王 龍，李鵬飛，朱月鵬

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2.黑龍江省交通運(yùn)輸廳工程造價(jià)總站，哈爾濱 150090)

對(duì)于半剛性基層瀝青路面，當(dāng)面層出現(xiàn)裂紋或者由于施工不均勻產(chǎn)生較大空隙時(shí)，外界水分進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，無法排出而聚集在基層頂面，行車荷載產(chǎn)生的動(dòng)水壓力會(huì)使基層表面細(xì)集料剝離，骨料暴露，頂面軟化，使瀝青面層脫空，進(jìn)而使瀝青面層產(chǎn)生疲勞破壞[1-3]。因此，半剛性基層的抗沖刷評(píng)價(jià)備受道路科研工作者關(guān)注。國(guó)內(nèi)對(duì)于半剛性基層材料抗沖刷性能的評(píng)價(jià)設(shè)備的研究較晚，國(guó)外學(xué)者在20世紀(jì)90年代開始采用振動(dòng)臺(tái)加旋轉(zhuǎn)刷的方式進(jìn)行基層材料的抗沖刷評(píng)價(jià)[4]，文獻(xiàn)[5-6]從理論上分析了剛性路面的沖刷唧泥破壞，1991年美國(guó)Hansen通過室內(nèi)試驗(yàn)得出基層材料所受到的沖刷應(yīng)力峰值為70 kPa。在國(guó)內(nèi)，在試驗(yàn)方法方面，文獻(xiàn)[7-9]提出以MTS作為加載設(shè)備對(duì)基層材料動(dòng)水沖刷的泵吸作用進(jìn)行模擬的方法；文獻(xiàn)[10-11]提出以振動(dòng)電機(jī)作為加載設(shè)備的模擬方法。對(duì)于評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[12]通過試驗(yàn)，提出建立沖刷次數(shù)N與沖刷深度dN的關(guān)系，以產(chǎn)生5 mm 沖刷深度的沖刷次數(shù)N5來評(píng)價(jià)基層材料的抗沖刷性能；文獻(xiàn)[13]以抗壓強(qiáng)度損失率α作為其抗沖刷性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[14]通過MTS對(duì)纖維水泥穩(wěn)定碎石基層材料進(jìn)行了沖刷試驗(yàn)，結(jié)果表明20 min后沖刷質(zhì)量損失逐漸穩(wěn)定,因而可以采用20 min內(nèi)單位時(shí)間的沖刷速率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)；文獻(xiàn)[15]通過灰度關(guān)聯(lián)原理以質(zhì)量損失為指標(biāo)建立沖刷量的預(yù)估模型。

綜上所述，目前半剛性基層沖刷試驗(yàn)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并沒有與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中基層被沖刷后對(duì)瀝青面層疲勞破壞的影響建立聯(lián)系，所提出的技術(shù)要求僅從材料角度入手，因此本文以新型高效抗沖刷設(shè)備的開發(fā)為基礎(chǔ)，研究相關(guān)因素對(duì)抗沖刷性能的影響，并結(jié)合其對(duì)瀝青面層疲勞壽命的影響分析，提出抗沖刷評(píng)價(jià)指標(biāo)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1 半剛性基層材料旋轉(zhuǎn)沖刷試驗(yàn)

現(xiàn)行規(guī)范提出的沖刷試驗(yàn)是將沖刷桶安裝在MTS試驗(yàn)機(jī)上，通過壓頭的上下重復(fù)加載把水?dāng)D壓進(jìn)和抽離出試件，產(chǎn)生動(dòng)水壓力的沖刷作用，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，沖刷荷載峰值為0.5 MPa，沖刷頻率為10 Hz，以沖刷質(zhì)量損失率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，該試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是可以模擬車輪在路表行駛時(shí)，水分被輪胎壓進(jìn)和吸出基層的“泵吸過程”，但是缺點(diǎn)在于試驗(yàn)過程過于復(fù)雜，試驗(yàn)效率低，試驗(yàn)設(shè)備昂貴，難以推廣。

1.1 設(shè)備開發(fā)

在沖刷產(chǎn)生破壞的成因中，車輛荷載、路面結(jié)構(gòu)和基層材料性能是影響半剛性基層材料沖刷破壞的主要因素。其中車輛荷載包括了車輛軸重和行駛速度，影響動(dòng)水壓力和沖刷頻率的大小，路面結(jié)構(gòu)主要影響了自由水的多少，而半剛性基層材料的強(qiáng)度和空隙率等是影響抗沖刷能力的主要因素。半剛性基層抗旋轉(zhuǎn)沖刷的工作原理是在直徑為1 m、高為0.5 m的沖刷桶內(nèi)放入6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，注入一定固定高度的清水，通過電機(jī)帶動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)葉片帶動(dòng)水流產(chǎn)生沖刷力，沖刷水流對(duì)基層材料產(chǎn)生沖刷作用，試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。沖刷能力的影響因素主要有電機(jī)的旋轉(zhuǎn)頻率、試件的浸水高度和沖刷時(shí)間等，通過不同影響因素的相互組合，以沖刷前后6個(gè)試件的質(zhì)量損失率平均值作為抗沖刷性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式為

(1)

式中：p為沖刷質(zhì)量損失率；m0為試件沖刷前干重，g；m1為試件沖刷后干重，g。

(a)設(shè)備剖面圖

(b)設(shè)備外觀照片

1.2 旋轉(zhuǎn)沖刷試驗(yàn)最佳參數(shù)

影響沖刷效果的參數(shù)主要有3個(gè)，分別為沖刷頻率f、試件浸水高度h和沖刷時(shí)間t，沖刷頻率f采用變頻器控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度以1 Hz為步長(zhǎng)，在0～50 Hz之間可調(diào)，該參數(shù)決定單次沖刷水流對(duì)試件的作用強(qiáng)度；浸水高度h是指在靜止?fàn)顟B(tài)沖刷桶內(nèi)水浸沒試件的高度，通過液位顯示器進(jìn)行控制，控制在0～20 cm之間，該參數(shù)影響沖刷力對(duì)試件作用的均勻程度；沖刷時(shí)間t是指旋轉(zhuǎn)沖刷對(duì)試件作用的時(shí)間，采用計(jì)時(shí)器控制，該參數(shù)是沖刷作用累計(jì)效果的表征。

旋轉(zhuǎn)沖刷最佳參數(shù)試驗(yàn)中試件的級(jí)配采用《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/T F20—2015中的C-B-1，水泥劑量為4.5%，按照試驗(yàn)規(guī)程成型壓實(shí)度為98%的圓柱形試件，試件尺寸為φ15 cm×15 cm，養(yǎng)生7 d后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)。沖刷試驗(yàn)條件選取3種浸水高度，分別為5、10、15 cm，5種沖刷頻率分別為5、10、15、20、30 Hz，3種沖刷時(shí)間分別為5、10、20 min，計(jì)算沖刷試驗(yàn)后質(zhì)量損失率，不同試驗(yàn)工藝下的沖刷質(zhì)量損失率與沖刷時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

(a)浸水高度h=5 cm

(c)浸水高度h=15 cm

(b)浸水高度h=10 cm

(d)沖刷頻率f=30 Hz

圖2(a)～2(c)為試件在不同浸水高度和不同沖刷頻率下質(zhì)量損失率與沖刷時(shí)間的關(guān)系，由圖可以看出，在不同沖刷頻率下，隨著沖刷時(shí)間的增加，質(zhì)量損失率近似成直線增長(zhǎng)，且增長(zhǎng)的幅度較大，浸水高度分別為5、10、15 cm時(shí)，不同沖刷頻率下的平均增長(zhǎng)率分別為3%、5%、4%；還可以看出，隨著沖刷頻率的增加，不同沖刷時(shí)間下的質(zhì)量損失率在增加，相同沖刷時(shí)間下，30 Hz頻率下的質(zhì)量損失率最大，頻率增加相當(dāng)于有效沖刷次數(shù)增加，所以沖刷質(zhì)量損失率就大，頻率分別為10、20、30 Hz時(shí)，不同沖刷時(shí)間的平均增長(zhǎng)率分別為2%、4%、6%；沖刷時(shí)間和沖刷頻率均是影響沖刷質(zhì)量損失率的關(guān)鍵因素，兩因素體現(xiàn)沖刷介質(zhì)對(duì)試件沖刷作用的時(shí)間總量。由圖2(d)可以看出，浸水高度的增加，試件的沖刷效果會(huì)下降，浸水高度的作用有兩個(gè)：一是決定沖刷介質(zhì)能否對(duì)試件進(jìn)行滿高度沖刷作用，二是決定了沖刷阻力的大小。當(dāng)試件浸水高度過小時(shí)，旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)阻力小，動(dòng)水不會(huì)全高度覆蓋試件，沖刷效果不理想；當(dāng)試件浸水高度過大時(shí)，葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)沖刷介質(zhì)可滿高度覆蓋試件，但葉片旋轉(zhuǎn)阻力大，沖刷效果也不理想。通過前面的分析可知，在相同沖刷時(shí)間里，當(dāng)沖刷頻率為30 Hz時(shí)質(zhì)量損失率最大，因此，最佳沖刷頻率確定為30 Hz，圖2(d)是沖刷頻率為30 Hz時(shí)不同浸水高度和沖刷時(shí)間下的質(zhì)量損失率的對(duì)比，可以看出隨著試件浸水高度的增加，質(zhì)量損失率呈降低的趨勢(shì)，沖刷時(shí)間為5、10、15 min情況下，質(zhì)量損失率降低的幅度分別為5.7%、5.6%、4.3%。為提高試驗(yàn)效率，快速區(qū)分不同試件的抗沖刷效果，確定最佳浸水高度為5 cm，為試件高度的1/3；因?yàn)橘|(zhì)量損失率的增幅是隨著沖刷時(shí)間降低的，因此為節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，最佳沖刷時(shí)間確定為10 min。至此，旋轉(zhuǎn)沖刷設(shè)備的最佳試驗(yàn)參數(shù)確定為沖刷頻率f=30 Hz，試件浸水高度h=5 cm，沖刷時(shí)間t=10 min，在以上3個(gè)參數(shù)作用下，單個(gè)試件表面受到?jīng)_刷的次數(shù)為72 000次。

1.3 旋轉(zhuǎn)沖刷試驗(yàn)有限元分析

應(yīng)用FLUENT有限元軟件，采用k-ε模型，在浸水高度為5 cm，沖刷頻率分別為10、20和30 Hz情況下，分析試件表面受到的動(dòng)水沖刷力大小，明確頻率對(duì)沖刷應(yīng)力的影響。計(jì)算方法采用滑動(dòng)網(wǎng)格方法，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，作用在試件上的動(dòng)水沖刷力既有壓力又有吸力，可以模擬實(shí)際中的泵吸作用；在沖刷頻率f=10 Hz時(shí)，試件表面的沖刷應(yīng)力為8 kPa左右，當(dāng)f=20 Hz時(shí)，沖刷應(yīng)力為30 kPa左右，當(dāng)f增加到30 Hz時(shí)，沖刷應(yīng)力為50 kPa左右，進(jìn)一步說明高沖刷頻率對(duì)半剛性基層沖刷損傷巨大。文獻(xiàn)[16-18]對(duì)瀝青路面的空隙水壓力的模擬表明，在標(biāo)準(zhǔn)軸載以80 km/h速度行駛時(shí)基層頂面空隙水內(nèi)動(dòng)水壓力為50 kPa左右，該模擬結(jié)果驗(yàn)證了最佳浸水高度和最佳沖刷頻率取值的合理性；對(duì)于沖刷時(shí)間，沖刷質(zhì)量損失情況與沖刷時(shí)間呈線性關(guān)系，且在沖刷10 min時(shí)效果已較為明顯，車輛荷載對(duì)路面的作用呈半正弦的形式，按設(shè)計(jì)速度的不同，作用時(shí)間在0.04～0.08 s之間，選取最佳沖刷時(shí)間為10 min，可以模擬路面基層初期所受到的動(dòng)水沖刷作用，同時(shí)，還滿足試驗(yàn)的快速性及試驗(yàn)結(jié)果的區(qū)分度。

(a)網(wǎng)格劃分 (b)f=30 Hz沖刷儀應(yīng)力分布 (c)f=30 Hz試件應(yīng)力分布

2 抗沖刷性能影響因素研究

影響水泥穩(wěn)定碎石基層材料抗沖刷性能的因素主要有試件的抗壓強(qiáng)度、空隙率和壓實(shí)度等，試驗(yàn)采用如圖4所示的5種級(jí)配，主要調(diào)控細(xì)集料的用量，使級(jí)配曲線幾乎涵蓋了常用的級(jí)配范圍，包含了3種級(jí)配類型，級(jí)配a、b屬骨架-空隙結(jié)構(gòu)，級(jí)配c屬骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)，級(jí)配d、e屬懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)。

圖4 試驗(yàn)采用的級(jí)配曲線

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)抗沖刷性能的影響

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對(duì)沖刷性能的影響試驗(yàn)研究采用級(jí)配a、級(jí)配c和級(jí)配e進(jìn)行，通過摻加不同水泥劑量來調(diào)整試件的強(qiáng)度，水泥劑量分別采用3.5%、4.5%、5.5%、6.5%，抗壓強(qiáng)度均值從2.2 MPa到6.9 MPa，抗壓強(qiáng)度與沖刷質(zhì)量損失率、水泥劑量與強(qiáng)度損失率關(guān)系如圖5所示。

(a)抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量損失率的關(guān)系

(b)水泥劑量與強(qiáng)度損失率的關(guān)系

圖5(a)為抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量損失率的關(guān)系，可以看出各個(gè)級(jí)配的沖刷質(zhì)量損失率均隨著無側(cè)向抗壓強(qiáng)度的增加呈減小趨勢(shì)，當(dāng)試件強(qiáng)度較低時(shí)，各級(jí)配質(zhì)量損失率減小的幅度較小，當(dāng)強(qiáng)度較高時(shí)，則降低的幅度有大幅度提高，在水泥劑量不大于3.5%時(shí)，3個(gè)級(jí)配的平均降低幅度為20%，當(dāng)水泥劑量大于3.5%時(shí)，3個(gè)級(jí)配的平均降低幅度增加到了60%，前者是后者的3倍。通過回歸可以看出，抗壓強(qiáng)度與質(zhì)量損失率的關(guān)系呈良好的拋物線規(guī)律，就質(zhì)量損失率絕對(duì)值來看，由大到小的順序?yàn)榧?jí)配e、級(jí)配c、級(jí)配a，這與動(dòng)水沖刷作用有關(guān)，動(dòng)水對(duì)試件的沖刷作用主要包括3個(gè)階段：第1階段試件表面層細(xì)集料在動(dòng)水沖刷作用下剝落，質(zhì)量損失率變化較??；第2階段是在細(xì)集料剝落后，內(nèi)部空隙漏出，動(dòng)水開始沖刷材料的骨架結(jié)構(gòu)，骨架結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生微小裂縫，質(zhì)量損失率處于較穩(wěn)定狀態(tài)；第3階段是在動(dòng)水沖刷下骨架結(jié)構(gòu)開始破壞，局部骨架松散，粗骨料從試件上脫落，質(zhì)量損失率增幅加劇。因此，在質(zhì)量損失率的排序上懸浮-密實(shí)級(jí)配質(zhì)量損失最大，而骨架-空隙級(jí)配波動(dòng)性最大，主要是粗顆粒的松散對(duì)質(zhì)量損失影響巨大。從抗沖刷角度而言，水穩(wěn)碎石的抗壓強(qiáng)度不宜小于4.0 MPa。

圖5(b)為水泥劑量與強(qiáng)度損失率的關(guān)系，可以看出：隨著水泥劑量的增加，各級(jí)配的強(qiáng)度損失率均呈下降趨勢(shì)，說明高水泥劑量對(duì)提高抗沖刷能力具有重要作用；級(jí)配e強(qiáng)度下降幅度較均勻，而級(jí)配a與級(jí)配c當(dāng)水泥劑量超過4.5%時(shí)，沖刷后試件的強(qiáng)度損失幾乎為零，從強(qiáng)度的形成機(jī)理來看，隨著水泥劑量的增加，細(xì)集料與水泥形成的膠漿材料的黏結(jié)力加大，這就保證了材料在動(dòng)水沖刷作用下材料更不易剝落；骨架結(jié)構(gòu)相對(duì)于懸浮結(jié)構(gòu)，表面有著更少的細(xì)集料，粗骨料與粗骨料之間的黏結(jié)作用要比懸浮的水泥細(xì)集料膠漿強(qiáng)度要大，所以集料顆粒更不易剝落，但是由于骨架結(jié)構(gòu)的空隙較多較大，在動(dòng)水沖刷下骨架之間的黏結(jié)雖沒被完全破壞，但也受到一定沖擊，導(dǎo)致其強(qiáng)度有所下降，從抗沖刷角度而言，水泥穩(wěn)定碎石的水泥(P.O 42.5)劑量不宜小于4.5%。

2.2 空隙率對(duì)抗沖刷性能的影響

基層材料的空隙率是影響動(dòng)水沖刷破壞的另一個(gè)重要因素。在相同水泥劑量(4.5%)的情況下，級(jí)配a到級(jí)配e 五種級(jí)配的空隙率在5.9%～1.5%之間變動(dòng)，該空隙率區(qū)間基本覆蓋了水泥穩(wěn)定碎石基層的空隙率范圍，分別對(duì)該組試件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)沖刷試驗(yàn)，試件的破壞情況如圖6所示。

(a)級(jí)配a (b) 級(jí)配b (c) 級(jí)配c (d)級(jí)配d (e) 級(jí)配e

圖7為質(zhì)量損失率與空隙率的關(guān)系，其中圖7(a)為基于實(shí)測(cè)強(qiáng)度下的質(zhì)量損失率與空隙率的關(guān)系，可以看出，當(dāng)空隙率較小和較大時(shí)，質(zhì)量損失率均較大，當(dāng)空隙率處于2.5%～5.0%時(shí)，質(zhì)量損失率最小，說明存在最佳空隙率范圍，因?yàn)楫?dāng)空隙率較大時(shí)，細(xì)集料少，粗顆粒間的黏附性不足，粗顆粒的散落導(dǎo)致質(zhì)量損失率增加，當(dāng)空隙率小時(shí)，細(xì)集料較多，而沖刷作用的前期是以細(xì)集料脫離試件為主，因而，質(zhì)量損失率也大；當(dāng)空隙率適中時(shí)，級(jí)配中粗、細(xì)集料比例適當(dāng)，粗顆粒周邊有足夠的水泥膠漿包裹，在相同沖刷力的作用下質(zhì)量損失率會(huì)減??；因此，從試驗(yàn)結(jié)果看，抗沖刷最佳的空隙率在2.5%～5.0%之間。

相同水泥劑量下的試件，級(jí)配不同，其強(qiáng)度也不同，抗沖刷能力也不同，為消除抗壓強(qiáng)度的影響，按照強(qiáng)度與質(zhì)量損失率的二次函數(shù)關(guān)系，將不同級(jí)配換算到同一強(qiáng)度進(jìn)行比較，圖7(b)為基于強(qiáng)度相同原則下空隙率與沖刷質(zhì)量損失率的關(guān)系，可以看出，其變化規(guī)律為反S曲線，在空隙率較小和較大時(shí)，質(zhì)量損失率的變化率均很大，當(dāng)空隙率在2.5%～5.0%之間時(shí)，質(zhì)量損失率變化較小，一方面是材料的骨架結(jié)構(gòu)影響了試件的強(qiáng)度，使其表面更不易剝落，另一方面是材料表面細(xì)集料含量的多少影響其抗沖刷性能。

(a)基于實(shí)測(cè)強(qiáng)度原則

(b)基于強(qiáng)度相同原則

2.3 壓實(shí)度對(duì)抗沖刷性能的影響

考慮壓實(shí)度對(duì)抗沖刷性能的影響，試驗(yàn)選取級(jí)配a、級(jí)配c、級(jí)配e 三種級(jí)配，壓實(shí)度分別選取100%、98%、95%進(jìn)行抗沖刷試驗(yàn)，水泥劑量均采用4.5%，圖8為壓實(shí)度與質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率的關(guān)系。從圖8可以看出，相同級(jí)配情況下，材料在旋轉(zhuǎn)沖刷作用下的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率隨著壓實(shí)度的增加而減小，一方面是由于壓實(shí)度較小造成強(qiáng)度的減小，另一方面是由于壓實(shí)度較小，材料整體更加不密實(shí)，空隙增加，有更多動(dòng)水可以進(jìn)入到空隙中。對(duì)比不同級(jí)配的質(zhì)量損失率，由大到小的排序?yàn)榧?jí)配e、級(jí)配c、級(jí)配a，即細(xì)集料較多的級(jí)配類型，壓實(shí)度減小所帶來的質(zhì)量損失率更大；而在強(qiáng)度損失率方面，其排序則完全相反，由大到小排序?yàn)榧?jí)配a、級(jí)配c、級(jí)配e，骨架-密實(shí)級(jí)配仍處于中間狀態(tài)，說明其優(yōu)越性。從施工控制角度來講，對(duì)于密實(shí)-懸浮級(jí)配要加強(qiáng)壓實(shí)，最低壓實(shí)度應(yīng)大于98%，對(duì)于骨架-空隙級(jí)配則要提高水泥劑量以增加強(qiáng)度來滿足抗沖刷要求，而骨架-密實(shí)型級(jí)配，其抗沖刷的穩(wěn)定性最好。

(a)質(zhì)量損失率

(b)強(qiáng)度損失率

3 抗沖刷性能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

水泥穩(wěn)定碎石基層材料的抗沖刷技術(shù)要求必須考慮道路服役地區(qū)的氣候特征，而且還要考慮沖刷質(zhì)量損失對(duì)瀝青面層疲勞壽命的影響，結(jié)合兩因素提出技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 沖刷質(zhì)量損失對(duì)瀝青層疲勞壽命影響分析

由于動(dòng)水沖刷作用所帶來的質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失，表現(xiàn)在路面結(jié)構(gòu)中主要會(huì)帶來路表唧泥和基層表面出現(xiàn)軟化從而導(dǎo)致瀝青面層疲勞破壞，所以在材料設(shè)計(jì)階段，要對(duì)基層材料的抗沖刷性能提出要求。采用Abaqus有限元二維模型分析基層材料表面在不同脫空面積下，路表彎沉值的變化和瀝青面層疲勞壽命衰減情況來提出質(zhì)量損失率控制標(biāo)準(zhǔn)，幾何尺寸采用單車道3.75 m寬，各層材料參數(shù)[19]見表1。基層頂面脫空區(qū)域采用圓錐形狀，結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。加載形式采用靜力加載，標(biāo)準(zhǔn)軸載為0.7 MPa?；鶎硬牧蠜_刷損失按照質(zhì)量與體積的等量換算，沖刷損壞區(qū)域?qū)挾鹊扔诤奢d作用寬度的1.5倍，基層材料被沖刷松散后仍留存在結(jié)構(gòu)中，松散部分取模量為100 MPa(松散未壓實(shí)集料模量)，得到在不同質(zhì)量損失情況下的瀝青面層層底拉應(yīng)變與頂面豎向彎沉見表2，質(zhì)量損失率與彎沉和瀝青層底拉應(yīng)變的關(guān)系如圖10所示。

表1 模擬分析中路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

(a)路面結(jié)構(gòu)三維模型圖

(b)路面結(jié)構(gòu)剖面圖

表2 不同質(zhì)量損失率下的彎沉和拉應(yīng)變

從圖10可以看出隨著沖刷質(zhì)量損失率的增加，基層頂面脫空的深度和面積逐步擴(kuò)大，彎沉與瀝青層底拉應(yīng)變?cè)谠黾樱谫|(zhì)量損傷率較小時(shí)，彎沉和層底拉應(yīng)變均有大幅度增加，當(dāng)質(zhì)量損失率在0.5%～6%之間時(shí)，彎沉和層底拉應(yīng)變的增幅趨勢(shì)變緩，當(dāng)質(zhì)量損失率超過6%時(shí)，彎沉和層底拉應(yīng)變均趨于穩(wěn)定，即脫空后的彎沉和層底拉應(yīng)變主要受松散的基層材料影響。

(a)彎沉變化

(b)層底拉應(yīng)變變化

在2017版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，要對(duì)瀝青路面層的疲勞開裂進(jìn)行驗(yàn)算，疲勞開裂驗(yàn)算公式為

(2)

根據(jù)此公式計(jì)算在不同質(zhì)量損失率的情況下的瀝青路面疲勞壽命降低率[20]，不同質(zhì)量損失率下的疲勞壽命與未破壞的疲勞壽命比值變化趨勢(shì)如圖11所示。

從圖11中可以看出，在質(zhì)量損失率較小時(shí)，基層被軟化的初期，瀝青面層的疲勞壽命較高，但隨著質(zhì)量損失率逐漸加大，疲勞壽命比下降非?？欤?dāng)質(zhì)量損失率在1%左右，疲勞壽命比下降了0.4左右，疲勞壽命有所降低；當(dāng)沖刷質(zhì)量損失率達(dá)到4%時(shí)，疲勞壽命比的變化趨于平緩，此時(shí)的疲勞壽命比約為0.3，即瀝青面層的疲勞壽命約為基層良好狀態(tài)下的30%；當(dāng)沖刷質(zhì)量損失為10%時(shí)，疲勞壽命比約為0.2。這就是為什么基層頂面出現(xiàn)沖刷翻漿現(xiàn)象后，若不及時(shí)維修封水，翻漿區(qū)域?yàn)r青面層就會(huì)很快出現(xiàn)疲勞破壞的原因。

圖11 基層沖刷質(zhì)量損失率與瀝青面層疲勞壽命的關(guān)系

3.2 抗沖刷設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

水泥穩(wěn)定碎石基層材料的沖刷問題不僅與降雨量的大小有關(guān)，還與冰凍有關(guān)，在兩因素的耦合作用下，通過凍融循環(huán)后的沖刷試驗(yàn)可知，水泥穩(wěn)定碎石的沖刷質(zhì)量損失會(huì)提高1.2～1.5倍。因此，根據(jù)年平均降雨量(400 mm)和1月份最低氣溫把全國(guó)分為4個(gè)區(qū)：東北季凍區(qū)(Ⅰ區(qū)包括黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古東北區(qū)域)，西北半干旱區(qū)(Ⅱ區(qū)包括西藏、新疆、青海、寧夏、甘肅和內(nèi)蒙古中西部等地區(qū))，中部半濕潤(rùn)區(qū)(Ⅲ區(qū)包括四川、陜西、山西、河南、河北和山東等)，東南部濕潤(rùn)地區(qū)(Ⅳ區(qū)包括云南、貴州、湖北、湖南、江西、安徽、江蘇、浙江、福建、廣東、廣西和海南等)。

各地區(qū)可根據(jù)本地區(qū)的氣候特征，根據(jù)圖11的關(guān)系，確定本地區(qū)的容許疲勞壽命比，進(jìn)而確定半剛性基層材料的抗沖刷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即容許沖刷質(zhì)量損失率。以黑龍江為例全年有90 d左右的降雨時(shí)間，而基層材料處于飽和水-荷載共同作用的時(shí)間較短，同時(shí)考慮冰凍的影響，擬定疲勞壽命比不應(yīng)小于60%，則容許的質(zhì)量損失率為1.0%。所以在只考慮沖刷作用對(duì)路面的破壞時(shí)，對(duì)于性能要求高或降雨時(shí)間長(zhǎng)的環(huán)境，確定容許試驗(yàn)質(zhì)量損失率為1%，對(duì)于降雨時(shí)間短的地區(qū)或無冰凍地區(qū)，容許質(zhì)量損失率不超過1.5%?；诖嗽瓌t，提出水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷技術(shù)要求，即Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)，沖刷質(zhì)量損失率應(yīng)分別小于1.0%、1.5%、1.5%、1.3%。

4 結(jié) 論

1)通過不同參數(shù)下的沖刷試驗(yàn)和理論模擬，提出水泥穩(wěn)定碎石旋轉(zhuǎn)沖刷試驗(yàn)的最佳試驗(yàn)參數(shù)，參數(shù)組合：浸水高度為5 cm，沖刷頻率為30 Hz，沖刷時(shí)間為10 min。

2)對(duì)不同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的水泥穩(wěn)定碎石基層試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，各個(gè)級(jí)配的沖刷質(zhì)量損失率隨著無側(cè)向抗壓強(qiáng)度的增加呈拋物線趨勢(shì)減小，從抗沖刷角度而言，水泥穩(wěn)定碎石的水泥(P.O 42.5)劑量不宜小于4.5%，材料設(shè)計(jì)強(qiáng)度不應(yīng)小于4.5 MPa。

3)對(duì)不同空隙率和壓實(shí)度的半剛性基層材料進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，抗沖刷最佳空隙率在2.5%～5%之間，壓實(shí)度應(yīng)大于98%。

4)有限元結(jié)構(gòu)分析表明，在質(zhì)量損失率小于0.5%時(shí)，彎沉和層底拉應(yīng)變均有大幅度增加，當(dāng)質(zhì)量損失率在0.5%～6%之間時(shí)，增幅趨勢(shì)變緩，當(dāng)質(zhì)量損失率超過6%時(shí)，彎沉和層底拉應(yīng)變均趨于穩(wěn)定。

5)根據(jù)瀝青路面疲勞驗(yàn)算公式，得到疲勞壽命比和質(zhì)量損失率之間的關(guān)系，基于此，提出水泥穩(wěn)定碎石基層抗沖刷技術(shù)要求區(qū)劃，并提出不同區(qū)劃抗沖刷技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。