劉 霞

(新邵縣公路管理局， 湖南 邵陽 422900)

0 引言

隨著我國道路行業(yè)的迅速發(fā)展，目前國內(nèi)高速公路舊瀝青路面已進入大、中修的高峰階段，許多之前修建的瀝青路面出現(xiàn)了大量的病害，道路性能進入快速下降的時期，許多已經(jīng)達到了服務(wù)中期。目前在舊瀝青路面上進行瀝青面層直接加鋪已經(jīng)取得一些成功經(jīng)驗并得到道路界的普遍認同，但如何進行舊瀝青路面加鋪結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與厚度設(shè)計、確定設(shè)計參數(shù)與剛度要求等方面還需進一步研究[1-2]。

瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)層的施工雖然簡單，但可以有效改善舊瀝青路面的性能，延長路面的使用壽命，降低維護成本。因此，在國內(nèi)外瀝青路面改造項目中得到了廣泛的應(yīng)用[3]。但是在工程實踐中，加鋪后的路面一般并不能按照預(yù)想的狀態(tài)工作，導(dǎo)致路面經(jīng)常在沒有達到設(shè)計年限的情況下就出現(xiàn)了不同程度的病害，斷裂數(shù)增加，破壞程度增加，加快了道路整體強度的衰減，使道路的服務(wù)水平和使用壽命降低[4-6]。新《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》在驗算路面設(shè)計指標(biāo)的選擇上較原規(guī)范有較大調(diào)整，增加瀝青混合料層的永久變形量為設(shè)計指標(biāo)[7]。瀝青混合料層的永久變形量是控制瀝青路面車轍量的關(guān)鍵，路面上的車轍主要是由瀝青混合料的永久變形引起的，對加鋪層結(jié)構(gòu)也是如此。因此，驗算瀝青混合料層永久變形量和層底拉應(yīng)變對瀝青路面的行車舒適性和結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。本文結(jié)合采集的FWD(落錘式彎沉儀)彎沉盆和模量擬合，對實體工程的舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)進行驗算，研究成果可為舊瀝青路面大修工程的加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 FWD彎沉采集及結(jié)構(gòu)層模量反演

1.1 工程背景

1.1.1工程介紹

本文以湖南某高速公路大修工程加鋪結(jié)構(gòu)為例，對舊路加鋪結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)驗算研究，原路面結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1所示。隨著使用年限的增加，交通量激增，路面出現(xiàn)了很嚴重的結(jié)構(gòu)破壞，為保障行車安全，對路面在進行了加鋪改造，改造方式是在病害處治的原路面上直接加鋪瀝青層，加鋪后的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

圖1 原路面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 舊路面直接加鋪結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2交通數(shù)據(jù)及氣象資料

瀝青路面設(shè)計使用年限為15 a，根據(jù)交通量調(diào)查分析，斷面大型客、貨交通量為7104輛/日，交通量年增長率為7.6%[8]。根據(jù)設(shè)計資料，方向系數(shù)取55.0%；根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范[7]，車道系數(shù)取80.0%。經(jīng)計算得到，設(shè)計車道初始年大型客、貨日均交通量為3126輛/日，設(shè)計使用年限內(nèi)設(shè)計車道大型客、貨累計交通量為19001411輛，對應(yīng)的荷載等級為特重。根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范，計算得到對應(yīng)瀝青混合料層永久變形量和層底拉應(yīng)變的當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為1.92×107次，對應(yīng)無機結(jié)合料層疲勞開裂的當(dāng)量設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為4.88×107次。

湖南地處亞熱帶，屬于典型中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，實體工程所在地區(qū)自然區(qū)劃屬東南濕熱Ⅳ5區(qū)，瀝青路面氣候分區(qū)屬Ι-4區(qū)，年均降雨量1100～1400mm，年平均氣溫16.1 ℃～17.4 ℃。其中7月最熱，月平均氣溫26.6 ℃～28.5 ℃；1月最冷，月平均氣溫4.7 ℃～5.6 ℃。

1.2 FWD動態(tài)彎沉采集

研究利用FWD采集彎沉數(shù)據(jù)，彎沉檢測通常受結(jié)構(gòu)組合、厚度、瀝青層溫度、路基土濕度、各結(jié)構(gòu)層模量、層間連接狀態(tài)等各種因素影響；對于高速公路大修工程來說，還會受到通行區(qū)重型車輛通行的影響。為減少誤差，提高數(shù)據(jù)的可信度，將采集密度設(shè)置為每50m一點，并記錄準(zhǔn)確樁號和具體位置，一共采集20個位置的彎沉值。每一個點采集C0～C6這7個傳感器位置的彎沉，F(xiàn)WD測點位置分布見表1。

對比實測彎沉盆數(shù)據(jù)，根據(jù)BISAR程序擬合的原理并通過不斷調(diào)整參數(shù)，直至C0～C6傳感器位置的彎沉綜合誤差基本滿足要求。理論值與實測值的對比見表2、圖3。

表1 FWD測點位置分布傳感器編號距落錘中心距離/mmC00C1203C2305C3457C4610C5914C61 219

表2 擬合彎沉與實測彎沉對比分析檢測點理論值/μm實測值/μm相對平方誤差(×10-5)相對平方誤差和(×10-4)C060.4560.701.7C148.5248.450.2C243.4543.154.8C338.1137.5522.25.03C433.3533.250.9C526.4826.8519.0C621.5321.451.4

圖3 擬合彎沉與實測彎沉對比圖

模量擬合結(jié)果如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)層參數(shù)及擬合結(jié)果結(jié)構(gòu)層層厚/m泊松比μ擬合模量/MPaSMA-130.040.2510 000AC-20C0.060.2515 000舊瀝青層0.160.2513 000水穩(wěn)基層0.360.252 000水穩(wěn)底基層0.200.25800土基—0.4052

2 加鋪層剛度驗算

2.1 CMSR程序基本原理

加鋪結(jié)構(gòu)剛度驗算采用CMSR (Calculation method for stiffness of reinforcement) 程序進行計算。該程序通過頂面當(dāng)量剛度、加鋪層厚度和加鋪結(jié)構(gòu)頂面設(shè)計彎沉值，快速計算加鋪層結(jié)構(gòu)剛度須達到的量化指標(biāo)。CMSR程序結(jié)構(gòu)為函數(shù)式結(jié)構(gòu)，基本命令格式如下所示：

式中：E0表示舊路表面的當(dāng)量回彈模量，MPa；Emin_max表示加鋪層模量的擬設(shè)計值數(shù)組向量；h表示加鋪層厚度，m；p表示等效荷載集度，MPa；μ表示舊路表面和新加鋪層材料的泊松比，以數(shù)組表示；wdx表示加鋪后結(jié)構(gòu)頂面回彈彎沉的設(shè)計值或控制值。

2.2 剛度驗算

舊瀝青路面的計算彎沉l0為：

舊瀝青路面的頂面回彈模量Et為：

式中：Et表示舊瀝青路面當(dāng)量回彈模量，0.01 mm；P表示標(biāo)準(zhǔn)軸載下輪胎接地壓強，取0.70 MPa；δ表示標(biāo)準(zhǔn)車型下當(dāng)量圓半徑，取10.65 cm；m1、m2分別為輪板對比值和原路面回彈模量的擴大系數(shù)，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》分別取1.1和1.0。

根據(jù)設(shè)計資料，加鋪后的結(jié)構(gòu)驗收彎沉為20.1 mm。舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表4。

表4 舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)取值參數(shù)E0/MPaEmin_max/MPah/cmP/MPaR/mμwdx/(0.01 mm)設(shè)計值603.46[1 000,10 000]0.100.70.150.2520.1

將表3的參數(shù)輸入至CMSR程序中，輸出的結(jié)果如圖4所示。

圖4 舊瀝青直接加鋪結(jié)構(gòu)剛度與彎沉關(guān)系

由圖4可知，當(dāng)加鋪層擬加鋪厚度為0.10 m時，加鋪層頂面設(shè)計彎沉為20.1(0.01 mm)，則加鋪層材料的剛度需不低于1 488 MPa。

3 瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)驗算

擬定的舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)層厚度如表5所示。

表5 路面結(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)層材料類型厚度/mm泊松比SMA-13 (SBS改性瀝青)400.25面層AC-20C (SBS改性瀝青)600.25普通瀝青舊面層1600.25基層水泥穩(wěn)定碎石3600.25底基層水泥穩(wěn)定碎石2000.25土基低液限黏土—0.40

路基為受氣候影響的干燥類，土質(zhì)為低液限黏土。低液限黏土路基標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下回彈模量取80MPa，回彈模量濕度調(diào)整系數(shù)ks取0.80，則經(jīng)過濕度調(diào)整的路基頂面回彈模量為64MPa，滿足設(shè)計要求。由擬合結(jié)果可知水穩(wěn)基層模量為2000MPa，但考慮到層間補償原因，水穩(wěn)碎石層模量根據(jù)設(shè)計資料取值。水泥穩(wěn)定碎石基層和底基層彈性模量為14000MPa，彎拉強度為1.2MPa，乘以結(jié)構(gòu)層模量調(diào)整系數(shù)0.5，水泥穩(wěn)定碎石基層模量取7000MPa，彎拉強度取0.6MPa。瀝青層的模量結(jié)合擬合結(jié)果并參考現(xiàn)行規(guī)范進行取值，SBS改性瀝青SMA-13上面層模量取10000MPa，改性瀝青AC-20C中面層模量取10000MPa，舊瀝青層下面層模量取8000MPa。

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范需要驗算的設(shè)計指標(biāo)為瀝青混合料層永久變形量和水泥穩(wěn)定碎石層底拉應(yīng)力[9]。

1) 瀝青混合料層永久變形量

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范得基準(zhǔn)等效溫度Tξ=23.9 ℃，將Tξ和ha帶入瀝青路面設(shè)計規(guī)得到瀝青混合料層永久變形等效溫度：

Tpef=Tξ+0.016ha=27.1 ℃。

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范對瀝青混合料層進行分層，共分為6層：40mm改性瀝青SMA-13上面層，分為10mm+15mm+15mm，共3層；60mm改性瀝青AC-20C中面層，分為20mm+20mm+20mm，共3層。

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范分別計算設(shè)計荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力，以上6個分層應(yīng)力分別標(biāo)識為:P1～P6,結(jié)果見表6。

表6 不同分層頂部壓應(yīng)力計算結(jié)果MPaP1P2P3P4P5P60.700.700.690.660.600.53

根據(jù)瀝青路面設(shè)計規(guī)范計算得到：ha=100mm時,d1=-7.7，d2=-0.76。各分層深度取值和各分層的永久變形綜合修正系數(shù)KRi如表7所示。

表7 各分層深度的修正系數(shù)KRi計算結(jié)果各分層深度(mm)的修正系數(shù)KRi1517.532.55070902.453.466.987.726.725.20

經(jīng)試驗測試，在試驗溫度為60 ℃，壓強為0.7MPa，加載次數(shù)為2520次時，SMA-13上面層和AC-20C中面層車轍試驗變形深度R0分別為1.65、1.98mm。

根據(jù)以上參數(shù)，計算各分層永久變形量和瀝青混合料層總的永久變形量，結(jié)果如表8所示。

經(jīng)過計算，考慮一定折減系數(shù)的瀝青混合料層總的永久變形量11.93mm<15mm，滿足瀝青路面設(shè)計規(guī)范瀝青層容許變形量的要求。

表8 各分層永久變形量和總永久變形量mm各分層永久變形量總變形量Ra1Ra2Ra3Ra4Ra5Ra6Ra0.541.142.243.662.691.6611.93

2) 水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力

根據(jù)結(jié)構(gòu)層厚度和力學(xué)參數(shù)，采用彈性層狀體系理論計算水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力。高速公路目標(biāo)可靠度和目標(biāo)可靠指標(biāo)β分別取95%和1.65。根據(jù)氣象資料，工程所在地區(qū)凍結(jié)指數(shù)F≤50℃·d，項目處于非季節(jié)性凍土地區(qū)，所以不需要進行低溫開裂指數(shù)驗算和防凍厚度驗算，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)Ka取1.0。所在地區(qū)基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)KTi=1.45，計算路面結(jié)構(gòu)的溫度調(diào)整系數(shù)。

當(dāng)量瀝青面層換算：

當(dāng)量基層換算：

計算無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂相關(guān)參數(shù)。

溫度調(diào)整系數(shù)：

KT2=AhAKKT21+Bh+BE=1.629;

現(xiàn)場綜合修正系數(shù)：

Kc=c1ec2(ha+hb)+c3=-1.44。

由瀝青路面設(shè)計規(guī)范可得，水泥穩(wěn)定碎石層疲勞開裂模型參數(shù)a=13.4，b=12.52。按照彈性層狀體系理論計算水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力，得到σt=0.101 MPa。根據(jù)以上所取參數(shù)計算水泥穩(wěn)定碎石層疲勞開裂壽命：

綜上所述，擬定的瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)及厚度滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

1) 利用FWD對舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)進行了動態(tài)彎沉采集，共采集了C0～C6這7個傳感器位置的彎沉，得到了實測彎沉盆；并運用BISAR程序擬合得到了舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的彈性模量。

2) 根據(jù)FWD動態(tài)彎沉盆數(shù)據(jù)，應(yīng)用CMSR程序?qū)愉伣Y(jié)構(gòu)的剛度進行了驗算，得出直接加鋪結(jié)構(gòu)加鋪層材料剛度需不低于1488MPa，擬定的加鋪結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

3) 利用根據(jù)BISAR程序擬合得到的結(jié)構(gòu)層模量，對舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)驗算分析，結(jié)果表明擬定的瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)及厚度驗算滿足設(shè)計要求。