鄒曉明 姚新宇 滿新耀 劉宇

摘要：為進(jìn)一步研究路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不同評(píng)價(jià)方法在廣西地區(qū)半剛性瀝青路面的適用性，文章通過FWD采集廣西典型高速公路瀝青路面指標(biāo)，并通過現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)范法、水穩(wěn)層底面應(yīng)變法、模量衰減法、路表彎沉法計(jì)算評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。經(jīng)驗(yàn)算對(duì)比，其強(qiáng)度系數(shù)、上水穩(wěn)層底面拉應(yīng)變和損傷度指標(biāo)具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可為廣西地區(qū)半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性、路面壽命評(píng)估與養(yǎng)護(hù)決策規(guī)劃提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：瀝青路面;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度;強(qiáng)度系數(shù);拉應(yīng)變;損傷度

0 引言

目前，國內(nèi)外還沒有普遍接受的評(píng)價(jià)瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的方法。美國采用結(jié)構(gòu)數(shù)SN評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[1-4]，但仍未成為權(quán)威方法，研究還在進(jìn)行中。我國現(xiàn)行瀝青路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范采用設(shè)計(jì)彎沉與當(dāng)前實(shí)測(cè)彎沉的比值來評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[5]。然而，確定結(jié)構(gòu)層厚度的指標(biāo)是水穩(wěn)基層和瀝青層疲勞強(qiáng)度，而非設(shè)計(jì)彎沉，因此該方法未必合理。此外，我國還有學(xué)者通過研究半剛性材料疲勞性能[6]、路面材料模量衰變[7]、路面破損狀況與彎沉[8]等指標(biāo)間接評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與使用壽命。但上述成果結(jié)論適用性均未在廣西地區(qū)高速公路得到驗(yàn)證。本文通過現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)范法、水穩(wěn)層底面應(yīng)變法、模量衰減法、路表彎沉法計(jì)算評(píng)價(jià)廣西某典型高速公路半剛性瀝青路面，為廣西地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性、路面壽命評(píng)估與養(yǎng)護(hù)決策規(guī)劃提供參考依據(jù)。

1 路面數(shù)據(jù)采集與結(jié)構(gòu)層模量反算

1.1 路面數(shù)據(jù)采集方案

采用落錘式彎沉儀檢測(cè)路面彎沉，共有7段檢測(cè)慢車道右輪跡彎沉，每段500 m，其中2個(gè)路段同時(shí)檢測(cè)快車道、慢車道和路肩。僅檢測(cè)完好處路面，不檢測(cè)有病害路面?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)是冬季，日間氣溫為15 ℃～20 ℃，按現(xiàn)行規(guī)范方法對(duì)9個(gè)測(cè)點(diǎn)彎沉檢測(cè)結(jié)果作了溫度修正。FWD測(cè)點(diǎn)與荷載板中心距離見下頁表1。共設(shè)9個(gè)傳感器，其中第9個(gè)傳感器位于荷載板左側(cè)，距中心點(diǎn)30 cm。FWD檢測(cè)時(shí)，施加3級(jí)荷載，然后按線性回歸后計(jì)算荷載為50 kN對(duì)應(yīng)的彎沉（這時(shí)承載板底壓應(yīng)力為0.7 MPa，采用實(shí)測(cè)彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量，用于路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力和應(yīng)變分析。

1.2 結(jié)構(gòu)層模量反算

本文采用美國AASHTO《路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》計(jì)算地基模量，分別采用距荷載板中心1 200 mm、1 500 mm處彎沉計(jì)算后取平均值，然后將路基模量作為已知參數(shù)輸入SIDMOD軟件反算其他結(jié)構(gòu)層模量。采用SIDMOD反算瀝青層和水穩(wěn)層模量時(shí)，彎沉盆采用8個(gè)彎沉點(diǎn)50 kN對(duì)應(yīng)的彎沉值平均值，每個(gè)路段測(cè)點(diǎn)數(shù)約為30～35個(gè);反算模量時(shí)，瀝青層厚度采用路段芯樣平均值，水穩(wěn)層厚度為設(shè)計(jì)厚度，取540 mm。路面結(jié)構(gòu)圖及力學(xué)模型見圖1和圖2。

本次檢測(cè)2個(gè)路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行），分別檢測(cè)了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量，結(jié)果見表2。反算的模量值用于路面結(jié)構(gòu)層應(yīng)力和應(yīng)變分析。

2 現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)范法評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

根據(jù)現(xiàn)行《公路技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG5210-2018）[9]結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)評(píng)價(jià)路面強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)見表3。路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指數(shù)SSR計(jì)算式為：

根據(jù)設(shè)計(jì)文件，該高速公路施工時(shí)的設(shè)計(jì)彎沉值通過貝克曼梁與FWD相關(guān)性換算后為LFWD=199 μm，F(xiàn)WD實(shí)測(cè)路面彎沉值與所計(jì)算的路面結(jié)構(gòu)彎沉值列于表4。

由表4可見，7個(gè)檢測(cè)路段的慢車道、快車道和路肩等共11個(gè)車道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)均>0.95，表明路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到優(yōu)等，現(xiàn)行養(yǎng)護(hù)規(guī)范法無法預(yù)測(cè)路面剩余疲勞壽命。慢車道路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)<快車道路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)<路肩路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)，顯然路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度隨著行車作用次數(shù)增加而不斷衰減。

3 水穩(wěn)層底面應(yīng)變法評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

本文根據(jù)實(shí)測(cè)彎沉盆平均值采用SIDMOD軟件反算了瀝青層、水穩(wěn)層模量，而路基模量則根據(jù)美國AASHTO《路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》計(jì)算地基模量，根據(jù)結(jié)構(gòu)層模量應(yīng)用BISAR軟件計(jì)算上水穩(wěn)層和下水穩(wěn)層

底面拉應(yīng)變，結(jié)果列于表5。表中計(jì)力學(xué)模型為瀝青層與上水穩(wěn)基層連續(xù)、上水穩(wěn)層與下水穩(wěn)層分離，詳見圖3。

有研究者進(jìn)行了室內(nèi)水泥穩(wěn)定碎石材料小梁四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力水平S=0.5～0.8。結(jié)果表明：小梁模量隨荷載作用次數(shù)不斷降低，底面拉應(yīng)變不斷增大，至疲勞破壞時(shí)極限應(yīng)變的實(shí)測(cè)結(jié)果變化較大，達(dá)139～300 με;上水穩(wěn)層底面最大拉應(yīng)變?yōu)?8 με，遠(yuǎn)小于疲勞破壞的極限拉應(yīng)變（139～300 με，而底基層底面拉應(yīng)變均<15 με。由此可見，上水穩(wěn)層底面拉應(yīng)變遠(yuǎn)大于下水穩(wěn)層拉應(yīng)變，上水穩(wěn)層底面拉應(yīng)變遠(yuǎn)小于室內(nèi)小梁疲勞試驗(yàn)極限值（139～300 με，表明路面尚遠(yuǎn)離疲勞破壞階段。

4 模量衰減法評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

本文對(duì)2個(gè)路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行）分別檢測(cè)了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結(jié)構(gòu)層模量（結(jié)果見表2），并采用模量衰減方程估算慢車道疲勞損傷，如以下公式所示，計(jì)算結(jié)果見下頁表6。

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017），對(duì)于單幅兩車道高速公路，超車道標(biāo)準(zhǔn)軸次是慢車道的0.25倍，因此：

5 路表彎沉法評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

交通運(yùn)輸部公路研究院1995年完成的瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)和參數(shù)研究課題，匯總了國內(nèi)31段試驗(yàn)路和實(shí)體工程4～8年的跟蹤觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析得到路面彎沉隨路齡變化規(guī)律的函數(shù)，見公式（8）及公式（9）。此外，技術(shù)人員通過調(diào)查江蘇半剛性基層瀝青路面典型路段路況，建立了路面破損狀況與彎沉的關(guān)系，通過引用公式（10）與公式（11）計(jì)算路面損傷量，計(jì)算結(jié)果見表7和表8。

6 結(jié)語

（1）經(jīng)計(jì)算分析得知，該高速公路7個(gè)路段慢車道的路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度良好，損傷度小，具有較長的剩余使用壽命。

（2）四種方法計(jì)算的指標(biāo)評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)承載力，其結(jié)果并不完全相同，強(qiáng)度系數(shù)SSR、上水穩(wěn)層底面拉應(yīng)變和表面彎沉法的Df有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而模量衰減法的Df與其他三種方法計(jì)算結(jié)果未形成對(duì)應(yīng)關(guān)系。

（3）評(píng)價(jià)廣西地區(qū)高速公路半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可優(yōu)先選用強(qiáng)度系數(shù)SSR、上水穩(wěn)層底面拉應(yīng)變和表面彎沉法。

參考文獻(xiàn)：

[1]AASHTO.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Washington D.C.[Z].1993.

[2]Rafiqul A.Tarefder，M.ASCE，Damien Bateman.Design of Optimal Perpetual Pavement Struncture[J].Journal of Transportation Engineering，2012，138（2）：157-175.

[3]婁宇賽，樊宇亮，周 林，等. 基于美國AASHTO方法的瀝青路面設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（32）：128-132.

[4]Zhengjianlong.Design Guid for Semirigid Pavements in China Based on Critical State of Asphalt Mixture[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（7）：899-906.

[5]JTG D50-2017，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]甘旭東，扈慧敏，朱昌勝.水泥穩(wěn)定碎石材料疲勞性能試驗(yàn)分析[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2012（34）：118-123.

[7]馬 融，陳 飛.成型工藝對(duì)水泥穩(wěn)定再生混合料性能影響研究[J].中國科技論文，2019（2）：129-134.

[8]郭永祥.半剛性基層瀝青混凝土路面病害分析與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[9]JTG5210-2018，公路技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

作者簡(jiǎn)介：鄒曉明（1973—），高級(jí)工程師，在職研究生，研究方向：防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程;

姚新宇（1989—），碩士，工程師，從事道路結(jié)構(gòu)與材料耐久性研究工作;

滿新耀（1980—），碩士，高級(jí)工程師，從事高速公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)管理工作;

劉 宇（1976—），正高級(jí)工程師，博士后，研究方向：路面結(jié)構(gòu)與材料研究。

基金項(xiàng)目：廣西科技計(jì)劃項(xiàng)目“濕熱地區(qū)高速公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”（桂科AB17292061）