基于正交試驗的瀝青路面結構優化組合分析

趙艷納

（廣西高速公路投資有限公司，廣西　南寧　530021）

基于正交試驗的瀝青路面結構優化組合分析

趙艷納

（廣西高速公路投資有限公司，廣西南寧530021）

通過正交試驗，以路表彎沉、路面各結構層層底彎拉應力、瀝青層最大剪應力為評價指標，對各結構層不同厚度、模量組合下的瀝青路面結構進行分析，確定了各影響因素對各結構層評價指標的影響敏感程度，提出了路面結構最優組合方案。研究表明，土基模量對各評價指標均有較大影響，在瀝青路面設計與施工中應重視路基模量的取值和工程措施；通過對各結構層厚度、模量的合理組合可使整個路面結構剛度漸變、受力合理、變形協調，充分發揮各結構層材料的性能。

公路；瀝青路面；正交試驗；厚度；模量

中國瀝青路面大多在使用8～10年后就出現明顯的結構性破壞，甚至部分瀝青路面在使用一兩年內就出現結構性破壞和功能性缺陷。其原因除材料、施工和超載等因素外，路面結構層厚度與模量組合設計不合理等亦是主要原因。中國現行瀝青路面設計主要采用力學-經驗法，它是通過固體力學方法計算路面結構的力學響應，如應力、應變與變形等，同時通過室內試驗、試驗路及在用道路破壞特征的跟蹤觀測與評價，并進行相應累計交通量統計分析，建立路面結構的破壞準則和結構抗力標準，通過力學響應量與結構抗力比較進行路面結構設計。主要以雙圓垂直均布荷載作用下的多層彈性理論為基礎，以路面結構層層底拉應力和路表彎沉值為設計指標，以路面各結構層厚度計算為核心進行瀝青路面設計，依據設計規范提供的材料參數值，在確定路面結構設計參數的基礎上，利用相應的彈性層狀體系設計分析軟件計算確定路面各結構層設計厚度。以路面各結構層厚度為核心的設計方法為瀝青路面設計提供了有效指導，但這種方法重視路面結構層厚度計算，卻忽略了路面結構厚度與模量優化組合設計，存在一定缺陷。相對而言，歐美等發達國家在瀝青路面設計中比較注重結構組合厚度與模量的設計，但至今仍無公認的理論體系。該文擬通過正交試驗對瀝青路面結構厚度與模量進行優化組合，分析各影響因素對各結構層評價指標的影響，并確定最優的結構組合方案。

1　正交試驗評價指標選取

根據瀝青路面結構組合特點，確定路面結構在交通荷載作用下的主要力學破壞模式，根據結構破壞模式確定評價指標。

（1）路表彎沉。路表彎沉反映路面的整體結構強度和剛度，為現行瀝青路面設計規范的設計指標之一，與各結構層強度及結構層間粘結情況有關，且受土基回彈模量的影響較大。

（2）層底彎拉應力。路面開裂是瀝青路面最主要的破壞形式，為現行瀝青路面設計規范的設計指標之一。這里采用結構層底拉應力為設計指標，以控制結構層疲勞開裂。

（3）瀝青層最大剪應力。在荷載作用下，瀝青路面可能發生剪切破壞。當結構內部剪應力超過材料的抗剪強度時就會發生剪切破壞，瀝青砼內部出現滑動，從而出現車轍損壞。這是目前中國高等級公路的主要破壞形式之一。

依據上述分析，選擇路表彎沉、層底彎拉應力和瀝青層最大剪應力作為正交試驗評價指標。

2　路面結構優化組合分析

2.1路面結構組合參數選取

原路面結構方案設計參數如表1所示。根據原設計方案路面結構組合及相應結構參數，選取各結構層厚度、模量水平值（如表2所示）。考慮到瀝青層在結構受力中不起主要承重層作用，故取與原設計方案相同的瀝青層參數。瀝青層以下結構為主要承重層，在正交分析中選取不同的參數，分析其對結構性能的影響。

為了評價瀝青路面結構在高溫下的抗剪性能，對瀝青路面面層內的剪應力狀況進行分析。因高溫下瀝青混合料的模量較常溫下的小，面層模量取值比彎沉與層底拉應力計算時的取值小；因基層、底基層模量受溫度影響很小，其取值與層底拉應力計算時的取值一致。

依據表2所確定的正交分析的影響因素（厚度、模量）及水平值，編制正交分析結構參數組合表（如表3所示）。

表1　原路面結構方案設計參數

表2　各結構層厚度、模量水平值

2.2各評價指標計算結果

依據表2、表3，對路表彎沉、層底拉應力、瀝青層剪應力分別進行18種方案的分析計算，計算結果如表4所示。

表3　正交分析結構參數組合

表4　各項指標的計算結果

續表4

2.3直觀分析

直觀分析方法通過簡單的數據分析，判別各影響因素的水平變動對評價指標的影響程度。計算方法是將每個因素水平下的所有計算值相加，取該水平下的平均值，并比較這些值兩兩之差絕對值的最大值，即極差。極差越大，說明該因素影響越大。表5為直觀分析計算結果，圖1為不同結構參數對評價指標影響的相對極差（將第一個影響因素即土基模量的影響極差定為1，將其他因素的影響極差值與第一個影響因素的極差值相比，得到相對極差）。

表5　各項指標的極差計算結果

續表5

從圖1可以看出：1）對于路表彎沉，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>墊層厚度>基層厚度>基層模量>墊層模量>底基層模量。土基模量對路表彎沉的影響程度遠高于其他因素，對于以路表彎沉為設計指標的路面設計，需重視對土基的處理。2）對于底基層層底拉應力，各因素的影響程度大小次序為底基層模量>墊層厚度>底基層厚度>基層厚度>基層模量>土基模量=墊層模量，其中底基層模量對底基層層底拉應力影響最大。3）對于基層層底拉應力，各因素的影響程度大小次序為底基層厚度>底基層模量>基層模量>墊層厚度>基層厚度=墊層模量>土基模量，其中底基層厚度對基層層底拉應力影響最大，其次為底基層模量，說明下承層對上層結構受力影響較大。4）對于下面層層底拉應力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>基層模量>底基層厚度>墊層厚度>底基層模量>墊層模量>基層厚度。土基模量越大，下面層層底所受壓應力越大。計算出的下面層層底拉應力為負值，說明下面層層底實際受力為受壓。5）對于中面層層底拉應力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>基層厚度>墊層厚度>墊層模量>底基層模量>基層模量。與下面層一樣，土基模量對中面層層底的壓應力影響最大。6）對于上面層層底拉應力，各因素的影響程度大小次序為基層厚度=底基層厚度>土基模量>基層模量>墊層厚度>墊層模量>底基層模量。基層與底基層厚度對其影響最大。7）對于瀝青層最大剪應力，各因素的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度=基層厚度>墊層厚度=墊層模量>底基層模量=基層模量。總體來說，瀝青層最大剪應力受結構層參數的影響不大，其中土基模量的影響最大。

圖1　不同結構參數對評價指標影響的相對極差

綜合上面的分析，可以看出：重視土基處理，對路面各項評價指標均具有重要作用，尤其是對于路表彎沉。瀝青層內最大剪應力受結構參數影響較小，瀝青路面防車轍設計難以從結構的角度去解決，更應重視材料抗剪切性能設計。

2.4綜合分析

由于在瀝青路面結構設計中必須保證每個設計指標和其對應的驗算指標均滿足相應要求，在選擇設計方案時，務必要兼顧到路面設計指標。以上僅對單個設計指標進行了極值分析，下面將各指標綜合在一起進行極值分析。

綜合評分方法是分析多指標問題的有效方法。根據各指標重要性的不同，按照得出的每組結果綜合分析，給每組結果評出一個分數，作為這組結果的總指標，根據這個總指標（分數），可進行相關極差分析，從而得出瀝青路面總體設計對各影響因素的敏感性。

該方法的關鍵是怎樣評分即如何確定指標的權重。上述評價指標均為保證路面不出現破壞而選取，其重要性是相同的，可直接將各指標的得分相加得到總的得分。指標值越小，相應的路面越安全，根據評價指標計算結果，將每個指標中第一個值作為基準值分數，確定為100分，其余得分按下式計算：

式中：vi為第i組計算的指標值；v0為得分為100的指標值。

將不同類型基層路面指標的得分相加得到綜合得分，按照直觀分析方法得到綜合得分（取基準值為水平1的均值，如表6所示），不同結構參數對綜合得分影響的相對極差如圖2所示。

表6　各項指標的綜合得分

圖2　不同結構參數對綜合得分影響的相對極差

從圖2可以看出：各因素對綜合得分的影響程度大小次序為土基模量>底基層厚度>基層模量>墊層厚度>墊層模量>底基層模量>基層厚度，土基模量的影響最大，其次為底基層厚度。為了保證結構的整體強度，需做好路基處理，保證路基具有一定的剛度，通過提高路基模量達到減小路表彎沉、增大路面整體剛度的目的。同時還要保證一定的底基層厚度。

3　組合優化方案的確定

計算指標值越小，相應路面越安全，故選取綜合得分最小時對應的結構參數為最終優化結構參數，以保證結構耐久性最好，結果如表6所示。優化后的瀝青路面結構方案如表7所示。

表7　優化后的瀝青路面結構方案

從表6、表7可以看出：對于基層模量D的優化結果取值為基層模量的最小值（水平1，D1），從結構受力協調性層面來講，并非是傳統認識上的基層模量越大越好，而應是采用降低基層模量以與其他結構層厚度模量相協調，達到改善瀝青路面結構內部應力狀態的目的。

通過上述綜合分析，瀝青路面結構設計時應采取適當柔化的方法，合理降低基層模量，使基層和瀝青面層具有合理的模量匹配，同時使半剛性基層和墊層、路基具有合理的模量匹配，達到整個路面結構剛度漸變、受力合理、變形協調的目的。

4　結論

（1）土基模量對各種路面結構各項力學指標均有較大影響，應重視土基的處理。

（2）瀝青層內最大剪應力受結構參數影響較小，瀝青路面防車轍設計難以從結構的角度去解決，更應重視材料抗剪切性能設計。

（3）并不是結構層模量越大，結構越強，只有各結構層厚度與模量合理匹配，才能得出最優的結構組合。

（4）在設計施工時應高度重視路基模量的選取，保證路基具有一定的剛度，通過提高路基模量達到減小路表彎沉、增大路面整體剛度的目的。底基層厚度對路面力學性能的影響較顯著，在設計時應合理選取底基層厚度，以節約成本，使路面受力更加合理，延長瀝青路面的使用壽命。

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1671-2668（2016）01-0111-07

2015-11-04