基于力學分析的瀝青路面單面層與雙面層結構研究

魯 高 群

(中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

涼山州雷波S307復建公路是溪洛渡水電站庫區的一條山區三級公路，是雷波縣通往西昌的主干道，常年經受重型礦車碾壓。該段道路自2013年5月通車至今，除少部分路面受地質災害影響進行了修復外，其余路面運行良好。本文相關設計參數選自第一標段土方路基段，路面結構設計為5 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C單面層+25 cm 5%水泥穩定碎石基層+20 cm 3%水泥穩定碎石底基層(底基層在巖石路基段取消)。根據JTG D50—2017公路瀝青路面設計規范(以下簡稱《規范》)中關于路面結構組合設計的要求，本文基于雷波S307復建公路工程實例，在基層厚度和強度足夠的情況下，路面作用荷載相同，層間接觸條件均按連續考慮，按照彈性層狀理論對瀝青路面單面層與雙面層結構進行了如下力學分析和探討。

1 擬定路面結構模型

本文擬定的兩種路面結構方案均采用半剛性基層，具有足夠的強度和厚度，瀝青面層下設置下封層，基層上設置透層。基層表面噴灑透層油滲入基層的深度宜不小于5 mm，再設置稀漿封層防水，提高了基層的整體性和穩定性，同時保證了面層與基層緊密結合，兩種路面結構層層間接觸條件均按連續考慮。

1)方案A(設計方案)：5 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C單面層+1 cm ES-3貫入式稀漿封層+25 cm 5%水泥穩定碎石基層+20 cm 3%水泥穩定碎石底基層。

2)方案B(比較方案)：3 cm熱拌瀝青混凝土AC-10C表面層+4 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C下面層+1 cm ES-3貫入式稀漿封層+25 cm 5%水泥穩定碎石基層+20 cm 3%水泥穩定碎石底基層。

下封層設置的目的是為了保護基層不被施工車輛破壞，利于半剛性材料養生，同時也為了防止雨水下滲到基層以下結構層內，以及加強層間結合而設置的結構層。由于下封層厚度較薄，方案A，B在進行結構層力學分析時均不考慮。

2 確定路面設計參數

2.1 交通量分析

根據《溪洛渡水電站S307瀘鹽路南田至坪頭段復建公路工程可行性研究報告》提出的預測交通量如表1所示。

表1 年日平均交通量預測表

根據表1計算可知，前5年平均增長率為5.3%，后3年平均增長率為4.5%，交通量年預測平均增長率γ取5%。根據《規范》要求，雷波S307瀝青混凝土路面的設計年限為8年，設計年限內一個車道上的累計標準軸載(100 kN)作用次數為Ne=597.857 3萬次，屬中型交通量。

2.2 路面材料設計參數確定

根據《規范》要求，結合《金沙江溪洛渡水電站S307線瀘鹽路南田至坪頭段復建公路施工圖設計》(審定本)，選取本路段路面材料設計參數如表2所示。

表2 雷波S307復建公路路面材料設計參數

2.3 土基回彈模量選定

由全國公路自然區規劃圖，路線所經地區屬公路自然區劃為Ⅴ4區，即川滇黔高原干濕交替區，填土高度一般大于2.0 m，路基填料一般為砂性土及碎石土。本線路基一般處于中濕～干燥狀態，根據《規范》要求，設計采用土基回彈模量E0=34 MPa～45 MPa，本文計算取E0=40 MPa。

2.4 路表面設計彎沉Ld計算

方案A與方案B的基層均為半剛性基層，根據《規范》要求，公路等級系數取1.2，面層類型系數取1.0，路面結構類型系數取1.0，兩方案路表面設計彎沉相同。路表面設計彎沉Ld=600Ne-0.2AcASAb=31.8(0.01 mm)。

2.5 各層材料容許層底拉應力計算

各層材料容許層底拉應力計算見表3。

σR=σSP/KS。

其中，σR為路面結構層材料的容許拉應力，MPa；σSP為結構層材料的極限抗拉強度，MPa，規范采用15 ℃極限劈裂強度；KS為抗拉強度結構系數。

表3 各層材料容許層底拉應力計算

3 路面結構層施工厚度分析

方案A和方案B瀝青混凝土面層均滿足《規范》中 “瀝青混合料的壓實最小厚度與適宜厚度”規定。根據《規范》中規定：水泥穩定類基層壓實最小厚度為150 mm，適宜厚度為180 mm～200 mm。

以上分析表明：本文擬定的單面層和雙面層厚度均滿足規范要求，路面底基層厚度適宜，基層厚度偏大，進一步表明，方案A符合沙慶林院士提出的“強基薄面”建設理論，通過認真處治路基病害，合理選擇基層結構，適當增加基層厚度，切實做好基層封水，提高基層的整體強度和穩定性，同時采用技術措施保障面層與基層緊密結合，能減少瀝青面層厚度，提高投資效益[1,2]。

4 瀝青路面路表彎沉比較

研究表明：瀝青路面路表彎沉值與面層和基層厚度、路基模量及層間結合程度有顯著關系[3]。本文采用路面結構設計程序HPDS計算出各方案的結構層頂面彎沉值如表4，表5所示。

表4 方案A各結構層頂面彎沉值

表5 方案B各結構層頂面彎沉值

由表4,表5中各結構層頂面彎沉值計算結果可知：

1)方案A路表計算彎沉為27.4(0.01 mm)，方案B路表計算彎沉為25.9(0.01 mm)，均小于路表設計彎沉值31.8(0.01 mm)，滿足規范要求。

2)相比方案A而言，方案B路表計算彎沉值更小，路面結構層抵抗垂直變形的能力更強，能夠更好的承受車輛荷載重復作用。

5 比較路面結構層彎拉應力

采用路面結構設計程序HPDS計算出各方案的結構層層底最大拉應力如表6，表7(未考慮綜合影響系數)所示。

表6 方案A結構層層底最大拉應力σm

表7 方案B結構層層底最大拉應力σm

由表6,表7中計算結果可知：

1)方案A和方案B各層層底最大拉應力σm小于相應各層層底容許拉應力σR，滿足規范要求。

2)與方案A相比，方案B表面層層底最大拉應力減小，下面層層底最大拉應力值增大，表明：增加瀝青層厚度，瀝青表面層彎拉應變減小，能夠更好的減少車輛荷載作用下產生的彎拉開裂，提高路面疲勞壽命可靠度[4]。

6 路面結構層抗剪切強度比較

研究表明：當路面結構中層間接觸條件為完全連續狀態條件下，瀝青路面結構不易遭受剪切破壞[5]。對于單面層與雙面層抗剪強度的比較，本文采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續體系理論進行多層體系厚度路表彎沉等效換算，查彈性三層體系表面最大剪應力諾模圖計算如圖1，圖2，表8所示。

表8 路表最大剪應力計算

方案參數等效厚度H/cm車輛緩慢制動時路表最大剪應力τm0.2/MPa車輛緊急制動時路表最大剪應力τm0.5/MPaA43.20.1590.549B58.40.1580.548

以上計算結果表明：方案A路表最大剪應力大于方案B路表最大剪應力，進一步表明：在高溫穩定性方面，方案A優于方案B，在相同的車輪垂直荷載與水平荷載共同作用下，方案A對壅包、推移、波浪剪裂等破壞的抵抗能力更好一些。

7 結論

根據分析結果可知，在相同的車輪垂直荷載與水平荷載共同作用下，最大剪應力隨面層或鋪裝層厚度、模量的增加而相應地變小，隨著半剛性基層厚度與模量的增加而變大[6,7]。方案A對壅包、推移、波浪剪裂等破壞的抵抗能力更好一些，另外，方案A更經濟、更節能環保。方案B路面結構層抵抗垂直變形的能力更強，能夠更好的承受車輛荷載重復作用，隨著瀝青層厚度增加，瀝青表面層彎拉應變減小，方案B能夠更好的減少車輛荷載作用下產生的彎拉開裂。

實踐表明：雷波S307三級公路項目按照“強基薄面”建設理論，采用5 cm厚AC-16C瀝青混凝土面層+25 cm厚水泥穩定碎石基層+20 cm厚水泥穩定碎石底基層(底基層在巖石路基段取消)的路面結構組合經濟合理，在抵抗車輛垂直荷載重復作用及抗拉裂能力等方面較差，但在水平抗剪能力方面更好，符合本項目為庫區復建公路主要通行地方中小型車輛的功能定位，在今后中、小交通量公路項目中的應用值得借鑒。