全柔性瀝青路面彎沉驗收標準研究*

李偉聰 龔僥斌

(廣東交科檢測有限公司1) 廣州 510420) (贛州市城鄉規劃設計研究院2) 贛州 341000) (廣州大學土木工程學院3) 廣州 510006)

0 引 言

全柔性基層瀝青路面結構為豐富我國長壽命路面結構型式，解決半剛性基層瀝青路面早期典型病害提供了良好的實踐平臺.然而，我國現階段缺乏有關柔性路面質量評定的相關標準，柔性路面的竣工驗收主要是參照半剛性基層瀝青路面而展開.針對不同的設計理念、受力模式，采用同一標準將導致彎沉驗收標準的不適應性.

林榕[1]針對我國現行規范規定的彎沉驗收標準中的不足之處，提出了基于含水量變化和半剛性基層材料回彈模量隨溫度、齡期的變化規律，給出了路表彎沉驗收公式；王璜[2]研究認為現行彎沉設計標準體系不適用于柔性基層的瀝青路面結構，根據柔性層總厚度對彎沉驗收值進行了界定；王理吉[3]通過分析新疆地區的氣候特點，提出了考慮季節、半剛性基層材料強度、檢測時間的路面彎沉驗收方法；劉衛平等[4]提出了新的F計算式，適用于厚瀝青混凝土層路面結構形式；高英等[5]引入材料的動態參數計算瀝青路面路表彎沉，并與路表實測彎沉進行比較，使瀝青路面設計中設計參數與控制指標狀態一致，并去除彎沉綜合修正系數及其不當影響；凌天清等[6]根據彈性層狀體系理論的計算結果，提出了半剛性基層瀝青路面彎沉的綜合修正系數公式.

綜上所述，現有研究考慮了地區、季節、材料強度、路面厚度等因素對路表彎沉的影響，豐富了現有彎沉驗收標準的內涵.然而，其研究對象主要是針對半剛性基層瀝青路面，對全柔性瀝青路面涉及較少，采用其研究成果仍會出現適應性不足.

因此，本文依托廣河全柔性瀝青路面結構型式，在大量現場實測數據、理論計算基礎上，分析了廣河高速彎沉普遍大于設計值的原因；基于可靠度的概念，進而提出了級配碎石層頂面及路表彎沉的F修正公式，研究成果可為柔性路面的彎沉驗收提供依據.1 工程概述廣河高速惠州段結構設計采用倒裝式柔性基層瀝青路面結構，上面層采用4 cm厚Sup-12.5、中面層7 cm厚Sup-19、下面層8 cm厚Sup-25，上基層9 cm厚ATB-25、下基層32 cm厚級配碎石、底基層15 cm厚水泥穩定碎石.半剛性材料作為底基層主要有兩個功能：①保護路基土，降低路基土頂面壓應力水平；②作為級配碎石的下臥層，有利于級配碎石的充分碾壓，同時由于級配碎石力學的非線性特點，可以提高級配碎石的模量.原設計文件給出的結構組成、材料設計參數、設計彎沉,以及各結構層頂面彎沉值見表1.

表1 廣河高速惠州段瀝青混凝土路面結構及設計彎沉

/cm/MPa/0.01mmHPDS2011/0.01mmBISAR3.0/0.01mm4SBSSup-12.51 4003024.6467SBSSup-191 20032.627.6498Sup-251 00040.534569ATB-251 2004544653230063607415110015514213540230233223

由表1可知，采用HPDS2011計算得到的彎沉值與設計彎沉值相差較小，基本處于一個水平；而采用BISAR3.0計算的得到的彎沉值普遍大于設計彎沉值.本文暫且不對設計彎沉的合理性進行討論，而是重點分析實測彎沉值與設計值、計算值的偏離程度.

在廣河高速公路施工過程中，對各結構層頂面彎沉進行逐段、逐層檢測，將實測值與設計值、計算值進行比較，見圖1.圖1的橫坐標為路段編號，每個路段的對應的彎沉代表值(縱坐標)由多個點位測試值計算得到.限于篇幅，僅給出土基、水泥穩定碎石、級配碎石、ATB頂面及路表彎沉代表值的情況.

圖1 各結構層頂面彎沉代表值分布情況

根據圖1及現場實測的數據，統計分析各結構層頂面彎沉合格率，見表2.

由表2可知，按照設計值、HPDS2011計算彎沉值、BISAR3.0計算彎沉值三種不同標準計算得到的合格率雖有一定的差異，但仍存在共性：土基和水穩層合格率均較高，而級配碎石層、ATB結構層合格率很低.

按照設計值、HPDS2011計算彎沉值計算得到的三層瀝青層頂面合格率較為一致，與按照BISAR3.0計算得到的合格率相差較大.根據文獻[2]的研究成果，認為HPDS計算的彎沉偏小、BISAR3.0計算的彎沉值偏大，且文獻[4]研究認為結構組合設計應注重結構和材料功能一體化，假設BISAR3.0計算值很精確，但結構層中仍有級配碎石和ATB彎沉結構組合不合理的弊端.

經對比分析，可以認為BISAR3.0計算的彎沉值偏大，造成面層彎沉值合格率偏高的假象.如此，進一步分析，可得級配碎石層及以上各層頂面彎沉合格率均很低.由此，造成本文研究的全柔性路面結構彎沉普遍不合格的根源在于級配碎石的合格率過低.

2 理論分析

為了驗證全柔性路面結構彎沉普遍不合格的原因，應用BISAR3.0計算軟件進行對比分析，試圖找到造成彎沉普遍不合格的根源.

因HPDS2011計算軟件無法設置材料參數，故不能體現材料參數的差異對彎沉值的影響，本文采用BISAR3.0計算軟件進行計算分析.計算過程假定層間完全連續，參照文獻[5]之規定：采用雙輪組單軸載100 kN 作為標準軸載，當量圓半徑為R=10.65 cm，輪胎接地壓強為p=0.7 MPa.

在其他結構層材料參數取值參照表1且保持不變的情況下，級配碎石模量取值范圍為100～400 MPa，變化值間距為50 MPa.提取路表彎沉(輪隙中心)及級配碎石層頂面彎沉值，見圖2a).同時，四層瀝青層模量整體變化幅度范圍為[-400，200] MPa，變化間距為100 MPa.如-400 MPa對應四層瀝青層由上至下的模量組合為(1 000,80,600,800 MPa),其中，上面層模量取值計算方法為1 400-400=1 000 MPa，余下類同.提取路表彎沉(輪隙中心)及級配碎石層頂面彎沉值，見圖2b).

表2 根據各標準值計算的合格率情況

/0.01mm/%HPDS2011/%BISAR3.0/%124.6～217.010010010073.7～162.795958055～1447711ATB-2569.8～146.8000Sap-2530～9121855Sap-1929.5～70807531～600095

圖2 彎沉值隨級配碎石模量和瀝青層模量變化規律

由圖2a)可得，在路面結構厚度和其他層位剛度不變的情況下，路表彎沉l和級配碎石頂面彎沉l0均隨著級配碎石層模量E1的增加而減小，特別是在E1較小時，下降趨勢較為明顯.在E1增加的過程中，Δl=l-l0變化很小，即減去級配碎石層、水穩層、土基三部分產生彎沉后，由瀝青層產生的彎沉值基本上保持不變.如當E1=100 MPa時，Δl=0.018 1 mm；當E1=400，Δl=0.019 9 mm.

圖2b)可得，在路面結構厚度和其他層位剛度不變的情況下，路表彎沉l和級配碎石頂面彎沉l0均隨著瀝青層模量E2的增加而減小，但下降幅度較小.級配碎石層模量由100 MPa增加至400 MPa時，路表彎沉下降了14.45(0.01 mm)，下降幅度為24.8%；瀝青層模量整體提高了600 MPa，路表彎沉下降了5.88(0.01 mm)，下降幅度為11.6%.

綜上分析可得，級配碎石層模量的變化對路表彎沉的影響遠大于瀝青層，級配碎石層模量較低時，雖瀝青層模量較高，但仍會造成路表彎沉較大.

3 彎沉修正及驗證

3.1 基于95%可靠度的彎沉修正

參考文獻[7]中可靠度的概念，以大量實測彎沉值為依據，考慮修正后的彎沉值大于實測值的可靠度為95%， 即假設廣河高速設計合理、結構方案正確的前提下，根據實測值對彎沉計算方法加以修正.

根據文獻[8]所提出的三層路面結構的路表輪隙彎沉值為

(1)

(2)

其中：p為標準軸載的輪胎接地壓強，MPa；δ為標準荷載圓半徑，δ=10.65 cm；E1為第一層材料回彈模量，MPa；E2為第二層材料回彈模量，MPa；E3為土基回彈模量值，MPa.

由文獻[9]可知：

(3)

(4)

將式(4)帶入式(3)可知：

ls=2 000δ×(1.63w)1.613×(p/E0)1.032

(5)

采用式(1)計算級配碎石層頂面的彎沉時，第一層為級配碎石層，第二層為水穩材料層，第三層為土基，材料參數取值參照表1.

根據前文分析得到級配碎石層彎沉合格率普遍偏低的現象，綜合式(3)～(5)可知，我國規范中的彎沉計算公式不適用于全柔性瀝青路面，根據現行公式計算造成全柔性路面的驗收標準過高，以致于合格率低,因此，可以考慮對現行規范的彎沉計算公式進行系數修正.以ls為因變量，則自變量中可以調整的有系數1.63、冪次項0.38和冪次項0.36.為了保證和現行規范公式的一致性，維持式(4)中冪次項0.38和冪次項0.36不變，對系數1.63進行修正.

應用SPSS進行線性回歸，將公式中的系數由1.63修正為2.363 5時，計算公式與現場實測數據吻合較好，且能滿足95%可靠度的要求.修正后的F值計算公式及彎沉值計算公式為

(6)

ls=2000δ×(2.363 5w)1.613×(p/E0)1.032

(7)

級配碎石層頂面和路表彎沉修正圖見圖3.修正后的路表彎沉值為43.5(0.01mm)，20個實測路段的彎沉代表值，有19個路段滿足，可靠度為95%.

圖3 彎沉修正

3.2 廣河高速惠州段交工驗收彎沉標準

為了驗證路表彎沉驗收標準的合理性，于2011年11月22—25日到現場采用貝克曼梁彎沉儀對廣河高速柔性路面路表彎沉進行了測試，結果見表3.

表3 廣河高速惠州段路表彎沉檢測結果

按照文獻[9]對表3中的彎沉代表值進行了溫度修正，根據修正后的彎沉值，現場測定的12個路段的代表彎沉值合格為11/12=92%.

4 使用效果

廣河高速于2011年底通車，運營至今將近7年，根據歷年對瀝青路面結構強度、破損、平整度、車轍、路表彎沉及滲水系數的跟蹤觀測，歷年的檢測結果表明廣河高速在運營期內并未出現結構性破壞，僅出現柔性路面較為常見的坑槽、裂縫等病害.表明文中關于廣河高速設計合理、結構方案正確的假設在合理范圍內.

由廣河高速實際營運情況可見，本文提出的基于可靠度的彎沉修正標準值合理，可以指導柔性路面的彎沉驗收工作.

5 結 束 語

針對廣河高速全柔性瀝青路面彎沉實測值較設計值普遍偏大、合格率低的現狀，對各結構層頂面實測值進行統計分析，結合理論分析結果，表明全柔性路面結構彎沉普遍不合格的根源在于級配碎石的合格率過低.

根據三層路面結構的路表輪隙彎沉值計算簡化公式，并基于可靠度理論，分析得到了滿足95%可靠度的F修正系數，以此確定了廣河全柔性瀝青路面的彎沉驗收標準值.

廣河高速通車七年之久，并未出現結構型破壞，驗證了本文提出的彎沉修正方法及彎沉驗收標準合理.