任俊達(dá)

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 2. 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 沈陽市 110015)

瀝青路面作為一種多層結(jié)構(gòu)體系，各層結(jié)構(gòu)可以采用不同類型的材料，具有不同的力學(xué)屬性。路面結(jié)構(gòu)的損壞，既可能是由于某一組成結(jié)構(gòu)(如路基、粒料層或瀝青面層)或整個結(jié)構(gòu)的過量塑性變形，也可能起因于結(jié)構(gòu)層內(nèi)某處的應(yīng)力或應(yīng)變量超出了該處材料的疲勞強(qiáng)度或疲勞應(yīng)變值。在2006版之前的公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范中均采用設(shè)計彎沉值作為設(shè)計指標(biāo)，而路表彎沉值(總變形量)僅是結(jié)構(gòu)對作用荷載的一個綜合的或者表觀的響應(yīng)量，難以確切表明所控制的層次或損壞類型[1]。因此，為了改善現(xiàn)行的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，2004年交通運輸部開始立項開展研究，計劃提出新的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[2]，在認(rèn)真學(xué)習(xí)和分析評價國內(nèi)外瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國瀝青路面的使用特點和經(jīng)驗，構(gòu)建一個新的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和參數(shù)體系，并最終形成了《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTG D50-2017)。該設(shè)計體系由單一力學(xué)分析，轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合多項設(shè)計指標(biāo)與力學(xué)分析相結(jié)合；設(shè)計指標(biāo)由原來的彎沉與層底彎拉應(yīng)力調(diào)整為面層和基層的疲勞、路基與面層的永久變形、低溫開裂等綜合指標(biāo)；并調(diào)整了材料設(shè)計模量及試驗方法，且地區(qū)氣溫、濕度等參數(shù)在設(shè)計指標(biāo)體系占有相對較重的位置。增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應(yīng)變和路面低溫開裂指數(shù)三項設(shè)計指標(biāo)，改進(jìn)了瀝青混合料層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂預(yù)估模型，瀝青混合料層設(shè)計指標(biāo)由層底拉應(yīng)力改為層底拉應(yīng)變[3]。因此，為進(jìn)一步驗證該設(shè)計體系在遼寧省的適用性，以遼寧省高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)為研究對象，采用多指標(biāo)設(shè)計體系中的路面結(jié)構(gòu)性能預(yù)估模型，對半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能進(jìn)行驗算，進(jìn)一步驗證典型結(jié)構(gòu)方案在遼寧省的適用性。

1 路面材料設(shè)計參數(shù)

在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標(biāo)設(shè)計方法研究》項目研究中[4]，針對遼寧省高速公路典型路用材料，采用新規(guī)范的試驗體系，對路用材料參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，為設(shè)計體系的全部建立奠定基礎(chǔ)，因此，采用該項目的研究成果，典型路用材料參數(shù)如表1所示。

2 氣候及交通量參數(shù)

筆者在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標(biāo)設(shè)計方法研究》項目研究中[4]，對遼寧高速公路的方向系數(shù)、車道系數(shù)和車輛類型分布系數(shù)以及多指標(biāo)設(shè)計體系下的氣候參數(shù)均進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究表明，遼寧省高速公路方向系數(shù)主要集中在50%～60%之間，且主要集中于0.51～0.55之間，其車道系數(shù)、車輛類型分布系數(shù)、氣候參數(shù)等如表2～表6所示，其中，路面結(jié)構(gòu)驗算中軸載譜以錦州收費站為例，并選取三種交通荷載水平(極重交通、特重交通、重交通)，根據(jù)《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T D31-2017)中的規(guī)定[5]，錦州地區(qū)凍結(jié)指數(shù)為-815.0℃·d。

表1 路面結(jié)構(gòu)計算用材料參數(shù)

表2 遼寧省高速公路車道分布系數(shù)

表3 遼寧省高速公路車輛類型分布系數(shù)

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算

路面結(jié)構(gòu)的組合就是在選擇確定采用的路面結(jié)構(gòu)類型基礎(chǔ)上，劃分所需要的結(jié)構(gòu)層次，各層的材料類型與性質(zhì)，組合成預(yù)期能滿足設(shè)計目標(biāo)和使用性能要求的路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)遼寧省高速公路建設(shè)已有成功經(jīng)驗，選擇五種典型高速公路路面結(jié)構(gòu)，利用規(guī)范推薦性能方程，進(jìn)行定量的半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能驗算，進(jìn)一步驗證典型結(jié)構(gòu)方案在遼寧省的適用性。典型結(jié)構(gòu)方案如表7所示。分析計算如表8～表10所示。

表4 遼寧省高速公路軸數(shù)系數(shù)推薦值

表5 錦州地區(qū)氣溫統(tǒng)計資料及相應(yīng)的基準(zhǔn)路面

表6 錦州地區(qū)路面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度驗算用氣候參數(shù)

由表8～表10可以看出，除遼寧省東部寒冷山區(qū)外，影響路面結(jié)構(gòu)驗算符合性的主要指標(biāo)為車轍深度，影響瀝青層永久變形的主要因素為瀝青混合料車轍試驗永久變形量以及瀝青混合料的動態(tài)模量，而基層厚度對瀝青層永久變形影響不大，目前遼寧省高速公路現(xiàn)有半剛性基層結(jié)構(gòu)及材料的疲勞壽命均能滿足重載交通要求，適當(dāng)增加基層厚度可有效保證路基的穩(wěn)定性，特別是在重載交通路段，并通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到長壽命的目標(biāo)，降低全壽命周期的建養(yǎng)成本。

表7 典型結(jié)構(gòu)組合方案

表8 極重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

表9 特重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

表10 重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

通過結(jié)構(gòu)驗算可知，表中僅結(jié)構(gòu)5滿足極重交通荷載下的車轍永久變形量的要求，因此，對于極重交通荷載水平，有必要同時提高中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力，并可適當(dāng)增加瀝青層的厚度，以保護(hù)基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到長壽命的要求。

結(jié)構(gòu)4由于采用了“倒裝結(jié)構(gòu)”即在半剛性基層結(jié)構(gòu)與瀝青層結(jié)構(gòu)之間加入了級配碎石過渡層，使得結(jié)構(gòu)驗算中對于高速公路車轍永久變形量提高了要求(為10mm，半剛性基層為15mm)，綜合分析可知，對于特重交通荷載，建議在中面層要提高瀝青混合料的抗車轍性能。

4 結(jié)論

(1)對于重交通荷載水平，遼寧省高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)均能滿足路面結(jié)構(gòu)驗算要求，因此，在重交通荷載及以下水平，要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、施工水平、氣候等因素，進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料一體化、功能性設(shè)計，并綜合考慮壽命周期的建設(shè)及養(yǎng)護(hù)成本。

(2)影響遼寧省高速公路路面結(jié)構(gòu)驗算符合性的主要指標(biāo)為車轍深度，其混合料性能指標(biāo)主要為規(guī)定試驗條件下的車轍深度，在結(jié)構(gòu)組合設(shè)計時，應(yīng)注意中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力。

(3)對于極重交通荷載水平，有必要提高中下面層瀝青混合料的抗車轍能力，并可適當(dāng)增加瀝青層的厚度，以保護(hù)基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到長壽命的要求。

(4)倒裝結(jié)構(gòu)對于瀝青路面抵抗反射裂縫具有較為良好的效果，當(dāng)級配碎石作為過渡層或連接層時，要嚴(yán)格控制級配碎石的施工工藝，提高級配碎石的壓實度，以滿足結(jié)構(gòu)組合設(shè)計的要求。

(5)針對瀝青路面為多層次的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)與損壞類型多樣化的特點，應(yīng)注意各項設(shè)計指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)，使整個路面結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡設(shè)計的要求。