華南多雨地區(qū)特重交通下基層厚度對瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)彎沉的影響

蔡 良

(廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司,廣州 510623)

0 引言

由無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定粒料基層組成的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為我國目前主要的瀝青路面結(jié)構(gòu)[1-5]，但經(jīng)過近30多年的工后情況反映，在溫度、濕度等綜合因素耦合作用下，半剛性結(jié)構(gòu)路面存在基層反射裂縫、瀝青層與水穩(wěn)層間積水導(dǎo)致早期水損害等問題[6-10]。為了延緩半剛性基層反射裂縫的問題，道路工作者提出了一種名為“倒裝結(jié)構(gòu)”的路面結(jié)構(gòu)層，該結(jié)構(gòu)層是在瀝青穩(wěn)定碎石基層與半剛性基層之間設(shè)置一層應(yīng)力消散層(通常為級配碎石基層)，以減輕半剛性材料的反射開裂影響。倒裝結(jié)構(gòu)在福建省得到了較多的應(yīng)用且結(jié)構(gòu)型式趨于統(tǒng)一，而廣東省僅在渝湛、韶贛、龍大、揭博、廣河等高速公路鋪筑了部分路段，且路面結(jié)構(gòu)層厚度及結(jié)構(gòu)型式不一。

本文通過依托特重交通(累計(jì)當(dāng)量軸次預(yù)估4.4×107次)的廣東省仁(化)至博(羅)公路新豐至博羅段高速公路(簡稱“新博高速公路”)，應(yīng)用有限元軟件，推算在一定條件下倒裝結(jié)構(gòu)路表彎沉與基層厚度的關(guān)系，并通過試驗(yàn)段鋪筑后的彎沉檢測，得出彎沉的部分變化規(guī)律，以期為同類項(xiàng)目提供參考。

1 基于彎沉指標(biāo)下的結(jié)構(gòu)層厚度選擇

新博高速公路瀝青路面面層厚度為4cm+6cm，本文基于此前提采用ABAQUS有限元進(jìn)行路表彎沉指標(biāo)下的結(jié)構(gòu)層厚度變化趨勢分析。

模型模擬了瀝青路面在雙輪標(biāo)準(zhǔn)軸載作用下的力學(xué)響應(yīng)，瀝青層、基層、墊層以及土基采用三維實(shí)體單元(C3D8R實(shí)體縮減積分單元)進(jìn)行離散處理，劃分有限元網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的密度選擇自由劃分。為了便于模型計(jì)算，假定輪胎與路面接觸面理想化為18.9cm×18.9cm的正方形，雙輪中心距32cm，計(jì)算軸載為標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100，輪胎接地壓為0.7MPa。路面厚度選擇及材料參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)路面厚度選擇及材料參數(shù)

1.1 路表彎沉隨水泥穩(wěn)定級配碎石厚度變化趨勢

結(jié)構(gòu)路表彎沉隨水泥穩(wěn)定級配碎石厚度的變化趨勢如圖1～圖3所示。

圖1 (4+6+12+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨水泥穩(wěn)定級配碎石厚度變化

圖2 (4+6+15+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨水泥穩(wěn)定級配碎石厚度變化

圖3 (4+6+18+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨水泥穩(wěn)定級配碎石厚度變化

結(jié)構(gòu)層列，如“4-6-12-X-Y”，第一個(gè)數(shù)字“4”代表瀝青上面層厚度(單位為cm，下同)，第二個(gè)數(shù)字“6”代表瀝青下面層厚度，第三個(gè)數(shù)字“12”代表ATB層厚度，第四個(gè)數(shù)字“X”代表級配碎石層厚度，第五個(gè)數(shù)字“Y”代表半剛性基層層厚度，底基層為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層且統(tǒng)一厚度為18cm。下同。

由圖1～圖3可以看出：

(1)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度變化對彎沉的影響顯著。無論是否設(shè)置級配碎石層，彎沉均隨水泥穩(wěn)定碎石基層厚度的增加而減小。

(2)當(dāng)水泥穩(wěn)定級配碎石的厚度一定時(shí)，彎沉的減小隨級配碎石厚度的增加而減緩。

(3)彎沉的最大值與最小值均在級配碎石厚度為0的條件下，當(dāng)水泥穩(wěn)定級配碎石厚度為25cm時(shí)，彎沉最大；當(dāng)水泥穩(wěn)定級配碎石厚度為50cm時(shí)，彎沉最小。

1.2 路表彎沉隨級配碎石厚度變化趨勢

結(jié)構(gòu)路表彎沉隨級配碎石厚度的變化趨勢如圖4～圖6所示。

圖4 (4+6+12+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨級配碎石層厚度變化趨勢

圖5 (4+6+15+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨級配碎石層厚度變化趨勢

圖6 (4+6+18+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨級配碎石層厚度變化趨勢

由圖4～圖6可以看出：

(1)當(dāng)水泥穩(wěn)定基層為25cm時(shí)，彎沉隨級配碎石厚度的增加而減小，說明在此狀態(tài)下級配碎石厚度的增加對路面強(qiáng)度有補(bǔ)強(qiáng)的作用。

(2)當(dāng)水泥穩(wěn)定基層為50cm時(shí)，彎沉隨級配碎石厚度的增加而增加，說明在此狀態(tài)下級配碎石厚度的增加對路面強(qiáng)度有弱化的作用。

(3)當(dāng)水泥穩(wěn)定基層為35cm時(shí)，彎沉隨級配碎石厚度的增加幾乎不變，或者說在此狀態(tài)下級配碎石厚度的變化對彎沉的影響比較小或不敏感。此時(shí)合理彎沉可能在21～23(0.01mm)區(qū)間范圍。

1.3 路表彎沉隨ATB厚度變化趨勢

結(jié)構(gòu)路表彎沉隨ATB厚度的變化趨勢如圖 7～圖9所示。

圖7 (4+6+12+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨ATB厚度變化趨勢

圖8 (4+6+15+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨ATB厚度變化趨勢

圖9 (4+6+18+X+Y)結(jié)構(gòu)彎沉隨ATB厚度變化趨勢

由圖7～圖9可以看出，面層厚度、級配碎石及半剛性基層厚度一定時(shí)，彎沉隨ATB層厚度的增加而減小。

1.4 彎沉波動(dòng)范圍

由圖1～圖9可以看出，計(jì)算彎沉均在19mm～25mm區(qū)間范圍內(nèi)波動(dòng)。

2 工程應(yīng)用

根據(jù)有限元理論計(jì)算結(jié)果，新博高速公路初步選定了36cm厚水泥穩(wěn)定碎石層，為更好地驗(yàn)證理論計(jì)算和實(shí)際鋪筑效果，共選取了三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)段鋪筑。選取的結(jié)構(gòu)型式及樁號見表2。

表2 不同結(jié)構(gòu)型式及樁號

2.1 試驗(yàn)段施工及檢測

施工過程嚴(yán)格按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》(JTG/T F20-2015)、《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[11-12]等要求施工，按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG F80/1-2004)[13]等進(jìn)行工后檢測。經(jīng)檢測，壓實(shí)度、厚度及高程等檢測指標(biāo)等均100%合格，高程、彎沉、平整度等指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

2.2 三種不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段彎沉比較

2.2.1 計(jì)算彎沉

基于有限元軟件對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬，有限元模型材料參數(shù)見表1，模擬結(jié)果如圖10所示，計(jì)算彎沉結(jié)果見表3。

圖10 三種倒裝結(jié)構(gòu)路面彎沉云圖

2.2.2 實(shí)測彎沉

對三種路面結(jié)構(gòu)施工完成后的路表進(jìn)行彎沉檢測，檢測結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場實(shí)測彎沉與計(jì)算彎沉比較

新博高速公路通車運(yùn)營后，分別在2020年6月和2020年10月進(jìn)行了兩次路表彎沉檢測，所統(tǒng)計(jì)的彎沉代表值如圖11所示。

圖11 2020年6月和10月彎沉檢測結(jié)果

結(jié)合表3，通過選取代表性路段，對以上不同結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間段的檢測結(jié)果進(jìn)行分析，如表4和圖12所示。

圖12 不同結(jié)構(gòu)彎沉值統(tǒng)計(jì)

2.2.3 彎沉對比分析

(1)從各結(jié)構(gòu)的彎沉檢測情況來看，瀝青結(jié)構(gòu)層隨完工時(shí)間的增長，其彎沉值隨之降低。其中結(jié)構(gòu)Ⅰ彎沉降低幅度較大，下降約57%；結(jié)構(gòu)Ⅱ彎沉下降約49%；結(jié)構(gòu)Ⅲ彎沉下降約54%。結(jié)構(gòu)Ⅱ的計(jì)算彎沉比結(jié)構(gòu)Ⅰ小，且彎沉下降幅度相對較小。分析其主要原因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)Ⅰ瀝青層厚度相對較厚，瀝青層回彈模量大，相對變形量高，隨著通車運(yùn)營，其密實(shí)程度逐漸提高，彎沉逐漸降低；其次為水的影響作用，當(dāng)級配碎石下基層含水量較高時(shí)，對路面結(jié)構(gòu)彎沉也會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

(2)結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅱ現(xiàn)場施工完成后的彎沉檢測結(jié)果均略高于計(jì)算彎沉，隨著時(shí)間的增長，彎沉逐漸降低并趨于穩(wěn)定。

(3)從試驗(yàn)段運(yùn)營后的兩次彎沉檢測結(jié)果來看，路面的彎沉指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，使用效果良好。后期應(yīng)對路面彎沉進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以更好地觀察該結(jié)構(gòu)形式的工程應(yīng)用效果，為今后類似項(xiàng)目提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層厚度在35cm附近及以下區(qū)間內(nèi)，路表彎沉隨級配碎石基層厚度、半剛性基層厚度及ATB厚度的增加而減少，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；當(dāng)水泥穩(wěn)定碎石基層為50cm時(shí)路表彎沉隨級配碎石基層厚度、半剛性基層厚度的增加而增加，隨ATB厚度的增加而減少。

(2)結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅱ現(xiàn)場施工完成后的彎沉檢測結(jié)果均略高于計(jì)算彎沉，隨著時(shí)間的增長，彎沉逐漸降低并趨于穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)Ⅲ的彎沉隨時(shí)間的降低幅度較前兩種結(jié)構(gòu)小。

(3)從目前試驗(yàn)段運(yùn)營后的兩次彎沉檢測結(jié)果來看，路表彎沉指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，使用效果良好。后期應(yīng)繼續(xù)對路表彎沉進(jìn)行跟蹤監(jiān)測，以更好地觀察該結(jié)構(gòu)形式的工程應(yīng)用效果。