周亮

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司， 湖南 岳陽(yáng) 414000)

在中國(guó)，對(duì)于水泥砼路面的維修，經(jīng)常是在水泥砼路面上鋪筑瀝青面層，這樣不僅利用了水泥砼路面的強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)環(huán)境和交通的影響較小。舊水泥砼路面加鋪技術(shù)根據(jù)加鋪材料可分為舊水泥砼上加鋪瀝青砼路面(“白加黑”)、舊水泥砼上加水泥砼路面(“白加白”)兩種，根據(jù)舊水泥砼路面的處理工藝可分為板塊碎石化、板塊注漿穩(wěn)定兩種，其中采用板塊碎石化后加筑瀝青砼面的工藝稱為“白改黑”。經(jīng)過(guò)板塊碎石化后直接鋪筑瀝青面層施工簡(jiǎn)便，能改善舊水泥砼路面的使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命，降低維修成本，故應(yīng)用最多。

在模量反算方面，Chua K. M.采用非線性有限元程序和試差法，對(duì)FWD實(shí)測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)進(jìn)行了面層模量反算；孫立軍等提出水泥砼路面存在惰性點(diǎn)，并利用該點(diǎn)解決了水泥砼路面模量反算解的唯一性問(wèn)題，提高了反算精度和速度，同時(shí)分析了惰性點(diǎn)位置和彎沉與路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系并給出了相應(yīng)關(guān)系式。但對(duì)其結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的研究還不夠深入。JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》在驗(yàn)算路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇上較原規(guī)范有較大調(diào)整，增加了瀝青混合料層永久變形量設(shè)計(jì)指標(biāo)?？刂茷r青路面車轍量的關(guān)鍵是控制瀝青層的永久變形，特別是無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定基層和底基層路基的瀝青路面，荷載在無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層和路基上反復(fù)作用引起的永久變形的累積量不大，僅占路面總車轍的一小部分，可認(rèn)為永久變形不會(huì)發(fā)生。路面上的車轍主要是由瀝青混合料層的永久變形所引起。對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)也是如此，驗(yàn)算瀝青混合料層永久變形量和層底拉應(yīng)變對(duì)行車舒適性和結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。該文結(jié)合實(shí)體工程，對(duì)共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，為大修工程的結(jié)構(gòu)選擇提供參考。

1 彎沉采集及分析

1.1 工程背景

(1) 工程介紹。以湖南邵陽(yáng)某高速公路大修工程加鋪結(jié)構(gòu)為例，對(duì)舊路加鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，原路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1(a)。隨著使用年限的增加，交通量激增，路面出現(xiàn)了很嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。為保障行車安全，對(duì)其進(jìn)行加鋪改造，改造方式是在病害處置的原路面上就地碎石化后加鋪瀝青層，加鋪后結(jié)構(gòu)參數(shù)見圖1(b)。

圖1 路面結(jié)構(gòu)示意圖

(2) 交通數(shù)據(jù)及氣象資料。瀝青路面設(shè)計(jì)使用年限為15年，根據(jù)交通量OD調(diào)查分析，該項(xiàng)目斷面大型客貨交通量為7 104輛/d，交通量年增長(zhǎng)率為7.6%。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，方向系數(shù)取55.0%，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，車道系數(shù)取80.0%，則設(shè)計(jì)車道初始年大型客貨日均交通量為3 126輛/d，計(jì)算得設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道大型客貨累計(jì)交通量為19 001 411輛，荷載等級(jí)為特重。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到對(duì)應(yīng)于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(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為1.92×107次，對(duì)應(yīng)于無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為4.88×107次。

湖南邵陽(yáng)地處亞熱帶，屬于典型中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，自然區(qū)劃屬東南濕熱Ⅳ5區(qū)，瀝青路面氣候分區(qū)屬Ⅰ-4區(qū)，年均降雨量1 100～1 400 mm，年平均氣溫16.1～17.4 ℃。其中7月最熱，平均氣溫26.6～28.5 ℃；1月最冷，多年月平均氣溫為4.7～5.6 ℃。

1.2 模量擬合

利用FWD采集彎沉數(shù)據(jù)，彎沉檢測(cè)通常受結(jié)構(gòu)組合、厚度、路基土濕度、各結(jié)構(gòu)層模量、層間連接狀態(tài)等影響，高速公路大修工程還會(huì)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50 m一點(diǎn)，并記錄準(zhǔn)確樁號(hào)和具體位置，在瀝青加鋪完成后采集C0～C6 7個(gè)傳感器位置的彎沉，共采集20個(gè)位置的彎沉，取其平均值作為測(cè)點(diǎn)的彎沉。對(duì)比實(shí)測(cè)彎沉盆數(shù)據(jù)，根據(jù)BISAR程序擬合原理并通過(guò)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。彎沉理論值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比見表1、圖2。

表1 彎沉理論值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖2 彎沉擬合值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

由表1和圖2可看出：彎沉理論值與實(shí)測(cè)值擬合較好，且曲線較平緩，可用于后續(xù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的參數(shù)選取。依據(jù)實(shí)測(cè)彎沉值通過(guò)BISAR程序擬合的模量見表2。

表2 結(jié)構(gòu)層參數(shù)及模量擬合結(jié)果

2 加鋪結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

2.1 CMSR程序

加鋪結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算采用CMSR計(jì)算。該程序通過(guò)在新建或改建的原結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行剛性承載板測(cè)試，獲得頂面當(dāng)量剛度后結(jié)合加鋪層厚度和加鋪結(jié)構(gòu)頂面設(shè)計(jì)彎沉，快速計(jì)算加鋪層結(jié)構(gòu)剛度需達(dá)到的量化指標(biāo)，還可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)剛性承載板測(cè)試，經(jīng)過(guò)計(jì)算獲得加鋪層的實(shí)際剛度和壓實(shí)質(zhì)量。CMSR程序結(jié)構(gòu)為函數(shù)式結(jié)構(gòu)，基本命令格式如下：

[Edx]=CMSR(E0,Emin_max，h,p,R,mμ,

wdx,'csust')

式中：E0為舊路表面的當(dāng)量回彈模量(MPa)；h為加鋪層厚度(m)；Emin_max為加鋪層模量的擬設(shè)計(jì)值數(shù)組向量(MPa)；p為等效荷載集度(MPa)；R為剛性承載板半徑(m)；mμ為舊路表面和新加鋪層材料的泊松比，以數(shù)組表示；wdx為加鋪后結(jié)構(gòu)頂面回彈彎沉的設(shè)計(jì)值或控制值(0.01 mm)。

2.2 剛度驗(yàn)算

(1) 舊砼板共振碎石化路面當(dāng)量回彈模量。經(jīng)實(shí)地檢測(cè)和計(jì)算，共振碎石機(jī)的振動(dòng)頻率為48 Hz、行進(jìn)速度為1.3 km/h時(shí)，舊砼板共振碎石化路面的頂面回彈模量為541.28 MPa，變異系數(shù)為24.5%。共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)取值見表3。

表3 共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

(2) 加鋪層剛度。將表3中參數(shù)輸入CMSR程序，輸出結(jié)果見圖3。

圖3 共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)剛度與彎沉的關(guān)系

加鋪層擬加鋪厚度ha為200 mm，鋪筑后頂面設(shè)計(jì)彎沉為20.1 (0.01 mm)，計(jì)算出加鋪層材料的剛度不得低于1 128.59 MPa。

3 瀝青加鋪層厚度擬定與驗(yàn)算

擬定的路面結(jié)構(gòu)方案及各結(jié)構(gòu)層厚度見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)方案及各結(jié)構(gòu)層厚度

根據(jù)1.2節(jié)擬合結(jié)果，水穩(wěn)基層模量為1 700 MPa，考慮到層間補(bǔ)償原因，水穩(wěn)碎石層模量根據(jù)設(shè)計(jì)資料取值，SBS改性瀝青SMA-13上面層、改性瀝青AC-20C中面層、土基模量和水穩(wěn)碎石層模量與舊瀝青路面直接加鋪結(jié)構(gòu)相同。參考規(guī)范中路面結(jié)構(gòu)材料取值范圍，基質(zhì)瀝青ATB-25層模量取9 000 MPa，共振碎石化層模量參照文獻(xiàn)[16]取800 MPa。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，需要驗(yàn)算的設(shè)計(jì)指標(biāo)為水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力、瀝青混合料層永久變形量和層底拉應(yīng)變。

3.1 水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力

目標(biāo)可靠度和目標(biāo)可靠指標(biāo)β分別取95%、1.65，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)ka取1.0，基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)kTi=1.45，按《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算路面結(jié)構(gòu)的溫度調(diào)整系數(shù)。當(dāng)量瀝青面層換算如下：

9 480.26 MPa

當(dāng)量基層換算如下：

2 359.06 MPa

無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂相關(guān)參數(shù)如下：

AE=0.10λE+0.89=1.292

Ah=0.73λh+0.67=0.905

Bh=0.44ln(λh/0.45)=-0.146

BE=0.15ln(λE/1.14)=0.189

式中：λE為面層與基層當(dāng)量模量之比；λh為面層與基層當(dāng)量厚度之比；AE、Ah、BE、Bh為與面層、基層厚度和模量有關(guān)的函數(shù)。

溫度調(diào)整系數(shù)為：

現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)為：

kc=c1ec2(ha+hb)+c3=-1.272

式中：kc為現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)；c1、c2、c3為參數(shù)；ha、hb分別為瀝青混合料層和計(jì)算點(diǎn)以上無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層厚度。

按《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》選取計(jì)算點(diǎn)，按照彈性層狀體系理論計(jì)算水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力，得σt=0.130 MPa，水泥穩(wěn)定碎石層疲勞開裂壽命為：

Nf2=kakT210a-b(σt/Rs)+kc-0.57β=

263 908 241.2次≥4.88×107次

水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 瀝青混合料層永久變形量

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》，基準(zhǔn)等效溫度Tξ=23.9℃，瀝青混合料層永久變形等效溫度為：

Tpef=Tξ+0.016ha=27.1 ℃

將瀝青混合料層分為8層，其中：40 mm改性瀝青SMA-13上面層分為10 mm+15 mm+15 mm 3層；60 mm改性瀝青AC-20C中面層分為20 mm+20 mm+20 mm 3層；100 mm基質(zhì)瀝青ATB-25下面層分為50 mm+50 mm 2層。分別計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力，8個(gè)分層應(yīng)力分別以P1～P8表示，結(jié)果見表5。

表5 各分層頂部壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

計(jì)算得ha=200 mm時(shí)d1=-3.54，d2=0.635。各分層深度和永久變形綜合修正系數(shù)kRi見表6。

表6 各分層修正系數(shù)計(jì)算結(jié)果

經(jīng)測(cè)試，試驗(yàn)溫度為60 ℃、壓強(qiáng)為0.7 MPa、加載次數(shù)為2 520 次時(shí)，加鋪層車轍試驗(yàn)變形深度R0分別為1.65、1.98、2.38 mm。根據(jù)以上參數(shù)計(jì)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)果見表7。

表7 各分層的永久變形量和瀝青混合料層的

由表7可知：考慮一定折減系數(shù)的瀝青混合料層總的永久變形量為11.06 mm<15 mm，滿足規(guī)范要求。

3.3 瀝青混合料層層底拉應(yīng)變

采用彈性層狀體系理論，計(jì)算得瀝青混合料層厚度為200 mm時(shí)瀝青混合料層層底拉應(yīng)變?yōu)?34.9 με。高速公路目標(biāo)可靠度和目標(biāo)可靠指標(biāo)β分別取95%、1.65，季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)Ka取1.0。當(dāng)量瀝青面層和當(dāng)量基層換算與水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力相同。瀝青混合料疲勞開裂相關(guān)參數(shù)如下：

BE=0.14ln(λE/20)=-0.225

Bh=0.23ln(λh/0.45)=-0.076

溫度調(diào)整系數(shù)為：

kT1=AhAEkT11+Bh+BE=0.841

根據(jù)施工和試驗(yàn)資料，SMA-13混合料的油石比為5.82%，瀝青飽和度VFA=82.5%；AC-20C混合料的油石比為4.50%，VFA=70.6%；ATB-25混合料的油石比為3.8%，VFA=65.2%。瀝青混合料層的疲勞開裂壽命為：

8.440

1.92×107次

瀝青混合料層的疲勞開裂壽命滿足設(shè)計(jì)要求。

綜上，加鋪結(jié)構(gòu)半剛性基層層底拉應(yīng)力、瀝青混合料層總的永久變形量滿足要求，擬定的加鋪層厚度合理。

4 結(jié)論

利用FWD對(duì)舊水泥砼路面共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎沉采集，基于動(dòng)態(tài)彎沉盆數(shù)據(jù)，運(yùn)用BISAR程序擬合得到舊水泥砼路面共振碎石化加鋪結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層的彈性模量，并應(yīng)用CMSR程序?qū)愉伣Y(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明：直接加鋪結(jié)構(gòu)加鋪層材料剛度不得低于1 128.59 MPa，擬定的加鋪結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

利用BISAR程序擬合所得結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量，考慮一定折減系數(shù)，對(duì)瀝青直接加鋪結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明：水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應(yīng)力、瀝青混合料層總的永久變形量及層底彎拉應(yīng)力均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，擬定的加鋪層厚度合理。