郭立成， 徐希忠， 曾國東， 韋金城， 李浩， 閆翔鵬

(1.佛山市路橋建設(shè)有限公司， 廣東 佛山 528300； 2.山東省交通科學(xué)研究院； 3.佛山市交通科技有限公司)

在近40年公路建設(shè)中，中國在半剛性基層瀝青路面設(shè)計與應(yīng)用中積累了豐富的實踐經(jīng)驗，半剛性基層路面技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，“強基、薄面、穩(wěn)土基”的設(shè)計思想至今仍對中國瀝青路面設(shè)計有著深遠(yuǎn)影響。但半剛性基層材料具有溫縮、干縮等固有特性， 在交通荷載、區(qū)域環(huán)境等因素耦合作用下，極易發(fā)生基層疲勞開裂、唧漿、沖刷等病害，使得道路服役性能急劇下降，使用壽命急劇降低，路面維修、改建頻繁，造成資金浪費，交通擁堵等經(jīng)濟(jì)損失和社會不良影響。考慮到半剛性基層瀝青路面的諸多問題，中國道路工作者逐漸探索尋求不同類型的路面基層材料，使得路面結(jié)構(gòu)形式朝多元化方向發(fā)展。陳尚江對倒裝式基層瀝青路面進(jìn)行了力學(xué)行為特性的研究；曹明明依托隋遂廣高速試驗路分析了剛?cè)釓?fù)合式基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)特征；王選倉進(jìn)行了PCC+AC路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究；并在蔚許高速進(jìn)行了現(xiàn)場實施；趙麗華對全透水瀝青路面進(jìn)行了設(shè)計研究，并鋪筑了試驗路。全厚式瀝青路面在歐美得到了實踐檢驗，表現(xiàn)出較強的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，中國也對全厚式瀝青路面有了一定的研究，鋪筑了一些試驗路，但由于缺乏實用的工具，使得全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析缺乏系統(tǒng)性。

目前國際上瀝青路面設(shè)計方法以美國ASSHTO設(shè)計方法、澳大利亞設(shè)計方法、法國典型結(jié)構(gòu)法及中國多指標(biāo)設(shè)計方法為代表，其中，法國瀝青路面設(shè)計方法在整個歐洲處于領(lǐng)先地位，其設(shè)計參數(shù)獲取、路面結(jié)構(gòu)組合、路基等級劃分等具有獨到之處，其材料模型參數(shù)可直接應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與材料一體化設(shè)計，中國對于其設(shè)計方法有了較為深入的探討，但較少用于瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析，對于全厚式瀝青路面性能分析更是少之又少。

該文采用法國瀝青路面設(shè)計方法，對全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析。在介紹法國瀝青路面設(shè)計方法基礎(chǔ)上，在法國瀝青路面設(shè)計軟件中，輸入山東省高速公路全厚式瀝青路面交通、氣候及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對其力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，選定若干影響因素，以疲勞壽命、開裂風(fēng)險為評價指標(biāo)，探討各因素對評價指標(biāo)的影響，提出提升全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的建議，可為進(jìn)一步促進(jìn)全厚式瀝青路面在中國應(yīng)用提供參考。

1 法國瀝青路面設(shè)計方法簡介

1.1 基本理論

法國瀝青路面設(shè)計以典型結(jié)構(gòu)法為主要特征，其結(jié)構(gòu)驗算的基本理論依據(jù)仍是彈性層狀體系，在允許值計算時考慮了現(xiàn)場調(diào)整系數(shù)、可靠度及結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險等，是一種較為合理的設(shè)計方法，其材料模型參數(shù)可直接應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)了材料設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計的有機統(tǒng)一，并可以在施工質(zhì)量控制中得到驗證， 從材料設(shè)計到施工控制形成了一個完整的體系。與其他路面設(shè)計方法相比，應(yīng)用法國方法進(jìn)行全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析，可提升路面結(jié)構(gòu)性能分析的準(zhǔn)確性及合理性。

1.2 設(shè)計參數(shù)

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)軸載

法國路面結(jié)構(gòu)設(shè)計采用雙圓荷載模式，以130 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，具體見表1。

表1 法國瀝青路面設(shè)計軸載

1.2.2 材料參數(shù)

(1) 土基

根據(jù)法國瀝青路面設(shè)計指南，法國土基模量主要通過承載板測試，按照模量的不同分為如表2所示的4個等級。

表2 法國路基等級劃分

(2) 瀝青類材料

① 瀝青混合料模量

在法國標(biāo)準(zhǔn)中，瀝青混合料模量為采用兩點彎曲梯形梁試驗獲取的復(fù)數(shù)模量，取值條件為15 ℃，10 Hz，根據(jù)中國瀝青混合料動態(tài)模量取值條件，用于中國路面結(jié)構(gòu)分析時取20 ℃，10 Hz條件下的復(fù)數(shù)模量值，具體試驗原理見圖1。

圖1 梯形兩點彎曲試驗原理

② 瀝青混合料疲勞

瀝青混合料疲勞主要獲取100萬次疲勞破壞應(yīng)變ε6，具體方法為每種混合料切制18根梁，一般一個應(yīng)變水平做6根，將3個應(yīng)變水平下的疲勞壽命在雙對數(shù)曲線上回歸擬合，得出疲勞曲線的斜率、100萬次疲勞破壞應(yīng)變ε6、回歸方程的殘差SN，回歸方程示例見圖2。

圖2 疲勞曲線構(gòu)建示意

1.3 設(shè)計指標(biāo)

法國瀝青路面設(shè)計按照不同的基層類型具有不同的設(shè)計指標(biāo)體系，對于全厚式瀝青路面，其設(shè)計指標(biāo)為瀝青混合料層底的計算彎拉應(yīng)變εt，應(yīng)小于容許彎拉應(yīng)變εtadmi；路基頂部計算壓應(yīng)變εz，應(yīng)小于等于容許壓應(yīng)變εzadmi。

1.4 設(shè)計軟件

法國當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計程序是LCPC Alize，采用Fortran語言編制完成，當(dāng)前最新版本為Alize1.5，最大層數(shù)可以計算15層。運用LCPC Alize執(zhí)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要分為4步：① 結(jié)構(gòu)確定及材料參數(shù)錄入；② 交通參數(shù)錄入及允許值計算；③ 采用彈性層狀體系執(zhí)行計算值運算；④ 計算值、允許值比較及結(jié)構(gòu)調(diào)整。

LCPC Alize要求輸入?yún)?shù)有交通參數(shù)，路面結(jié)構(gòu)層材料、厚度、模量、泊松比及層間結(jié)合狀態(tài)等，其輸入結(jié)果包括應(yīng)力、應(yīng)變和彎沉等。

2 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

2.1 路面結(jié)構(gòu)

該文在參考山東省現(xiàn)有全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，選擇如圖3所示典型全厚式瀝青路面進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析。

圖3 典型全厚式結(jié)構(gòu)

2.2 材料參數(shù)

根據(jù)上述材料參數(shù)測定方法，對上述材料進(jìn)行參數(shù)確定，具體結(jié)果如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3 全厚式瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析

如前所述，法國路面設(shè)計體系具有其獨到之處，因此可應(yīng)用其對全厚式瀝青路面進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析，以充分發(fā)揮其獨到優(yōu)勢，同時豐富中國路面結(jié)構(gòu)分析手段。

3.1 路表彎沉

中國現(xiàn)行JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》雖然取消了彎沉設(shè)計指標(biāo)，但彎沉作為路面結(jié)構(gòu)整體強度評定具有較強的合理性，因而對全厚式瀝青路面彎沉響應(yīng)對比十分必要。以路表彎沉為基本指標(biāo)，分析不同全厚式瀝青路面的力學(xué)特性的差異，計算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可以看出：單軸雙輪組荷載作用引起的路表彎沉響應(yīng)，集中于荷載作用處，且彎沉三維分布呈現(xiàn)出類似馬鞍形狀，距離荷載位置越近，路表彎沉響應(yīng)值越大， 總體來說，兩種全厚式瀝青路面彎沉盆形態(tài)差別不大，但全厚式普通瀝青路面彎沉響應(yīng)水平高于全厚式高模量瀝青路面。

圖4 不同結(jié)構(gòu)路表彎沉響應(yīng)三維分布圖

3.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部剪應(yīng)力

大量研究表明:瀝青路面剪切應(yīng)力分布與路面流動性車轍、壓密性車轍、推移及擁包等病害有關(guān)，為進(jìn)一步分析全厚式瀝青路面內(nèi)部抗剪強度，該文計算了荷載作用下兩種全厚式路面結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力，將沿深度方向最大剪應(yīng)力所處位置剪應(yīng)力三維分布繪于圖5。

圖5 剪應(yīng)力三維分布圖

由圖5可知：結(jié)構(gòu)層剪應(yīng)力主要集中分布于荷載作用區(qū)域，且隨著橫向、縱向距離的增加急劇減小，具有較強的荷載集中效應(yīng)，且剪應(yīng)力峰值并不出現(xiàn)于荷載中心位置，而是位于荷載邊緣位置處，從剪應(yīng)力峰值看，全厚式高模量要大于全厚式普通，這是由于全厚式高模量下面層設(shè)置了高模量瀝青混凝土的原因。

3.3 瀝青層層底彎拉應(yīng)變

瀝青層層底彎拉應(yīng)變響應(yīng)是控制路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的重要力學(xué)指標(biāo)，因此，對于瀝青層層底彎拉應(yīng)變分析非常必要，兩種全厚式路面結(jié)構(gòu)的瀝青層層底彎拉應(yīng)變響應(yīng)空間分布見圖6。

圖6 瀝青層層底彎拉應(yīng)變?nèi)S分布圖

由圖6可以看出：兩種結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)變響應(yīng)主要位于荷載作用區(qū)，具有典型的雙峰分布形式，對于縱、橫向遠(yuǎn)離荷載中心位置的區(qū)域，其應(yīng)變響應(yīng)幅度明顯降低，總體來說，全厚式高模量路面較全厚式普通路面應(yīng)變響應(yīng)減小了51.5 με，說明高模量瀝青混凝土層的添加，有助于改善瀝青層層底彎拉應(yīng)變狀態(tài)。

4 路面結(jié)構(gòu)性能預(yù)測

在法國路面設(shè)計程序中，可以依據(jù)應(yīng)變響應(yīng)反演路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命及在固定服役期內(nèi)路面開裂風(fēng)險(以百分率表征)，該文選定兩種路面結(jié)構(gòu)，選擇相同的面層厚度12 cm，不同的基層厚度(22、24、26、28 cm)，分析在相同條件下的服役壽命和開裂風(fēng)險。

4.1 不同結(jié)構(gòu)服役壽命

擬定日平均交通量為10 000 pcu/d，交通量增長率為4%，兩種全厚式路面結(jié)構(gòu)在不同基層厚度下服役壽命反演結(jié)果見圖7。

由圖7可以看出：隨著基層厚度的增加，兩種全厚式路面結(jié)構(gòu)壽命均呈現(xiàn)出遞增的趨勢， 全厚式高模量瀝青路面服役壽命總是高于全厚式普通瀝青路面，基層厚度的增加，使得全厚式高模量路面的服役壽命優(yōu)勢更加明顯。

圖7 不同基層厚度下兩種路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命反演結(jié)果

4.2 不同結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險

擬定日平均交通量為15 000 pcu/d，交通量增長率為6%，設(shè)計年限為20年不同基層厚度下兩種全厚式瀝青路面在服役期內(nèi)開裂風(fēng)險見圖8。

圖8 兩種結(jié)構(gòu)不同基層厚度開裂風(fēng)險

由圖8可以看出：在相同設(shè)計條件下，隨著基層厚度的增大，兩種路面結(jié)構(gòu)開裂風(fēng)險均降低，全厚式高模量瀝青路面開裂風(fēng)險總是低于全厚式普通路面，但隨著基層厚度的增加，全厚式高模量路面抗開裂優(yōu)勢逐漸減小，因此，考慮降低開裂風(fēng)險，增加基層厚度是不科學(xué)的。

5 結(jié)論

(1) 荷載作用下，路面結(jié)構(gòu)彎沉、剪應(yīng)力及拉應(yīng)變響應(yīng)主要集中在荷載作用區(qū)域，具有較強的荷載集中效應(yīng)。

(2) 除剪應(yīng)力以外，全厚式高模量路面力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)均小于全厚式普通路面，說明結(jié)構(gòu)采用高模量層，顯著改善了結(jié)構(gòu)性能。

(3) 隨著基層厚度的增加，兩種路面結(jié)構(gòu)服役壽命均增加，開裂風(fēng)險均減小，但全厚式高模量路面在服役壽命改善方面相對于開裂風(fēng)險的改善方面具有較強的優(yōu)勢。