基于組合式基層的重載交通瀝青路面結構優化研究＊

賀治增

（唐山市交通運輸局 唐山 063000）

隨著車輛荷載的不斷增加，很多瀝青路面往往達不到甚至遠低于設計壽命就出現了損壞，需要進行大規模的養護維修或者重建。據統計，我國高等級公路瀝青路面的設計年限一般為15年，但實際使用壽命只有6～8年［1］，若有重載交通作用甚至更短。究其原因，除重載之外，路面結構設計的不合理也是重要原因。目前我國高等級公路路面結構多采用半剛性結構［2］，該結構在重載交通作用下易產生開裂，使路面出現反射裂縫，進而引發路面結構性破壞，降低路面的服務水平和使用壽命。

近些年，重載交通問題逐漸成為國內外道路研究的熱點，為了滿足重載交通的需要，很多國家、地區和獨立研究機構對瀝青路面設計理論、設計方法和結構組合模式進行了探討［3］。法國大型環道試驗進行不同軸載作用下的車轍研究，并給出回歸公式。英國 Nunn等［4－5］學者在1997年發現在瀝青面層層底存在一個極限彎拉應變水平，當層底應變處于這個水平以下時疲勞損壞就不會發生。國外主要基于全厚式柔性路面進行重載路面設計，而在我國長期占主導的路面結構形式是半剛性路面，推廣柔性路面尚有難度。國內專業人士分析了組合式基層路面結構在我國的適用性，基于組合式基層的柔化基層是一種可行的方法。文獻［6］對比了柔性基層與半剛性基層瀝青路面破壞機理存在的明顯差異，文獻［7］探討了柔性基層與底基層的應用。

總的說來，國內對重載交通路面的優化設計理念還處于初級階段，還存在不少問題沒有解決，比如忽略工程所在地的實際情況以及缺乏對經濟因素的考慮。鑒于此，本文以灤海公路為依托工程，采用理論分析與試驗路相結合的方式，開展基于組合式基層的路面結構優化研究，通過探討基層結構參數對設計指標的影響規律，提出合理的路面結構優化方法，使之滿足重載交通的需要。

1 設計指標和計算參數

1.1 基本假定

（1）體系是由作用在半無限基礎或者半空間上均勻厚度水平層組成。

（2）在水平方向上各層可以無限延伸。

（3）各層均為均質材料和同方向性。

（4）材料均為彈性，其應力應變關系是線性的［8］。

1.2 設計指標

瀝青層層底在荷載的作用下，一般處于彎拉狀態，為控制瀝青層層底不出現由于拉應變較大而產生開裂，故在瀝青路面設計中，采用瀝青層層底拉應變這個指標進行控制。

路面結構在荷載的作用下，會在層底產生應力，路面材料在層底水平力的反復作用下，會慢慢地疲勞，當材料的水平應變大于允許水平應變值時，材料發生疲勞破壞從而產生裂縫，進而導致病害，因此半剛性基層層底拉應力亦作為一個控制指標。

1.3 計算參數

參考國內外組合式基層瀝青路面結構，以及灤海公路的實際情況，擬定典型結構，見表1。

表1 組合式基層瀝青路面擬定優化結構參數

本文采用彈性層狀體系理論進行計算，層間采用完全連續接觸。荷載為雙圓均布荷載，按標準軸載l00 k N，以及超載30%，50%和80%分別進行計算，計算見圖1。其中瀝青層底拉應變的計算點為單圓荷載中心（1點），基層層底拉應力的計算點為雙圓輪載中心（6點）［9］。

圖1 力學計算圖示

2 結構數值分析

2.1 正交試驗

正交試驗是利用正交表來安排與分析多因素試驗的一種設計方法，是從試驗因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進行試驗的，通過對這部分試驗結果的分析得到全面試驗的情況，找出最優的水平組合。

對于上節給出的路面結構變量（模量、厚度）采用位級L9（34）設計正交表格，并運用ANSYS有限元分析計算得出設計目標值，從而得到表2。

表2 組合式基層瀝青面層結構正交試驗表

對結果進行直觀分析，本文采用極差分析法，分析過程見表3。

表3 結果分析表

通過數據分析得出：

瀝青路面基層各因素對瀝青底面應變影響的大小依次為：級配碎石模量＞級配碎石厚度＞水泥穩定碎石厚度＞水泥穩定碎石模量，影響最顯著的因素是級配碎石模量，水泥穩定碎石模量影響相對較小。

瀝青路面基層各因素對半剛性層底拉應力的影響大小依次為：水泥穩定碎石模量＞水泥穩定厚度＞級配碎石厚度＞級配碎石模量，影響較顯著的因素是水泥穩定碎石模量，其他因素的影響相對較小。

2.2 重載力學響應分析

為了與我國現行公路超載現象嚴重的現狀相匹配，本文在進行基層適應性分析時特別考慮重載的影響，利用ANSYS軟件計算了軸載為100，130，150以及180 k N時基層的力學響應。瀝青層底拉應變是指瀝青面層結構層底的拉應變，計算點位取單圓荷載中心，應力為半剛性基層層底的拉應力。根據上節分析結果，選取級配碎石模量和厚度、水泥穩定碎石模量和厚度分別為300 MPa，18 c m，1 400 MPa，36 c m為代表結構，ANSYS分析結果見表4，力學響應指標隨軸載變化趨勢見圖2、圖3。

表4 不同軸載下各考核指標的計算結果

圖2 不同軸載下瀝青層層底應變變化圖

圖3 不同軸載下基層層底拉應力變化圖

由圖2，3可見，重載交通對路面的影響是顯著的，并隨著軸載的增加成線性上升趨勢，我國瀝青路面設計規范采用的標準軸重為100 k N，調查表明，高速公路采用計重收費后，超載30%對于運輸者是最經濟的［10］，故在130 k N的情況下，瀝青層層底拉應變和半剛性基層層底拉應力均滿足容許要求 ，可認為該結構滿足重載交通要求。

3 優化結構組合實體工程評價

為了驗證理論分析的效果，本研究在河北省唐山市灤南縣灤海公路某處鋪筑了500 m試驗路，該道路是一條疏港公路，主要服務于鐵礦石運輸，因此交通量大，超載嚴重，預測15年以后設計年限內1個車道的累計當量軸次會達到2 801.464萬次，屬特重交通等級。鋪筑完成之初，用貝克曼彎沉儀進行了彎沉檢測，并由唐山市交通局質監站進行了取心測試，結果均達到要求，經過一年的使用，試驗路段未出現損壞，路面使用性能良好。

從使用周期費用的角度來看，目前華北地區常用的高等級公路路面基層結構大多使用4%水泥穩定碎石半剛性基層，單位體積的價格約為340元／m2，而組合式基層結構中使用的優質級配碎石造價為220元／m2，在建設階段僅材料費用就可節省1 200萬元，在設計使用年限同樣為15年的前提下，半剛性基層瀝青路面要經過至少一次大修，而經過級配碎石優化的組合基層瀝青路面僅需進行日常保養和3～4次小型維護。綜上所述，就建設費用和養護費用而言，組合式基層路面的費用都低于普通高等級路面結構的費用，因此可以認為組合式基層路面的全壽命周期費用遠低于普通路面結構，并且減小了由于道路重修造成的間接損失，具有顯著的經濟優越性。

4 結論

（1）級配碎石模量對瀝青層層底拉應變影響最大，對半剛性基層層底拉應力影響相對較小，因此在選擇級配碎石模量時，應主要考慮對瀝青層層底拉應變的影響，選擇偏小值。

（2）水泥穩定碎石模量對半剛性基層層底拉應力影響最大，對瀝青層層底拉應力影響相對較小，因此在選擇級配碎石模量時，應主要考慮對半剛性基層層底拉應力的影響。

（3）重載交通條件下，各考核指標隨著軸載的增加而增加，且大致呈線性變化。

［1］ 田建文，錢 璞，崔 娥.高速公路長壽命瀝青路面結構研究［J］.交通標準化，2012（12）：118-120.

［2］ 高 昌.組合式基層瀝青路面設計指標與設計標準［J］.中國市政工程，2009（12）：8-9.

［3］ 唐培培.重交通高等級公路瀝青面層合理厚度研究［D］.西安：長安大學，2008.

［4］ NUNN，M E，BROWN S，WWSTON D，et al.Design of long-life flexible pavements for heavy traffic，Report No.250［J］.Transportation Research Laboratory Berkshire，United Kingdom，1997：6-14.

［5］ NUNN M，FERNE B W，Design and assessment of long-life flexible pavements［J］.Transportation Research Circular（503），2001：32-49.

［6］ 伍祥松.重載交通下不同基層瀝青路面結構應力分析［J］.公路交通技術，2012（2）：19-22.

［7］ 谷志軍.級配碎石柔性底基層在邱柳線改建工程中的應用［J］.交通科技，2013（5）：81-82.

［8］ JTG D50－2006公路瀝青路面設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［9］ 平樹江.基于復合式基層的耐久性瀝青路面結構研究［D］.西安：長安大學，2009.

［10］ 尹相勇，王義祥，賈順平.基于運輸者風險偏好的治理超載超限策略研究［J］.物流技術，2008（4）：135-138.