摘要 為論證江蘇省水泥穩(wěn)定碎石基層厚度組合優(yōu)化的可行性，文章采用力學(xué)計(jì)算的方式進(jìn)行研究，分析了基層厚度對(duì)路面結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力、剪應(yīng)力、拉應(yīng)力、豎向壓應(yīng)變及疲勞壽命的影響，同時(shí)對(duì)不同結(jié)構(gòu)組合基層使用壽命富余度進(jìn)行分析。結(jié)果顯示：基層疲勞壽命與層底拉應(yīng)力隨著基層與面層厚度的減少而增大，現(xiàn)行結(jié)構(gòu)組合形式下基層的疲勞開(kāi)裂壽命存在較大的富余度。最終根據(jù)分析結(jié)果給出不同交通荷載等級(jí)下的基層結(jié)構(gòu)組合推薦與未來(lái)材料發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞 廿年路面；水泥穩(wěn)定碎石基層；合理厚度；Bisar力學(xué)分析

中圖分類號(hào) U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）02-0056-04

0 引言

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出，低碳環(huán)保的理念越來(lái)越受到重視[1]。江蘇省高速公路半剛性基層服役至今狀態(tài)良好，強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，同時(shí)水泥穩(wěn)定碎石基層及底基層結(jié)構(gòu)厚度整體偏厚，可達(dá)54～60 cm[2]，且多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。而當(dāng)前優(yōu)質(zhì)集料等原材料供應(yīng)緊張且存在質(zhì)量波動(dòng)，因此存在基層厚度優(yōu)化需求與空間。

為此，參考江蘇省“長(zhǎng)壽路面 廿年面層”的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同基層厚度的典型路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析[3]，以基層疲勞壽命為控制指標(biāo)，分析基層厚度對(duì)基層疲勞開(kāi)裂壽命的影響[4]，分析基層使用壽命富余度，論證基層組合優(yōu)化的可行性。

1 不同基層結(jié)構(gòu)組合力學(xué)響應(yīng)分析

根據(jù)調(diào)研結(jié)果選取典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)，分別分析拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力等參數(shù)沿深度變化情況。

選用Bisar3.0力學(xué)模擬軟件進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析[5]，為了避免其他參數(shù)對(duì)力學(xué)分析的影響，將材料模量統(tǒng)一取10 000 MPa。典型半剛性基層路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1，路面結(jié)構(gòu)組合選擇不同瀝青層厚度（18 cm、20 cm、24 cm）與不同基層厚度（30 cm、40 cm、50 cm、60 cm）的組合，具體見(jiàn)表2。

1.1 壓應(yīng)力

面層厚度取24 cm，不同基層厚度條件下壓應(yīng)力隨深度變化見(jiàn)圖1。

由圖1可知，不同基層厚度路面結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，均隨著結(jié)構(gòu)深度的增加而降低。隨著基層厚度的增加，瀝青層頂面豎向壓應(yīng)力變化不大。

1.2 剪應(yīng)力

不同路面結(jié)構(gòu)瀝青層最大剪應(yīng)力見(jiàn)圖2。

由圖2可知，不同基層厚度路面結(jié)構(gòu)的瀝青層最大剪應(yīng)力變化趨勢(shì)一致，均隨著基層厚度的增加而降低，但變化不大。不同瀝青層厚度之間瀝青層最大剪應(yīng)力同樣變化不大。

1.3 路表豎向壓應(yīng)變

不同路面結(jié)構(gòu)路表車轍見(jiàn)圖3。

由圖3可知，不同基層厚度路面結(jié)構(gòu)的路表車轍變化趨勢(shì)一致，均隨著基層厚度的增加而降低，但變化不大。不同瀝青層厚度之間路表車轍同樣變化不大。

1.4 拉應(yīng)力

不同路面結(jié)構(gòu)基層層底拉應(yīng)力見(jiàn)圖4。

由圖4可知，不同路面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力隨深度變化趨勢(shì)基本相同，在基層中隨深度的增加而增加。瀝青層厚度越小，基層層底拉應(yīng)力越大，18 cm瀝青層平均比24 cm瀝青層的基層層底拉應(yīng)力增大19.2%；基層厚度越小，基層層底拉應(yīng)力越大，30 cm基層平均比60 cm基層的基層層底拉應(yīng)力增大1.3倍，差異明顯，說(shuō)明基層厚度對(duì)基層層底拉應(yīng)力影響顯著。

2 基層厚度對(duì)基層疲勞壽命的影響

基于上小節(jié)計(jì)算得出不同結(jié)構(gòu)組合下無(wú)機(jī)結(jié)合料層的層底拉應(yīng)力，按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50—2017），瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)計(jì)算采用雙圓垂直均布荷載下層狀彈性體系理論，假定路面各結(jié)構(gòu)層層間連續(xù)，計(jì)算無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開(kāi)裂壽命。

無(wú)機(jī)結(jié)合料層的疲勞開(kāi)裂壽命應(yīng)根據(jù)路面結(jié)構(gòu)分析得到的各無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力來(lái)計(jì)算，按式（1）計(jì)算。

（1）

式中，Nf2——無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的疲勞開(kāi)裂壽命（軸次）；ka——季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)；kT2——溫度調(diào)整系數(shù)；Rs——無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彎拉強(qiáng)度（Pa）；a、b——疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù)，按表3取值；kc——現(xiàn)場(chǎng)綜合修正系數(shù)，按式（2）計(jì)算。

（2）

式中，c1、c2、c3——參數(shù)，按表4取值；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；β——目標(biāo)可靠指標(biāo)，根據(jù)公路等級(jí)取值；——無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力（MPa）。

不同路面結(jié)構(gòu)基層疲勞開(kāi)裂壽命計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

由表5可知，瀝青層厚度越小，基層疲勞壽命越?。换鶎雍穸仍叫?，基層疲勞壽命越小，30 cm基層平均比60 cm基層的基層疲勞開(kāi)裂壽命降低65.9%，差異明顯，說(shuō)明基層厚度對(duì)基層疲勞開(kāi)裂壽命影響顯著。

3 不同結(jié)構(gòu)組合基層使用壽命富余度分析

不同交通荷載等級(jí)下不同使用年限的無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開(kāi)裂驗(yàn)算時(shí)的軸載次數(shù)見(jiàn)表6。

對(duì)比不同結(jié)構(gòu)組合下的無(wú)機(jī)結(jié)合料層疲勞開(kāi)裂壽命與設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)對(duì)應(yīng)的累計(jì)軸載作用次數(shù)，不同路面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的最大基層疲勞使用壽命見(jiàn)表7。

由表7可以看出：

（1）在中等及以下交通荷載等級(jí)條件下，18 cm瀝青層的路面結(jié)構(gòu)中各厚度基層結(jié)構(gòu)基層均達(dá)到大于50年的疲勞壽命，有較大富余度。

（2）在重等交通荷載等級(jí)條件下，20 cm瀝青層的路面結(jié)構(gòu)中30 cm基層結(jié)構(gòu)達(dá)到41年的疲勞壽命，其余40 cm、50 cm、60 cm基層結(jié)構(gòu)基層均達(dá)到大于50年的疲勞壽命，存在較大富余度。

（3）在特重等交通荷載等級(jí)條件下，24 cm瀝青層的路面結(jié)構(gòu)中60 cm基層結(jié)構(gòu)基層達(dá)到43年的疲勞壽命，存在富余度；50 cm基層結(jié)構(gòu)達(dá)到37年的疲勞壽命；40 cm基層結(jié)構(gòu)達(dá)到30年的疲勞壽命；30 cm基層結(jié)構(gòu)達(dá)到23年的疲勞壽命。

（4）整體來(lái)看，由于省內(nèi)高速公路建設(shè)并沒(méi)有根據(jù)不同高速的交通荷載等級(jí)選擇合適的基層厚度，現(xiàn)行的高速公路基層厚度往往達(dá)到或接近60 cm，此基層厚度下中等及以下和重等交通荷載等級(jí)高速公路路面結(jié)構(gòu)基層的疲勞開(kāi)裂壽命存在極大的富余度，特重交通等級(jí)下60 cm基層亦存在充足富余度，所以根據(jù)不同高速的實(shí)際交通量等級(jí)，基層厚度存在較大優(yōu)化空間。

4 廿年路面結(jié)構(gòu)基層厚度組合及材料優(yōu)化需求

4.1 基層厚度組合

針對(duì)中等及以下、重等、特重交通荷載等級(jí)，調(diào)研了江蘇省內(nèi)典型高速的基層結(jié)構(gòu)組合，并進(jìn)行基層結(jié)構(gòu)厚度推薦，見(jiàn)表8。

4.2 材料優(yōu)化需求

當(dāng)前路面建設(shè)中對(duì)于基層的主流設(shè)置為基層強(qiáng)度高、水泥劑量也高，底基層強(qiáng)度低、水泥劑量也低。這樣的設(shè)置在實(shí)際建設(shè)與服役過(guò)程中是否最為合適有待進(jìn)一步研究。針對(duì)不同交通荷載等級(jí)下的基層結(jié)構(gòu)組合，相應(yīng)水穩(wěn)材料要求也隨之變化。路面結(jié)構(gòu)中基層與底基層需提升抗開(kāi)裂、抗疲勞性能，且須盡量做到強(qiáng)度與抗裂性能的平衡設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖5。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)計(jì)算，在結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)方面：基層厚度越小，基層層底拉應(yīng)力越大，瀝青層厚度越小，基層層底拉應(yīng)力越大。在基層疲勞壽命方面：基層厚度越小，基層疲勞壽命越小，瀝青層厚度越小，基層疲勞壽命越小。

（2）經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)行的高速公路基層厚度往往達(dá)到或接近60 cm，此基層厚度下基層的疲勞開(kāi)裂壽命存在較大的富余度，根據(jù)不同高速的實(shí)際交通量等級(jí)，基層厚度存在較大優(yōu)化空間。

參考文獻(xiàn)

[1]邵楷模. “雙碳”目標(biāo)下的瀝青路面減碳技術(shù)發(fā)展研究綜述[J]. 交通節(jié)能與環(huán)保， 2023（5）： 136-140.

[2]崔戌秋. 半剛性基層結(jié)構(gòu)及材料性能發(fā)展規(guī)律研究[D]. 南京：東南大學(xué)， 2020.

[3]趙博文. 基于不同層間結(jié)合狀況的半剛性基層瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析[J]. 北方交通， 2020（11）： 66-69.

[4]張磊， 張定一， 程龍， 等. 基于SCB試驗(yàn)的既有高速公路半剛性基層疲勞壽命預(yù)估[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2023（3）： 1-10.

[5]胡新賀， 呂棟， 程剛. 基于BISAR軟件的路面結(jié)構(gòu)受力分析[J]. 四川建材， 2019（7）： 127-128+130.

收稿日期：2023-12-18

作者簡(jiǎn)介：張孝勝（1985—），男，本科，工程師，從事公路質(zhì)量管理試驗(yàn)檢測(cè)工作。