行車荷載下不同瀝青路面結構動力響應測試分析

黃晚清，曹明明，游 宏

(四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

半剛性基層瀝青路面在我國應用極為廣泛，眾多學者和技術人員也進行了大量研究和工程實踐，但半剛性基層瀝青路面裂縫難以有效解決，裂縫本身對路面性能影響不大，但在多雨地區，雨水一旦滲入，在行車荷載反復作用下極易出現唧漿等病害，特別是當裂縫貫穿整個路面結構層導致路基頂部產生唧漿病害的維修極為棘手。20世紀80年代末，國外開始采用在半剛性基層與瀝青層之間設置級配碎石過渡層的倒裝式瀝青路面結構[1]，該結構充分利用了級配碎石過渡層良好的抗反射裂縫和排水性能。我國早期在一些高速公路進行了倒裝式瀝青路面結構試驗研究[2]。2000年以后安徽、福建省已經提出了各自的倒裝式瀝青路面典型結構。

瀝青路面結構的動力響應對路面設計和性能評估具有重要的指導作用，文獻[3-4]介紹了我國RIOHTRACK環道路面結構與材料設計、試驗概況和初步成果；文獻[5]對半剛性基層瀝青路面現場測試表明，瀝青層層底應變峰值隨車速增加逐漸減小；文獻[6]對半剛性瀝青路面基層頂面豎向應力和瀝青層底拉應變的仿真分析和試驗測試表明，二者隨車速提高不斷減小。文獻[7]研究柔性路面結構發現，車速增大，內部應力增加，但增幅與AASHTO的相差較大；而柔性路面的現場測試則表明[8]，車速增大，瀝青層層底應變大幅減小；文獻[9]現場實測了車速對柔性路面瀝青層層底應變、基層和路基頂面豎向應力的影響，結果表明瀝青層層底應變受其影響顯著，而對基層和路基頂的豎向應力幾乎無影響；美國環道試驗表明，溫度也會影響行車速度與路面結構動力響應的關系[10]。

上述研究結果表明，不同結構瀝青路面在行車荷載作用下動力響應表現不一，文獻[11]的數值計算結果表明，路面結構動力響應隨軸重增加而增加, 隨車速增加而減小, 但軸重和車速對不同動力響應參數的影響不同；文獻[12]的有限元計算結果表明，倒裝式瀝青路面面層層底拉應力隨軸載增加近似呈線性遞增，且面層層底拉應力明顯小于傳統半剛性基層瀝青路面面層層底拉應力。國內對倒裝式瀝青路面結構動力響應研究很少，現場動力響應測試更是鮮有報道。依托四川遂寧至廣安高速公路試驗段，以瀝青層層底應變、級配碎石過渡層和路基頂部豎向壓應力為主要指標，現場測試分析不同基層瀝青路面結構在不同行車速度下的動力響應。

1 試驗段路面結構形式及測試方案

1.1 試驗段路面結構形式

3種試驗段路面結構如表1所示，結構總厚度均為89 cm。

表1 試驗段路面結構(單位：cm)Tab.1 Pavement structure of test section(unit：cm)

1.2 測試元件布置

選用的測試元件類型、測試指標和埋設層位如表2所示，其平面布置，如圖1所示(以結構S2為例)；其中結構S2和結構S3傳感器布設位置一致，結構S1無級配碎石過渡層，則該結構內未布置垂直大變形應變計和土壓力計。

表2 測試元件類型、指標和埋設層位Tab.2 Types, indicators and embedding positions of sensing elements

圖1 結構S2測試元件布設圖(單位：cm)Fig.1 Layout of sensing elements in structure S2 (unit: cm)

1.3 測試方案

本次測試采用單后軸貨車(圖2)，前軸胎壓0.7 MPa，后軸胎壓1.1 MPa。測試采用最大行車速度為40 km/h，部分工況下最大行駛速度為60 km/h，采樣頻率為1 kHz。

圖2 單后軸貨車示意圖(單位：cm)Fig.2 Schematic diagram of single rear axle truck (unit: cm)

2 路面結構動力響應測試分析

2.1 瀝青層層底動應變響應分析

瀝青層層底應變是評價瀝青路面結構性能的最主要指標之一，現行瀝青路面設計規范[13]以瀝青層層底拉應變為路面結構疲勞驗算指標。圖3～圖4為S1,S2 和S3瀝青層層底縱向應變(行車方向)實測曲線。可看出，行車速度對瀝青層層底縱向應變影響顯著：速度增大，3種結構瀝青層層底縱向拉、壓應變值均減小。不同結構的荷載動力響應變化趨勢相同，但拉應變與壓應變隨速度的變化梯度不同，3種結構的拉應變變化梯度均較壓應變大，該結果與文獻[14]基于柔性瀝青路面類似的現場測試結果相吻合。

圖3 瀝青層層底縱向應變與車速關系Fig.3 Relation between longitudinal strain at bottom of asphalt layer and speed

圖4 瀝青層層底縱向應變循環幅值與車速關系Fig.4 Relation between longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer and speed

從應變循環幅值(拉、壓應變峰值之差)指標看，3種結構瀝青層層底應變循環幅值均隨行車速度增大而減小，但不同結構的應變循環幅值變化梯度不同。當車速由5 km/h提高到40 km/h時，倒裝結構S2、S3的瀝青層層底縱向應變循環幅值降低48%～57%和27%～53%，而半剛性基層結構S1卻降低70%～90%，遠大于倒裝結構，表明就瀝青層層底縱向應變循環幅值指標而言，半剛性基層結構對車速的敏感性大于倒裝式結構。進一步比較同屬倒裝結構S2和S3，瀝青層層底縱向應變循環幅值對行車速度的敏感性總體大于S3，這主要因S2結構瀝青層較薄。

圖5 瀝青層層底橫向應變與車速關系Fig.5 Relation between transverse strain at bottom of asphalt layer and speed

如圖5所示，3種路面結構瀝青層層底橫向應變與車速均呈現相同變化趨勢，即車速增加，應變峰值減小。該變化規律與縱向應變類似，且橫向應變受車速影響的敏感程度與路面結構有關。但與縱向應變不同的是，行車荷載下的橫向壓應變值很小，表明對橫向(垂直行車方向)而言，瀝青層層底拉應變(非拉、壓循環)是導致瀝青層開裂的主要原因。

2.2 路基頂面動力響應分析

由圖6所示的路基頂面豎向壓應力與車速的關系曲線可知，在測試荷載作用下，路基頂面土壓力總體均較小，表明試驗段3種路面結構均具有較強的結構承載能力。相同軸重和速度下，結構S1路基頂面的壓應力遠小于S2和S3，表明結構S1對荷載的擴散能力大于S2和S3。究其原因，盡管3種路面結構總厚度相同，但結構S1的水泥穩定碎石層相對較厚，由于水泥穩定碎石層的擴散角相對較大，結構S1在路基頂面的荷載擴散范圍相對較大(見表3)，從而使得其下路基頂面壓應力相對較小。其中，水泥穩定碎石、級配碎石和瀝青混凝土擴散角分別選用45°,35°和26.5°[15-17]。取值主要考慮水泥穩定碎石成型后為板體結構，荷載擴散能力較強；級配碎石顆粒間無黏結材料，具有消散應力的作用；瀝青混合料具有明顯的黏滯阻尼特性，尤其在高溫條件下，荷載擴散能力較前二者差。

動土壓力的測試結果表明設置級配碎石過渡層的路面結構需要更高的路基強度，這正是倒裝結構出現的根本原因之一，即為補償路基強度不足，避免在重交通荷載作用下路面產生結構破壞，需在級配碎石過渡層下設置水泥穩定碎石層。但另一方面，在路面結構實際服役過程中，由于半剛性基層瀝青路面不可避免出現裂縫，路面一旦開裂特別是裂縫貫穿整個路面結構層，在南方多雨地區大量雨水將會滲入滯留在路基頂面、軟化路基，在行車荷載引起動水壓力的反復作用下，細粒土被擠出，進一步惡化路基支撐條件，大大降低路面結構的承載能力；而倒裝式路面結構S2和S3，由于級配碎石過渡層的排水和抗反射裂縫作用，會有效避免這一現象，從而保證了路面結構服役過程中的承載穩定性。

圖6 路基頂面豎向壓應力與車速關系Fig.6 Relation between vertical compressive stresses at top of subgrade and speed

表3 3種瀝青路面結構荷載擴散范圍Tab.3 Load disperse range of 3 asphalt pavement structures

3種路面結構下路基頂面土壓力隨車速的變化似乎與軸重有關，即在較小軸重作用下，路基頂面土壓力隨車速變化不明顯或總體不變，重荷載作用下，路基頂面土壓力隨速度提高略有增大。通常將5 km/h 速度視作靜載，隨測試速度提高動載效應增加，表現為土壓力增大；由于路面結構厚度較大，荷載經路面結構層擴散，加之土壓力傳感器分辨率有限，當軸載較小時，難以捕捉到路基土壓力的細微變化，表現為總體不變。

2.3 過渡層動力響應分析

以倒裝式結構S3為例，研究過渡層底部豎向壓應力和過渡層豎向位移隨車速的變化關系，見圖7和圖8。可知，過渡層豎向壓應力和豎向位移均隨行車速度的提高而減小。由于級配碎石過渡層緊鄰瀝青層下，瀝青混合料的黏彈塑性及碎石散粒體材料復雜的非線性特征使過渡層豎向壓應力和應變出現這一變化規律。

圖7 結構S3過渡層底部豎向壓應力與車速關系Fig.7 Relation between vertical compressive stresses at bottom of transition layer of structure S3 and speed

圖8 結構S3過渡層豎向位移與車速關系Fig.8 Relation between vertical displacement of transition layer of structure S3 and speed

2.4 軸重對動力響應影響分析

各車速下不同軸重荷載作用的瀝青層層底縱向應變幅值和路基頂土壓力如圖9和圖10所示。相同車速下，3種路面結構瀝青層層底縱向應變循環幅值和路基頂土壓力隨軸重增加而增大，且半剛性基層瀝青路面的增幅相對更大，表明半剛性基層瀝青路面對荷載更為敏感，倒裝式瀝青路面結構對荷載的適應性更強。

圖9 軸重對瀝青層底縱向應變循環幅值的影響Fig.9 Influence of axial load on longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer

圖10 軸重對路基土壓力的影響Fig.10 Influence of axial load on soil pressure of subgrade

3 車輛制動下的動態響應分析

公路瀝青路面結構驗算不考慮水平荷載，主要因車輛正常行駛時路面結構內的水平作用遠遠小于豎向作用。但在車輛頻繁制動、減速或起步、加速路段，路面易出現波浪、擁包和車轍等病害。采用單后軸貨車(后軸重11.48 t)荷載，在結構S3路段以點剎方式減速進行現場測試。采用文獻[18]的簡化方式，不考慮制動過程中車速變化對動態響應的影響，實測路面動力響應見表4和表5。

表4 車輛制動對瀝青層層底應變影響Tab.4 Influence of vehicle braking on strain at bottom of asphalt layer

表5 車輛制動對豎向力學指標響應影響Tab.5 Influence of vehicle braking on response of vertical mechanical indicator

表4和表5結果表明，相對正常行駛，車輛制動會引起瀝青層層底縱(橫)向應變峰值大幅增加，層底應變循環幅值大幅增加，由此可推斷，頻繁制動剎車會加快瀝青層的疲勞破壞；考察殘余應變指標發現，制動同時引起瀝青層底縱(橫)向殘余應變發生劇變，表明制動剎車極大增加了路面車轍、推移和擁包等變形病害發生的幾率；與瀝青層不同的是，車輛制動對路基頂壓應力、級配碎石過渡層豎向位移和底部豎向壓應力的影響相對較小。

4 基于現場實測數據疲勞壽命預估

鑒于目前沒有倒裝式瀝青路面結構的疲勞模型，故借鑒文獻[15]的疲勞方程，以不同荷載工況下現場實測瀝青層層底拉應變預估瀝青層疲勞壽命，并以此作為各路面結構的疲勞壽命。室內試驗確定結構S1，S2和S3下面層的瀝青飽和度分別為71.6%，70.5%和62.8%。動態模量(46 ℃)分別取1 447，1 212 MPa和992 MPa。溫度調整系數取1.46。該高速公路沿線季節性凍土地區調整系數取1.0。不同工況下預估S1，S2和S3的疲勞壽命見表6。可看出，軸重減小和車速增加均有利于延長瀝青路面的疲勞壽命，半剛性基層瀝青路面疲勞壽命對軸重和行車速度的敏感性大于倒裝式瀝青路面結構。值得指出的是，該預估壽命沒有考慮路面結構的差異，也沒有充分考慮半剛性基層瀝青路面開裂后雨水浸入加速結構破壞的影響。

表6 瀝青層疲勞壽命預估Tab.6 Prediction of asphalt layer fatigue life

5 結論

(1)3種路面結構瀝青層層底應變均隨行車速度增加而減小，但縱向拉應變相對壓應變下降更快；縱向循壞應變幅值隨車速增加而減小的敏感程度受路面結構特征影響顯著，傳統半剛性基層結構S1較倒裝結構S2和S3更敏感。

(2)路基頂面土壓力總體均較小，相同軸重和速度下結構S1的路基頂面壓應力遠小于S2和S3，表明3種路面結構均具有較強的結構承載能力，且結構S1對荷載的擴散能力優于S2和S3。路基頂面土壓力隨車速的變化似乎與軸重有關，即在較小軸重作用下，路基頂面土壓力隨車速變化不明顯或總體不變，重荷載作用下，路基頂面土壓力隨速度提高略有增大。

(3)受瀝青混合料黏彈塑性和級配碎石材料非線性影響，緊鄰瀝青層下的級配碎石過渡層的底部豎向壓應力和過渡層豎向位移均隨行車速度的增加而減小。

(4)相同車速下，3種路面結構瀝青層層底縱向應變循環幅值和路基頂土壓力均隨軸重增加而增大，且半剛性基層瀝青路面的增幅相對更大，表明半剛性基層瀝青路面對荷載更為敏感，倒裝式瀝青路面結構對荷載的適應性更強；在疲勞壽命方面，倒裝式瀝青路面結構對荷載敏感性遠小于半剛性基層瀝青路面。

(5)制動剎車導致瀝青層層底殘余應變急劇增大，驗證了頻繁制動剎車會引起路面車轍、推移和擁包等變形病害發生的現象；車輛制動還會導致瀝青層層底縱、橫向應變大幅增加、應變循環幅值大幅增加，表明頻繁制動剎車將加速路面瀝青層疲勞破壞。