廖小芳

（湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南永州410203）

1 引言

柔性基層瀝青路面在國(guó)外應(yīng)用廣泛，西非許多國(guó)家也普遍采用柔性基層的結(jié)構(gòu)形式。柔性基層瀝青路面的主要病害之一是車轍，一直以來(lái)也是學(xué)者研究的重點(diǎn)[1~9]。紅土粒料是西非地區(qū)特殊的礫石材料，料源豐富，工程性能良好，在赤道幾內(nèi)亞等西非國(guó)家道路建設(shè)中應(yīng)用廣泛，一般應(yīng)用于道路底基層，也有使用改良紅土粒料作為基層材料的項(xiàng)目[10，11]，但其用作柔性基層的長(zhǎng)期性能及車轍演化規(guī)律尚需進(jìn)一步驗(yàn)證研究。本文基于修筑的柔性基層瀝青路面試驗(yàn)段，采用足尺加速加載試驗(yàn)方法，對(duì)比了6種由紅土粒料和碎石組成的典型路面結(jié)構(gòu)，通過(guò)分析車轍變形曲線、最大變形量、車轍變形面積等指標(biāo)，確定典型路面結(jié)構(gòu)的車轍演化規(guī)律。

2 足尺加速加載試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)段概況和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以1∶1的比例建立6種典型路面結(jié)構(gòu)形式。設(shè)計(jì)面層厚度為5 cm和10 cm，分別適用于輕交通和中交通；設(shè)計(jì)4種基層形式，具體結(jié)構(gòu)形式見表1。本實(shí)驗(yàn)采用足尺加速加載設(shè)備MLS66，為滿足MLS66加載的作業(yè)空間，并保證3次加載帶（1#、2#和3#）互不干擾，結(jié)構(gòu)寬度取6 m，其中，左側(cè)和右側(cè)分別為3.5 m和2.5 m；長(zhǎng)度需滿足作業(yè)空間要求，且加載長(zhǎng)度為6.6 m，因此，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度取8~12 m，此處取為10 m。

表1 6種典型路面結(jié)構(gòu)形式

2.2 材料性能

試驗(yàn)材料包括石灰土、紅土粒料系材料（天然紅土粒料、水穩(wěn)紅土粒料、摻碎石紅土粒料）、未篩分碎石、瀝青混合料（瀝青穩(wěn)定碎石ATB和瀝青混凝土AC）等，未篩分碎石是軋石機(jī)軋出來(lái)的粒徑大小不一的碎石混合料，摻碎石紅土粒料是綜合未篩分碎石與紅土粒料的級(jí)配特點(diǎn)，以1∶1配合而成，水穩(wěn)紅土粒料則是在天然紅土粒料中摻加3%水泥。7%石灰土是為了模擬當(dāng)?shù)匕褰Y(jié)高強(qiáng)度的路基土條件，瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25C、瀝青混凝土AC-13C和瀝青混凝土AC-20C均按照標(biāo)準(zhǔn)材料設(shè)計(jì)。

天然紅土粒料的細(xì)料和大粒徑料偏多，中間粒徑料偏少，而未篩分碎石的細(xì)料偏少，二者都是級(jí)配不良。摻碎石紅土粒料的級(jí)配得到有效改良，位于規(guī)范一級(jí)路上下限之間。同時(shí)，比較5種筑路材料的CBR（加州承載比）和現(xiàn)場(chǎng)承載板模量可知，未篩分碎石和摻碎石紅土粒料的CBR最大，均超過(guò)120，但水穩(wěn)紅土粒料基層的承載板模量更高，這與其板結(jié)硬化有關(guān)。鋪設(shè)完瀝青層后，結(jié)構(gòu)C的現(xiàn)場(chǎng)承載板模量最大，其他結(jié)構(gòu)模量接近，均處于250~290 MPa。

2.3 加載方案

足尺加速加載試驗(yàn)（APT）的軸載近似模擬法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軸載，雙輪軸載60 kN，胎壓0.662 MPa，加載速度22 km/s；模擬真實(shí)氣候環(huán)境，氣溫一般在20~35℃，故本文僅在冬季低溫環(huán)境加熱至20~35℃（2017年2月7日~2017年3月8日采用加熱板），不設(shè)高溫條件。3個(gè)輪跡帶位置依次按照?qǐng)D1中1#、2#、3#的順序開展加載。輪跡帶1#、2#加載結(jié)束后，加鋪瀝青混凝土AC-13C上面層，再加載輪跡帶3#。3個(gè)輪跡帶實(shí)際加載次數(shù)分別為4×105次、1.06×106次和1×106次。采用MLS66配套的斷面儀測(cè)量車轍變化，每條輪跡帶都有7個(gè)橫向測(cè)試斷面，如圖1所示，其中，1~3號(hào)斷面屬于結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)C、結(jié)構(gòu)E，5~7號(hào)斷面屬于結(jié)構(gòu)B、結(jié)構(gòu)D、結(jié)構(gòu)F。4號(hào)斷面位于結(jié)構(gòu)交界處。對(duì)于1#輪跡帶，前5.5×104次，每1×104次測(cè)量1次，5.5×104次后，每1.5×104次測(cè)量1次；對(duì)于輪跡帶2#和3#，前1×105次每1×104次測(cè)量1次，1×105次后，每2×104次測(cè)量1次。

圖1 結(jié)構(gòu)平面尺寸

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 車轍變形曲線

分析6種結(jié)構(gòu)的車轍變形曲線（以結(jié)構(gòu)F為例，見圖2），發(fā)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)均為整體凹陷變形，結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B、結(jié)構(gòu)D、結(jié)構(gòu)E、結(jié)構(gòu)F的斷面兩側(cè)的車轍凹陷橫向長(zhǎng)度為800~960 mm，斷面中間的隆起橫向長(zhǎng)度約為150 mm，兩側(cè)無(wú)隆起；結(jié)構(gòu)C的斷面兩側(cè)車轍凹陷橫向長(zhǎng)度超過(guò)1 000 mm，橫向長(zhǎng)度比其他結(jié)構(gòu)大，車轍變形橫向分布更均勻；未篩分碎石基層（結(jié)構(gòu)C和結(jié)構(gòu)E）的隆起高度比＞摻碎石紅土粒料基層（結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)F）的隆起高度比＞水穩(wěn)紅土粒料基層（結(jié)構(gòu)D）的隆起高度比，說(shuō)明了水穩(wěn)紅土粒料層呈現(xiàn)整體凹陷最顯著。

圖2 結(jié)構(gòu)F的車轍變形曲線

3.2 斷面最大變形量

統(tǒng)計(jì)各結(jié)構(gòu)隨加載次數(shù)的最大車轍變形量，即最大隆起高度與最大凹陷深度之和。按照國(guó)內(nèi)外柔性基層瀝青路面車轍控制標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)以最大車轍變形量25 mm代表車轍損壞嚴(yán)重級(jí)。我國(guó)以25 mm為輕度和重度車轍的界限值。因此，本文以25 mm作為車轍損壞的參考標(biāo)準(zhǔn)。分別采用1＃輪跡帶3號(hào)、5號(hào)斷面，2＃輪跡帶3號(hào)、5號(hào)斷面，3＃輪跡帶3號(hào)、5號(hào)斷面為結(jié)構(gòu)A、結(jié)構(gòu)B、結(jié)構(gòu)C、結(jié)構(gòu)D、結(jié)構(gòu)E、結(jié)構(gòu)F的代表斷面，做出代表斷面的最大變形量隨加載次數(shù)的變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，最大變形量與加載次數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系，最大變形量曲線均表現(xiàn)出先快速上升后平穩(wěn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)；5 cm瀝青層的加載早期車轍增長(zhǎng)最快；10 cm瀝青層3條曲線接近，穩(wěn)固增長(zhǎng)，水穩(wěn)紅土粒料早期開裂導(dǎo)致加載2×105~6×105次時(shí)車轍增長(zhǎng)快；20 cm瀝青層的車轍最小、增長(zhǎng)最慢，加載8×105次基本趨于穩(wěn)定。

圖3 代表斷面車轍最大變形量變化規(guī)律

3.3 車轍變形面積

車轍變形僅能反映某一點(diǎn)的變形特性，不能反映路面整體結(jié)構(gòu)的變形情況。通過(guò)計(jì)算路面車轍變形面積，可以得出車轍凹陷面積、車轍隆起面積等。車轍變形面積曲線變化趨勢(shì)與最大變形量變化圖基本相同，但加載至后期，5 cm瀝青層的2種結(jié)構(gòu)凹陷面積差距比最大變形量2條曲線差距減小，10 cm瀝青層的3種結(jié)構(gòu)凹陷面積差距也比最大變形量的3條曲線要小，說(shuō)明了雖然結(jié)構(gòu)B的最大變形量比結(jié)構(gòu)A大得多，但整體凹陷面積相差不大，這是由于結(jié)構(gòu)A橫向凹陷寬度增加引起的。結(jié)構(gòu)D、結(jié)構(gòu)E、結(jié)構(gòu)F也具備相同規(guī)律，說(shuō)明了加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩(wěn)紅土粒料的車轍變形主要體現(xiàn)在深度增加，而其他結(jié)構(gòu)雖然深度增加較緩，但寬度增加加快，變形呈向水平面擴(kuò)展。

4 結(jié)論

1）所有柔性基層結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為整體凹陷變形，屬于結(jié)構(gòu)性車轍，車轍隨著加載而逐漸變大；厚瀝青層車轍橫向分布更均勻，水穩(wěn)紅土粒料層隆起高度比最小，整體凹陷最顯著。

2）最大變形量與加載次數(shù)之間呈冪函數(shù)關(guān)系；瀝青層越薄，早期車轍增長(zhǎng)越快，僅在3×105軸次時(shí)達(dá)到車轍破壞，而瀝青層越厚，總車轍越小、增長(zhǎng)越緩，20 cm瀝青層的車轍在1×106次僅達(dá)到輕微車轍標(biāo)準(zhǔn)，這是由于瀝青層越厚，基層底基層豎向應(yīng)力越小，基層變形量減少。

3）對(duì)于柔性基層，基層抗車轍能力排序：瀝青穩(wěn)定碎石+未篩分碎石＞未篩分碎石≥摻碎石紅土粒料＞水穩(wěn)紅土粒料；面層抗車轍能力排序：20 cm瀝青層＞10 cm瀝青層＞5 cm瀝青層。

4）加載后期，摻碎石紅土粒料和水穩(wěn)紅土粒料的車轍變形主要體現(xiàn)在車轍深度的增加，而其他結(jié)構(gòu)雖然車轍深度增加減緩，但橫向凹陷寬度增加加快，變形呈向水平兩側(cè)擴(kuò)展。