半剛性瀝青路面結構強度綜合評價方法研究

鄒曉明 姚新宇 滿新耀 劉宇

摘要：為進一步研究路面結構強度不同評價方法在廣西地區半剛性瀝青路面的適用性，文章通過FWD采集廣西典型高速公路瀝青路面指標，并通過現行養護規范法、水穩層底面應變法、模量衰減法、路表彎沉法計算評價路面結構強度。經驗算對比，其強度系數、上水穩層底面拉應變和損傷度指標具有良好的對應關系，可為廣西地區半剛性瀝青路面結構強度評價的準確性、路面壽命評估與養護決策規劃提供參考依據。

關鍵詞：瀝青路面;結構強度;強度系數;拉應變;損傷度

0 引言

目前，國內外還沒有普遍接受的評價瀝青路面結構強度的方法。美國采用結構數SN評價路面結構強度[1-4]，但仍未成為權威方法，研究還在進行中。我國現行瀝青路面養護規范采用設計彎沉與當前實測彎沉的比值來評價路面結構強度[5]。然而，確定結構層厚度的指標是水穩基層和瀝青層疲勞強度，而非設計彎沉，因此該方法未必合理。此外，我國還有學者通過研究半剛性材料疲勞性能[6]、路面材料模量衰變[7]、路面破損狀況與彎沉[8]等指標間接評價路面結構強度與使用壽命。但上述成果結論適用性均未在廣西地區高速公路得到驗證。本文通過現行養護規范法、水穩層底面應變法、模量衰減法、路表彎沉法計算評價廣西某典型高速公路半剛性瀝青路面，為廣西地區瀝青路面結構強度評價的準確性、路面壽命評估與養護決策規劃提供參考依據。

1 路面數據采集與結構層模量反算

1.1 路面數據采集方案

采用落錘式彎沉儀檢測路面彎沉，共有7段檢測慢車道右輪跡彎沉，每段500 m，其中2個路段同時檢測快車道、慢車道和路肩。僅檢測完好處路面，不檢測有病害路面。現場測試時是冬季，日間氣溫為15 ℃～20 ℃，按現行規范方法對9個測點彎沉檢測結果作了溫度修正。FWD測點與荷載板中心距離見下頁表1。共設9個傳感器，其中第9個傳感器位于荷載板左側，距中心點30 cm。FWD檢測時，施加3級荷載，然后按線性回歸后計算荷載為50 kN對應的彎沉（這時承載板底壓應力為0.7 MPa，采用實測彎沉盆反算結構層模量，用于路面結構荷載應力和應變分析。

1.2 結構層模量反算

本文采用美國AASHTO《路面結構設計指南》計算地基模量，分別采用距荷載板中心1 200 mm、1 500 mm處彎沉計算后取平均值，然后將路基模量作為已知參數輸入SIDMOD軟件反算其他結構層模量。采用SIDMOD反算瀝青層和水穩層模量時，彎沉盆采用8個彎沉點50 kN對應的彎沉值平均值，每個路段測點數約為30～35個;反算模量時，瀝青層厚度采用路段芯樣平均值，水穩層厚度為設計厚度，取540 mm。路面結構圖及力學模型見圖1和圖2。

本次檢測2個路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行），分別檢測了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結構層模量，結果見表2。反算的模量值用于路面結構層應力和應變分析。

2 現行養護規范法評價路面結構強度

根據現行《公路技術評定標準》（JTG5210-2018）[9]結構強度系數評價路面強度標準見表3。路面結構強度指數SSR計算式為：

根據設計文件，該高速公路施工時的設計彎沉值通過貝克曼梁與FWD相關性換算后為LFWD=199 μm，FWD實測路面彎沉值與所計算的路面結構彎沉值列于表4。

由表4可見，7個檢測路段的慢車道、快車道和路肩等共11個車道的結構強度系數均>0.95，表明路面結構強度達到優等，現行養護規范法無法預測路面剩余疲勞壽命。慢車道路面結構強度系數<快車道路面結構強度系數<路肩路面結構強度系數，顯然路面結構強度隨著行車作用次數增加而不斷衰減。

3 水穩層底面應變法評價路面結構強度

本文根據實測彎沉盆平均值采用SIDMOD軟件反算了瀝青層、水穩層模量，而路基模量則根據美國AASHTO《路面結構設計指南》計算地基模量，根據結構層模量應用BISAR軟件計算上水穩層和下水穩層

底面拉應變，結果列于表5。表中計力學模型為瀝青層與上水穩基層連續、上水穩層與下水穩層分離，詳見圖3。

有研究者進行了室內水泥穩定碎石材料小梁四點彎曲疲勞試驗，應力水平S=0.5～0.8。結果表明：小梁模量隨荷載作用次數不斷降低，底面拉應變不斷增大，至疲勞破壞時極限應變的實測結果變化較大，達139～300 με;上水穩層底面最大拉應變為58 με，遠小于疲勞破壞的極限拉應變（139～300 με，而底基層底面拉應變均<15 με。由此可見，上水穩層底面拉應變遠大于下水穩層拉應變，上水穩層底面拉應變遠小于室內小梁疲勞試驗極限值（139～300 με，表明路面尚遠離疲勞破壞階段。

4 模量衰減法評價路面結構強度

本文對2個路段（K1035～K1035.5上行、K1083～K1083.5下行）分別檢測了快車道、慢車道和路肩彎沉，采用彎沉盆反算結構層模量（結果見表2），并采用模量衰減方程估算慢車道疲勞損傷，如以下公式所示，計算結果見下頁表6。

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017），對于單幅兩車道高速公路，超車道標準軸次是慢車道的0.25倍，因此：

5 路表彎沉法評價路面結構強度

交通運輸部公路研究院1995年完成的瀝青路面設計指標和參數研究課題，匯總了國內31段試驗路和實體工程4～8年的跟蹤觀測數據，分析得到路面彎沉隨路齡變化規律的函數，見公式（8）及公式（9）。此外，技術人員通過調查江蘇半剛性基層瀝青路面典型路段路況，建立了路面破損狀況與彎沉的關系，通過引用公式（10）與公式（11）計算路面損傷量，計算結果見表7和表8。

6 結語

（1）經計算分析得知，該高速公路7個路段慢車道的路面結構強度良好，損傷度小，具有較長的剩余使用壽命。

（2）四種方法計算的指標評價路面結構承載力，其結果并不完全相同，強度系數SSR、上水穩層底面拉應變和表面彎沉法的Df有良好的對應關系，而模量衰減法的Df與其他三種方法計算結果未形成對應關系。

（3）評價廣西地區高速公路半剛性瀝青路面結構強度可優先選用強度系數SSR、上水穩層底面拉應變和表面彎沉法。

參考文獻：

[1]AASHTO.AASHTO Guide for Design of Pavement Structures Washington D.C.[Z].1993.

[2]Rafiqul A.Tarefder，M.ASCE，Damien Bateman.Design of Optimal Perpetual Pavement Struncture[J].Journal of Transportation Engineering，2012，138（2）：157-175.

[3]婁宇賽，樊宇亮，周 林，等. 基于美國AASHTO方法的瀝青路面設計[J].科學技術創新，2018（32）：128-132.

[4]Zhengjianlong.Design Guid for Semirigid Pavements in China Based on Critical State of Asphalt Mixture[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2013，25（7）：899-906.

[5]JTG D50-2017，公路瀝青路面設計規范[S].

[6]甘旭東，扈慧敏，朱昌勝.水泥穩定碎石材料疲勞性能試驗分析[J].南京工業大學學報（自然科學版），2012（34）：118-123.

[7]馬 融，陳 飛.成型工藝對水泥穩定再生混合料性能影響研究[J].中國科技論文，2019（2）：129-134.

[8]郭永祥.半剛性基層瀝青混凝土路面病害分析與路面結構設計參數研究[D].長沙：中南大學，2012.

[9]JTG5210-2018，公路技術評定標準[S].

作者簡介：鄒曉明（1973—），高級工程師，在職研究生，研究方向：防災減災及防護工程;

姚新宇（1989—），碩士，工程師，從事道路結構與材料耐久性研究工作;

滿新耀（1980—），碩士，高級工程師，從事高速公路建設與養護管理工作;

劉 宇（1976—），正高級工程師，博士后，研究方向：路面結構與材料研究。

基金項目：廣西科技計劃項目“濕熱地區高速公路瀝青路面養護科學決策關鍵技術研究與應用”（桂科AB17292061）