李哲

(湖南建工交通建設(shè)有限公司， 湖南 長沙 410004)

目前，中國大部分高速公路和城市道路采用瀝青路面。瀝青路面設(shè)計采用力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法，包括瀝青層和散體層厚度選擇，以保持路面結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置的應(yīng)變在極限范圍內(nèi)。然而不同結(jié)構(gòu)層厚度選擇可能有許多滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的組合，通過試錯法選擇結(jié)構(gòu)層厚度組合比較困難。設(shè)計中一般盡量固定散體層的厚度，改變?yōu)r青層的厚度以匹配極限應(yīng)變。這種方法保持路面顆粒層的厚度不變，瀝青層的厚度取決于交通水平。柔性路面設(shè)計中對瀝青層的重視程度較高，而對顆粒層的重視程度較低，因而瀝青層一般設(shè)計得較厚。薄瀝青層和厚顆粒層的組合可以較低的施工成本獲得相同的路面性能，且在材料可重用性和環(huán)境保護(hù)方面具有更大優(yōu)勢。本文分析不同瀝青層和顆粒層厚度下瀝青路面的性能變化，研究最優(yōu)薄瀝青路面厚度組合。

1 研究方法

以長沙市某高速公路路段為研究對象，計算一組瀝青層和顆粒層厚度組合下關(guān)鍵位置的應(yīng)變，根據(jù)應(yīng)變值估算路面疲勞壽命和車轍壽命。路基層彈性模量為70 MPa，瀝青層彈性模量為1 700 MPa。圖1為雙輪荷載下臨界應(yīng)變位置和典型路面結(jié)構(gòu)。

圖1 柔性路面設(shè)計中考慮的關(guān)鍵應(yīng)變位置

如圖1所示，路基回彈模量為70 MPa，顆粒層彈性模量根據(jù)路基回彈模量計算如下：

Egranularlayer=0.2h0.45Esubgrade

(1)

設(shè)顆粒層厚度為350 mm、500 mm和650 mm，瀝青層厚度為25～200 mm，研究不同厚度組合對瀝青路面疲勞性能和車轍性能的影響。顆粒層和瀝青層厚度可以有許多組合，本文研究滿足應(yīng)變準(zhǔn)則的不同層厚組合，分析薄瀝青路面相較于厚瀝青路面的優(yōu)點。

應(yīng)變計算使用IITPave軟件，輸入各層的彈性模量、厚度、泊松比及車輪載荷配置和輪胎壓力，各層的泊松比取0.35。

2 結(jié)果分析

2.1 臨界位置應(yīng)變估計

圖2為不同顆粒層厚度時，瀝青層下拉伸應(yīng)變隨瀝青層厚度的變化。由圖2可知：瀝青層下拉伸應(yīng)變隨瀝青層厚度呈非線性變化，隨著瀝青層厚度增加，拉伸應(yīng)變增加，達(dá)到臨界厚度后，隨著瀝青層厚度增加而減小。顆粒層厚度為350 mm、500 mm、650 mm時，瀝青層厚度為25 mm時的拉伸應(yīng)變均小于瀝青層厚度為200 mm時的拉伸應(yīng)變。如果瀝青層的抗彎剛度(以厚度或瀝青層模量的形式)高于顆粒層的抗彎剛度，則荷載分布主要由瀝青層完成，可能導(dǎo)致更高的拉伸應(yīng)變。

圖2 瀝青層下拉伸應(yīng)變隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

如圖3所示，顆粒層厚度不同時，隨著瀝青層厚度增加，路基頂部壓應(yīng)變的變化趨勢趨于一致，均隨著瀝青層厚度的增加而減??；顆粒層較厚時，增加瀝青層厚度對路基頂壓應(yīng)變的影響較小，即瀝青層厚度對路基壓應(yīng)變的影響隨著顆粒層厚度的增加而減小。顆粒層雖然不能承載拉伸荷載，但它們壓縮分配荷載的能力強(qiáng)，骨料連接有助于增加路基荷載分布面積。

圖3 路基壓應(yīng)變隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

如圖4所示，路面表面撓度隨瀝青層厚度的變化趨勢與路基頂部壓應(yīng)變的變化趨勢相似。在地表變形中，表層壓應(yīng)變與路基頂部壓應(yīng)變復(fù)合。因此，隨著瀝青層厚度的增加，路基頂面撓度和豎向壓應(yīng)變的變化規(guī)律并不相同，但呈相似的趨勢。路面撓度很好地反映了路面結(jié)構(gòu)對荷載的分配能力。

圖4 路面表面撓度隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

2.2 路面使用壽命估算

力學(xué)-經(jīng)驗設(shè)計方法使用力學(xué)參數(shù)(如關(guān)鍵位置的應(yīng)變)預(yù)測路面壽命，使用性能按式(2)、式(3)計算。式(2)基于瀝青層底部初始拉伸應(yīng)變預(yù)測路面的疲勞壽命，式(3)根據(jù)路面在經(jīng)歷一個預(yù)先設(shè)定的量級的表面車轍之前所能承受的標(biāo)準(zhǔn)軸載重復(fù)次數(shù)預(yù)測車轍壽命。應(yīng)變計算采用IITPave軟件。

Nfatigue=2.21×10-4×[1/εt]3.89×[1/MR]0.854

(2)

Nrutting=4.165 6×10-8×[1/εt]4.533 7

(3)

式中：εt為應(yīng)變；MR為瀝青層的彈性模量。

疲勞方程的輸入為瀝青層底部的拉伸應(yīng)變和瀝青層的彈性模量。對于選定的特定瀝青混合料，MR是一個常數(shù)，故只有拉伸應(yīng)變控制疲勞壽命。車轍性能方程的輸入為路基頂部垂直壓縮應(yīng)變。

當(dāng)瀝青層下拉伸應(yīng)變已知時，可利用式(2))估計瀝青層的疲勞壽命。不同瀝青層和顆粒層厚度時瀝青路面的疲勞壽命見圖5。從圖5可看出：小于50 mm或大于125 mm的瀝青層厚度可以滿足疲勞標(biāo)準(zhǔn)。瀝青層厚度從25 mm增加到50 mm時，疲勞壽命下降99%，因為在25 mm和50 mm厚度之間負(fù)載分布機(jī)制發(fā)生了變化。瀝青層厚度約為60 mm時，疲勞壽命最低，之后隨著瀝青層厚度的增加，疲勞壽命逐漸增加。

圖5 估計疲勞壽命隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

達(dá)到車轍破壞或路面車轍壽命的重復(fù)次數(shù)可根據(jù)路基頂部豎向壓應(yīng)變按式(3)估算。如圖6所示，顆粒層厚度為350 mm、500 mm、650 mm時，車轍壽命都較均勻地隨瀝青層厚度的增加而增加。

圖6 預(yù)估車轍壽命隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

不同顆粒層厚度下疲勞壽命和車轍壽命隨瀝青層厚度的變化見圖7、表1，其中R表示車轍，F(xiàn)表示疲勞。目前大多數(shù)路面設(shè)計都沒有在路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命和車轍壽命之間取得平衡，可能導(dǎo)致路面的某些材料特性或幾何形狀沒有得到充分利用。在骨料充足的地方，考慮到未來的覆蓋和重建，采用較厚的顆粒層是經(jīng)濟(jì)的，也是環(huán)保的。顆粒層由最小厚度為150 mm的粒狀基層(GSB)和剩余厚度通常為濕拌碎石(WMM)的粒狀基層組成。盡管GSB和WMM對材料的要求不同，但I(xiàn)ITPave軟件將顆粒層厚度視為單個實體，即無黏結(jié)顆?；鶎拥幕貜椖Ａ炕驈椥阅Ａ咳Q于下墊土的彈性模量。

圖7 疲勞壽命和車轍壽命隨結(jié)構(gòu)層厚度的變化

由表1可知：25 mm瀝青層和650 mm顆粒層厚度組合下瀝青路面具有最佳疲勞壽命和車轍壽命。但25～30 mm厚薄瀝青層在頻繁使用制動器的重軸載荷下可能無法提供高抗剪強(qiáng)度，因而薄瀝青路面可能不適用于高速公路路面。

表1 不同結(jié)構(gòu)層厚度組合下疲勞和車轍失效載荷重復(fù)次數(shù)

3 結(jié)論

(1) 瀝青層下拉伸應(yīng)變隨瀝青層厚度的增加呈非線性變化，隨著瀝青層厚度增加，拉伸應(yīng)變增加，達(dá)到臨界厚度后，隨瀝青層厚度增加而減小。

(2) 在瀝青層厚度約為60 mm時，瀝青路面的疲勞壽命最低，且隨著瀝青層厚度的增加，疲勞壽命逐漸增加。25 mm厚瀝青層和650 mm厚顆粒層是具有最佳疲勞壽命和車轍壽命的薄瀝青路面結(jié)構(gòu)組合。