耐久性瀝青路面力學(xué)響應(yīng)及疲勞壽命預(yù)估研究

陳林，王樹杰

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210017）

耐久性瀝青路面力學(xué)響應(yīng)及疲勞壽命預(yù)估研究

陳林，王樹杰

（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210017）

通過Bisar軟件分析了耐久性瀝青路面瀝青層底彎拉應(yīng)變和基層層底彎拉應(yīng)變隨水泥穩(wěn)定碎石厚度、模量及級(jí)配碎石厚度變化的規(guī)律，并選擇合理的疲勞壽命預(yù)估模型對(duì)路面進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。結(jié)果表明，瀝青層底彎拉應(yīng)變、基層層底彎拉應(yīng)變隨著水穩(wěn)碎石厚度、模量和級(jí)配碎石厚度的增大而減小，但水穩(wěn)碎石厚度增大到36 cm以上時(shí)并不能有效減小層底彎拉應(yīng)變；通過瀝青路面疲勞壽命預(yù)估能更好地區(qū)分設(shè)計(jì)彎沉、容許彎沉對(duì)應(yīng)的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)，以實(shí)際彎沉反算的預(yù)估疲勞壽命能為后期路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇提供依據(jù)。

公路；耐久性瀝青路面；瀝青層底；彎拉應(yīng)變；水泥穩(wěn)定碎石；疲勞壽命

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，日趨繁重的運(yùn)輸業(yè)和對(duì)出行質(zhì)量的提升等對(duì)道路使用性能提出了更高的要求，耐久性瀝青路面成為改善道路使用質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命的研究熱點(diǎn)。

耐久性瀝青路面包括材料的耐久性和路面結(jié)構(gòu)的耐久性，其中材料的耐久性是指路面材料在使用期內(nèi)具有良好的高溫、低溫、疲勞及抗老化等性能，結(jié)構(gòu)的耐久性是指在外界環(huán)境因素和行車荷載作用下路面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。有關(guān)研究表明，在道路使用過程中，如果瀝青層底的彎拉應(yīng)變小于疲勞極限，則瀝青路面不會(huì)發(fā)生破壞。如果瀝青層底彎拉應(yīng)變大于疲勞極限，則瀝青路面會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。而無結(jié)構(gòu)性破壞是耐久性瀝青路面的核心。該文依托北京地區(qū)半剛性基層耐久性瀝青路面G108國(guó)道，利用Bisar軟件，通過改變半剛性基層結(jié)構(gòu)參數(shù)分析瀝青路面瀝青層底彎拉應(yīng)變、基層層底彎拉應(yīng)變的變化規(guī)律，并利用合理的壽命預(yù)估模型計(jì)算耐久性瀝青路面的壽命，驗(yàn)證設(shè)計(jì)承載力是否滿足要求，為類似半剛性基層耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

108國(guó)道（北京—昆明）是北京市道路網(wǎng)中西南部主要放射線，是北京城區(qū)與京郊門頭溝、房山地區(qū)聯(lián)系的重要交通紐帶。設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為山區(qū)一級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車速度為60 km／h，設(shè)計(jì)年限為35年。在108國(guó)道大修工程K14+107—827右幅鋪筑試驗(yàn)段，長(zhǎng)700多m，路面結(jié)構(gòu)為4 cm改性SMA-13+ 6 cm AC-20+12 cmATB-25+36 cm水泥穩(wěn)定碎石+20 cm級(jí)配碎石+土基。

1.1 路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

大量調(diào)查研究表明，普通瀝青混合料的疲勞極限約70με，改性瀝青混合料的疲勞極限約100με。對(duì)于半剛性基層，應(yīng)力強(qiáng)度比應(yīng)小于0.35，土基頂面壓應(yīng)變小于200με。為了研究半剛性基層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)耐久性瀝青路面的力學(xué)響應(yīng)，在原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過增加水穩(wěn)碎石、級(jí)配碎石厚度及選擇水穩(wěn)碎石不同模量來分析水穩(wěn)碎石、級(jí)配碎石厚度和水穩(wěn)碎石模量對(duì)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。瀝青路面結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)

1.2 交通荷載

對(duì)該試驗(yàn)路段各年交通量進(jìn)行調(diào)查與預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)路段各年交通量調(diào)查及預(yù)測(cè)結(jié)果

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該路段上通行的車輛中客車約占64%，貨車約占36%；貨車中大貨車約占35.5%，拖掛車約占26.5%，重車（大貨和拖掛車）約占總交通量的22%，大型車比重相當(dāng)高。根據(jù)京港澳（京石）高速公路大型車軸載調(diào)查成果，車輛的最大軸重達(dá)322 k N（見表3）。為了能較為真實(shí)地反映荷載情況，選取設(shè)計(jì)軸載為150 k N，根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到該路段的設(shè)計(jì)彎沉為24.70（0.01 mm）。

表3 京港澳高速公路最大軸重調(diào)查結(jié)果

2 層底彎拉應(yīng)變分析

利用Bisar軟件，根據(jù)路面結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)條件對(duì)瀝青層底和基層層底彎拉應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算，分析水穩(wěn)碎石、級(jí)配碎石厚度及水穩(wěn)碎石抗壓模量對(duì)層底彎拉應(yīng)變的影響。計(jì)算中采用的軸載為150 k N，荷載方式為雙圓均布荷載，層間接觸條件設(shè)定為不完全光滑接觸。

2.1 瀝青層底彎拉應(yīng)變分析

如圖1所示，在相同水穩(wěn)碎石抗壓模量下，瀝青層底彎拉應(yīng)變隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大而減小，表明半剛性基層材料厚度對(duì)瀝青面層力學(xué)狀態(tài)有著明顯的影響，水穩(wěn)碎石厚度越大則瀝青層底彎拉應(yīng)力越小，瀝青路面的疲勞破壞減少，耐久性增強(qiáng)，使用壽命增大。但基層厚度增加會(huì)使道路修建成本增加、環(huán)境污染增大，且水穩(wěn)碎石厚度為30 cm時(shí)的瀝青層底彎拉應(yīng)變明顯大于厚度為36和40 cm時(shí)，但增大到36和40 cm時(shí)，瀝青層底彎拉應(yīng)變相差很小，可見厚度增大并不能帶來路面性能的最大化，不能有效減少層底彎拉應(yīng)變，故路面設(shè)計(jì)時(shí)需合理選擇水穩(wěn)碎石厚度。另外，在一定水穩(wěn)碎石厚度下，隨著水穩(wěn)碎石模量的增大，瀝青層底彎拉應(yīng)變逐漸減小，路面設(shè)計(jì)時(shí)要合理選擇基層材料模量，取值太小過于保守，取值太大則不夠安全。

圖1 不同水穩(wěn)碎石厚度下抗壓模量與瀝青層底彎拉應(yīng)變的關(guān)系

如圖2所示，瀝青層底彎拉應(yīng)變隨著級(jí)配碎石厚度的增大而減小，表明級(jí)配碎石的設(shè)置對(duì)瀝青路面有利，能降低瀝青層底受力，減少疲勞破壞，延長(zhǎng)使用壽命。實(shí)際上，根據(jù)彈性層狀體系理論，隨著結(jié)構(gòu)層本身及其下承層模量和厚度的增加，結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變必然減小，且減小幅度逐漸平緩，但此時(shí)面層的剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，不利于抗車轍要求，故結(jié)構(gòu)層厚度選擇是一個(gè)較為復(fù)雜的問題。

圖2 級(jí)配碎石厚度與瀝青層底彎拉應(yīng)變的關(guān)系

2.2 基層層底彎拉應(yīng)變分析

如圖3所示，基層層底彎拉應(yīng)變隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大而逐漸減小。當(dāng)水穩(wěn)碎石厚度30 cm時(shí)，基層層底彎拉應(yīng)變變化幅度最大；水穩(wěn)碎石厚度為36和40 cm時(shí)，基層層底應(yīng)變變化幅度相當(dāng)。表明水穩(wěn)碎石厚度對(duì)基層層底彎拉應(yīng)變的影響較大，與瀝青層底情況類似，水穩(wěn)碎石厚度增大能減少基層層底開裂，有效防止瀝青面層發(fā)生破壞，但厚度過大會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)不適性。另外，在一定水穩(wěn)碎石厚度下，隨著水穩(wěn)碎石模量的增大，基層層底彎拉應(yīng)變變

化較小，故瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)材料模量的取值要盡量避免極端值。

圖3 不同水穩(wěn)碎石厚度下抗壓模量與基層層底彎拉應(yīng)變的關(guān)系

如圖4所示，隨著級(jí)配碎石厚度的增大，基層層底彎拉應(yīng)變逐漸減小，接近線性變化，表明兩者存在較為緊密的聯(lián)系。增大級(jí)配碎石厚度能減少基層層底的破壞，傳遞到基層的荷載應(yīng)力能通過級(jí)配碎石均勻地釋放到土基，增大瀝青路面的使用壽命，這與耐久性瀝青路面的理念相符。

圖4 級(jí)配碎石厚度與基層層底彎拉應(yīng)變的關(guān)系

3 耐久性瀝青路面壽命預(yù)估

3.1 瀝青路面的理論彎沉與實(shí)際彎沉

路表彎沉表征路面的整體承載力，是瀝青路面設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。因此，有必要對(duì)不同荷載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉進(jìn)行計(jì)算，并研究不同水穩(wěn)碎石厚度對(duì)路表彎沉的影響。

先利用層狀彈性體系理論，通過Bisar軟件計(jì)算理論彎沉ll；再根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》中的實(shí)際彎沉計(jì)算公式，通過彎沉綜合修正系數(shù)F對(duì)理論彎沉進(jìn)行修正，得到實(shí)際彎沉ls。選取標(biāo)準(zhǔn)軸載100 k N和設(shè)計(jì)荷載值150 k N作為計(jì)算荷載，水穩(wěn)碎石厚度取30、36、40 cm，級(jí)配碎石厚度取20 cm，水穩(wěn)碎石模量取1 500 MPa，其他面層厚度和材料模量為設(shè)計(jì)值，計(jì)算結(jié)果見表4。

由表4可看出：水穩(wěn)碎石厚度和軸載條件對(duì)理論彎沉、實(shí)際彎沉都會(huì)產(chǎn)生較大影響。隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大，理論彎沉與實(shí)際彎沉逐漸減小，這種變化與層狀彈性體系計(jì)算理論相吻合。150 k N軸載條件下的彎沉值明顯大于標(biāo)準(zhǔn)軸載時(shí)，可見在路面設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)軸載的選擇尤為重要，偏大或偏小都會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果不合理，偏大會(huì)使設(shè)計(jì)結(jié)果偏于保守，偏小則設(shè)計(jì)結(jié)果容易不滿足要求。該路段的實(shí)際彎沉為23.96（0.01 mm），小于設(shè)計(jì)彎沉24.70（0.01 mm），說明各結(jié)構(gòu)層的厚度設(shè)計(jì)合理，滿足設(shè)計(jì)彎沉要求。而其他兩種水穩(wěn)碎石厚度對(duì)應(yīng)的實(shí)際彎沉要么不滿足彎沉設(shè)計(jì)要求，要么彎沉滿足設(shè)計(jì)要求，但水穩(wěn)碎石厚度過大，從經(jīng)濟(jì)性上考慮不合理。這也說明路面設(shè)計(jì)中對(duì)各結(jié)構(gòu)層厚度的優(yōu)化很重要。

表4 不同軸載和水穩(wěn)碎石厚度條件下路表彎沉計(jì)算結(jié)果

3.2 瀝青路面壽命預(yù)估

耐久性瀝青路面的最大特點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)，故對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估具有重要意義。要較為準(zhǔn)確地計(jì)算疲勞壽命，需選擇合適的疲勞方程。鑒于室內(nèi)疲勞試驗(yàn)與實(shí)際工程的差別導(dǎo)致按照室內(nèi)試驗(yàn)推導(dǎo)出的疲勞方程所計(jì)算的疲勞壽命與實(shí)際疲勞壽命存在偏差，這里根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉和容許彎沉的概念，嘗試以此反算瀝青路面的壽命。

目前中國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)采用的是破壞狀態(tài)設(shè)計(jì)法，其失效準(zhǔn)則以容許彎沉為指標(biāo)，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以設(shè)計(jì)彎沉為指標(biāo)。后者通過前者表征的破壞準(zhǔn)則與彎沉的衰變規(guī)律建立而來，并且設(shè)計(jì)彎沉和容許彎沉的計(jì)算公式是經(jīng)過大量路面調(diào)查及路表彎沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的，設(shè)計(jì)彎沉以瀝青路面出現(xiàn)縱向裂縫為標(biāo)準(zhǔn)，容許彎沉以瀝青路面表面出現(xiàn)大量網(wǎng)狀裂縫為標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過設(shè)計(jì)彎沉和容許彎沉可反算出兩個(gè)壽命，分別對(duì)應(yīng)瀝青路面的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)。對(duì)于目前瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)計(jì)彎沉計(jì)算公式，鄭健龍認(rèn)為該公式是對(duì)路面通車4～6年測(cè)得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的，而對(duì)于設(shè)計(jì)年限15年以上的需對(duì)該公式進(jìn)行修正，修正后得到的建議設(shè)計(jì)彎

沉公式為ls=530Ne-0.2AcAbAs，容 許彎 沉 值公 式為lr=720Ne-0.2AcAbAs。采用這兩類瀝青路面疲勞壽命反算公式計(jì)算疲勞壽命，第一類由容許彎沉公式反算，疲勞壽命為：

第二類由建議設(shè)計(jì)彎沉公式反算，疲勞壽命為：

式中：ls為修正過的實(shí)際計(jì)算彎沉值，系數(shù)均為1。

根據(jù)上述兩類疲勞壽命計(jì)算公式對(duì)該路段進(jìn)行疲勞壽命預(yù)估，結(jié)果見表5和表6。

表5 第一類疲勞壽命預(yù)估結(jié)果

表6 第二類疲勞壽命預(yù)估結(jié)果

由表5、表6可看出：預(yù)估的疲勞壽命隨著水穩(wěn)碎石厚度的增加而增大，隨著作用軸載的增大而減小，并且幅值較大，表明結(jié)構(gòu)層厚度及作用軸載對(duì)路面疲勞壽命有很大影響。另外，總體上瀝青路面第一類預(yù)估疲勞壽命大于第二類預(yù)估疲勞壽命，這與兩類預(yù)估疲勞壽命模型公式有直接關(guān)系，并且通過數(shù)據(jù)大小能更直觀地區(qū)分和理解設(shè)計(jì)彎沉、容許彎沉分別對(duì)應(yīng)著臨界狀態(tài)、破壞狀態(tài)，即當(dāng)路面疲勞壽命達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，路面并沒有喪失大部分功能，還能繼續(xù)服役；隨著對(duì)路面的繼續(xù)使用，當(dāng)疲勞壽命達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)，路面已基本失去使用性能，無法滿足使用要求，需采取措施進(jìn)行修復(fù)。根據(jù)疲勞壽命預(yù)估結(jié)果，該路段預(yù)估壽命累計(jì)當(dāng)量軸次5 295 967大于設(shè)計(jì)累計(jì)當(dāng)量軸次4 548 776，路面的承載力滿足設(shè)計(jì)要求。此外，以實(shí)際彎沉反算的疲勞壽命大于以理論彎沉反算的疲勞壽命，說明通過彎沉綜合修正系數(shù)對(duì)理論彎沉進(jìn)行修正可使瀝青路面設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，對(duì)路面結(jié)構(gòu)、材料的選擇更加合理，同時(shí)以實(shí)際彎沉反算的預(yù)估疲勞壽命可為后期路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇提供依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）耐久性瀝青路面瀝青層底彎拉應(yīng)變、基層層底彎拉應(yīng)變隨著水穩(wěn)碎石厚度、模量的增大而減小，但當(dāng)厚度增大到36和40 cm時(shí)，瀝青層底彎拉應(yīng)變相差很小，表明厚度的增大并不能有效減小層底彎拉應(yīng)變。另外，彎拉應(yīng)變隨著級(jí)配碎石厚度的增大而減小，級(jí)配碎石的設(shè)置能降低瀝青層底受力，減少疲勞破壞，延長(zhǎng)使用壽命。但隨著結(jié)構(gòu)層本身及其下承層模量和厚度的增加，面層的剪應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，不利于抗車轍要求，故對(duì)結(jié)構(gòu)層厚度的選擇需慎重。

（2）根據(jù)以理論彎沉和以實(shí)際彎沉反算的瀝青路面疲勞壽命，能更直觀地區(qū)分設(shè)計(jì)彎沉、容許彎沉分別對(duì)應(yīng)著瀝青路面的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)。采用彎沉綜合修正系數(shù)對(duì)理論彎沉進(jìn)行修正，可使瀝青路面設(shè)計(jì)更加準(zhǔn)確，對(duì)路面結(jié)構(gòu)、材料的選擇更加合理。以實(shí)際彎沉反算的預(yù)估疲勞壽命可為后期路面養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)選擇提供依據(jù)。

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