基于性能分析的剛果（布）瀝青路面結構優化研究

鄧云綱，王志勇，吳福寶

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

剛果（布）國家1號公路是連接剛果（布）第一大城市首都布拉柴維爾和第二大城市黑角之間的唯一公路交通，起點城市黑角位于大西洋東岸，是剛果（布）的經濟中心，所有進出剛果（布）以及周邊內陸國家的重要物資均通過黑角港運輸，1號公路成了連接內陸城市與港口的唯一通道，其戰略意義與現實意義巨大。1號公路建成以來，為剛果（布）地區的經濟發展起了重大的作用，改變了人們的出行方式，產生了深遠的社會效益。但由于各方面的問題，1號公路一期工程的部分區域路段已經出現了路面損害現象。為了更好的改善剛果（布）瀝青路面的使用性能，延長路面使用壽命，故對剛果（布）瀝青路面的結構進行優化。

1 剛果（布）1號公路原始瀝青路面結構形式

剛果（布）1號公路的瀝青路面結構形式見圖1。根據路面結構形式，得到簡化的路面結構分析參數，具體見表1。

2 路面結構優化方案[1-2]

路面結構優化方向為：增加瀝青層厚度、增加級配碎石層厚度和增大路基回彈模量。具體優化方案見表2。

圖1 剛果（布）地區瀝青路面結構示意圖

表1 原路面結構方案

表2 路面結構具體優化方案

（1）優化方案1：增大瀝青層厚度，采用瀝青層厚度10 cm和17 cm兩種方案，分別標記為方案1-1和方案1-2。面層是承受荷載直接作用的層次，增加面層的厚度，一方面可以增加路面結構整體強度，另一方面還可以進一步保護路面結構，防止外界水分對于路面結構的侵蝕與滲入，在一定程度上起到保護級配碎石層的作用。這對提高以濕熱多雨為顯著特點的剛果地區路面結構的耐久性具有積極意義。

（2）優化方案2：增加級配碎石層厚度，該方案在原基礎上增加級配碎石層厚度，即采用了雙層級配碎石層，通過增加應力傳遞的路徑，降低路面結構荷載，達到增強路面結構的目的。其中30 cm的級配碎石層宜分兩層攤鋪，每層15 cm。

（3）優化方案3：增大路基回彈模量，模量由25 MPa增大為40 MPa。

3 優化方案性能評價

3.1 采用荷載容許作用次數Ne評價

AI設計方法中，對路基頂面壓應變與疲勞作用次數的關系采用式（1）確定：

式中：εv——路基頂面壓應變（με）；

N——荷載容許作用次數；

l，m——方程的參數，根據Chervon的建議，車轍深度小于0.5 in（12.7 mm）時，相應的參數值為l=1.05，m=0.223。

不同方案的荷載作用次數的對數值見圖2。由圖2可知：各方案中，從提高幅度分析，方案1-2最優，其次是方案2。再繼續細化，方案1中，面層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數增加101 944次；方案2中，級配碎石層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數增加67 122次；因此，從材料角度而言，增加面層厚度優于增加級配碎石層厚度。

圖2 不同方案的荷載容許作用次數

3.2 采用車轍深度評價

參考美國力學經驗設計指南中建議的瀝青混合料永久變形與無結合料層永久變形預估公式，預估了在不同交通量下的路面結構永久變形的發展趨勢。

用于預測瀝青混合料永久變形的基本公式為：

式中：εp——塑性應變（in./in.）；

εr——彈性應變（in./in.）；

T——溫度（℉）；

N——作用次數。

k1為用于修正最終車轍深度的修正系數。該系數是與瀝青層厚度hac與計算點深度depth有關的函數關系式，由以下方程組確定。

根據彈性理論計算得到荷載作用下的瀝青層（亞層）的彈性壓應變εr，并由永久變形的基本公式得到每亞層i的塑性壓應變εip，根據每亞層厚度hi由式（3）確定瀝青層最終變形。

用于評價無結合料粒料類基層、底基層或路基土永久變形的基本公式為：

式中：δa——各層次或亞層的永久變形(in.)；

N——荷載作用次數；

ε0,β和ρ——材料屬性系數；

εr——室內試驗得到材料屬性系數ε0,β和ρ時所施加的彈性應變εr(in./in.)；

εv——每層或亞層的平均豎向壓應變(in./in.)；

h—每層或亞層的厚度(in.)；

β1——無結合料粒料類基層、底基層或路基土的修正系數。這里對于級配碎石層采用1.673；礫石土采用1.35。

不同方案各層次的車轍深度見圖3～圖7。

對比圖3～圖7可知：

（1）所有方案在荷載作用初期，卵礫石土層變形對路面結構整體的車轍起主要貢獻，其次為級配碎石層，瀝青層的變形在荷載作用初期非常小。

圖3 車轍深度與荷載累計作用次數對數關系——原方案

圖4 車轍深度與荷載累計作用次數對數關系——方案1-1

圖5 車轍深度與荷載累計作用次數對數關系——方案1-2

圖6 車轍深度與荷載累計作用次數對數關系——方案2

圖7 車轍深度與荷載累計作用次數對數關系——方案3

（2）隨著荷載作用次數的增加，各層的永久變形量均不斷增加。對于卵礫石土層和級配碎石層在荷載作用次數為104次以后基本保持穩定；對于瀝青層，當荷載作用次數達到104次以后，永久變形量開始穩定增加，當加載次數增加至5×105次以后，瀝青層的變形量將占路面結構總體變形量的50%以上。

（3）方案1與方案2對比發現，通過增加級配碎石層厚度可以有效降低路面結構整體變形量，兩種方案的車轍深度在荷載作用次數達到104次以后開始出現差別。因此從車轍深度角度分析，宜將方案2作為優選方案。

（4）通過對比不同路基土模量的車轍深度可以看出，隨著路基土模量的增加，路面結構車轍將有所降低。當三種路基土模量的差異在荷載作用次數為5×105次時才達到5 mm以上。說明在路面運營初期或小交通量下，路基模量對車轍深度影響并不大，路基模量對路面結構整體變形的影響僅在較大、中交通量情況時明顯體現。

4 優化結果分析

綜合荷載容許作用次數和車轍深度分析結果，3種優化方案性能評價結果匯總如下：

（1）總體而言，增加瀝青層厚度和增加級配碎石層厚度的效果優于增大路基回彈模量的效果。

（2）采用荷載容許作用次數進行評價，增加瀝青層厚度優于增加級配碎石層厚度：面層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數增加101 944次；級配碎石層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數增加67122次，以方案1-2為最優。

（3）采用車轍深度進行評價，增加級配碎石層厚度優于增加瀝青層厚度。增加級配碎石層厚度可顯著降低車轍深度，增加瀝青層厚度改善車轍性能效果不是很好，且瀝青層厚度太厚反而會增加車轍深度，這是因為瀝青層是主要車轍來源層。

（4）考慮到剛果（布）地區存在“強基薄面”的使用現狀，且車轍病害不是該地區的典型病害，本研究建議增加瀝青層厚度優化方案以延長路面結構的使用壽命，增加耐久性能。

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