎沉隨路齡變化規(guī)律的函數(shù)，見公式（8）及公式（9）。此外，技術人員通過調(diào)查江蘇半剛性基層瀝青路面典型路段路況，建立了路面破損狀況與彎沉的關系，通過引用公式（10）與公式（11）計算路面損傷量，計算結(jié)果見表7和表8。

6 結(jié)語

（1）經(jīng)計算分析得知，該高速公路7個路段慢車道的路面結(jié)構(gòu)強度良好，損傷度小，具有較長的剩余使用壽命。

（2）四種方法計算的指標評價路面結(jié)構(gòu)承載力，其結(jié)果并不完全相同，強度系數(shù)SSR、上水穩(wěn)層底面拉應變和表面彎沉法的Df有良好的對應關系，而模量衰減法的Df與其他三種方法計算結(jié)果未形成對應關系。

（3）評價廣西地區(qū)高速公路半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)強度可優(yōu)先選用強度系數(shù)SSR、上水穩(wěn)層底面拉應變和表面彎沉法。

參考文獻：

[1]AASHTO.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Washington D.C.[Z].1993.

[2]Rafiqul A.Tarefder，M.ASCE，Damien Bateman.Design of Optimal Perpetual Pavement Struncture[J].Journal of Transportation Engineering，2012，138（2）：157-175.

[3]婁宇賽，樊宇亮，周 林，等. 基于美國AASHTO方法的瀝青路面設計[J].科學技術創(chuàng)新，2018（32）：128-132.

[4]Zhengjianlong.Design Guid for Semirigid Pavements in China Based on Critical State of Asphalt Mixture[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（7）：899-906.

[5]JTG D50-2017，公路瀝青路面設計規(guī)范[S].

[6]甘旭東，扈慧敏，朱昌勝.水泥穩(wěn)定碎石材料疲勞性能試驗分析[J].南京工業(yè)大學學報（自然科學版），2012（34）：118-123.

[7]馬 融，陳 飛.成型工藝對水泥穩(wěn)定再生混合料性能影響研究[J].中國科技論文，2019（2）：129-134.

[8]郭永祥.半剛性基層瀝青混凝土路面病害分析與路面結(jié)構(gòu)設計參數(shù)研究[D].長沙：中南大學，2012.

[9]JTG5210-2018，公路技術評定標準[S].

作者簡介：鄒曉明（1973—），高級工程師，在職研究生，研究方向：防災減災及防護工程;

姚新宇（1989—），碩士，工程師，從事道路結(jié)構(gòu)與材料耐久性研究工作;

滿新耀（1980—），碩士，高級工程師，從事高速公路建設與養(yǎng)護管理工作;

劉 宇（1976—），正高級工程師，博士后，研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料研究。

基金項目：廣西科技計劃項目“濕熱地區(qū)高速公路瀝青路面養(yǎng)護科學決策關鍵技術研究與應用”（桂科AB17292061）