基于多指標體系下遼寧省高速公路瀝青路面典型結構性能驗算

任俊達

(1.遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015； 2. 高速公路養護技術交通運輸行業重點實驗室 沈陽市 110015)

瀝青路面作為一種多層結構體系，各層結構可以采用不同類型的材料，具有不同的力學屬性。路面結構的損壞，既可能是由于某一組成結構(如路基、粒料層或瀝青面層)或整個結構的過量塑性變形，也可能起因于結構層內某處的應力或應變量超出了該處材料的疲勞強度或疲勞應變值。在2006版之前的公路瀝青路面設計規范中均采用設計彎沉值作為設計指標，而路表彎沉值(總變形量)僅是結構對作用荷載的一個綜合的或者表觀的響應量，難以確切表明所控制的層次或損壞類型[1]。因此，為了改善現行的瀝青路面結構設計方法，2004年交通運輸部開始立項開展研究，計劃提出新的瀝青路面結構設計方法[2]，在認真學習和分析評價國內外瀝青路面結構設計方法和指標的基礎上，結合我國瀝青路面的使用特點和經驗，構建一個新的瀝青路面結構設計方法和參數體系，并最終形成了《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)。該設計體系由單一力學分析，轉變為綜合多項設計指標與力學分析相結合；設計指標由原來的彎沉與層底彎拉應力調整為面層和基層的疲勞、路基與面層的永久變形、低溫開裂等綜合指標；并調整了材料設計模量及試驗方法，且地區氣溫、濕度等參數在設計指標體系占有相對較重的位置。增加了瀝青混合料層永久變形量、路基頂面豎向壓應變和路面低溫開裂指數三項設計指標，改進了瀝青混合料層和無機結合料穩定層疲勞開裂預估模型，瀝青混合料層設計指標由層底拉應力改為層底拉應變[3]。因此，為進一步驗證該設計體系在遼寧省的適用性，以遼寧省高速公路瀝青路面典型結構為研究對象，采用多指標設計體系中的路面結構性能預估模型，對半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能進行驗算，進一步驗證典型結構方案在遼寧省的適用性。

1 路面材料設計參數

在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標設計方法研究》項目研究中[4]，針對遼寧省高速公路典型路用材料，采用新規范的試驗體系，對路用材料參數進行了相應的研究，為設計體系的全部建立奠定基礎，因此，采用該項目的研究成果，典型路用材料參數如表1所示。

2 氣候及交通量參數

筆者在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標設計方法研究》項目研究中[4]，對遼寧高速公路的方向系數、車道系數和車輛類型分布系數以及多指標設計體系下的氣候參數均進行了詳細的研究。研究表明，遼寧省高速公路方向系數主要集中在50%～60%之間，且主要集中于0.51～0.55之間，其車道系數、車輛類型分布系數、氣候參數等如表2～表6所示，其中，路面結構驗算中軸載譜以錦州收費站為例，并選取三種交通荷載水平(極重交通、特重交通、重交通)，根據《季節性凍土地區公路設計與施工技術規范》(JTG/T D31-2017)中的規定[5]，錦州地區凍結指數為-815.0℃·d。

表1 路面結構計算用材料參數

表2 遼寧省高速公路車道分布系數

表3 遼寧省高速公路車輛類型分布系數

3 瀝青路面結構驗算

路面結構的組合就是在選擇確定采用的路面結構類型基礎上，劃分所需要的結構層次，各層的材料類型與性質，組合成預期能滿足設計目標和使用性能要求的路面結構。根據遼寧省高速公路建設已有成功經驗，選擇五種典型高速公路路面結構，利用規范推薦性能方程，進行定量的半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能驗算，進一步驗證典型結構方案在遼寧省的適用性。典型結構方案如表7所示。分析計算如表8～表10所示。

表4 遼寧省高速公路軸數系數推薦值

表5 錦州地區氣溫統計資料及相應的基準路面

表6 錦州地區路面結構抗剪強度驗算用氣候參數

由表8～表10可以看出，除遼寧省東部寒冷山區外，影響路面結構驗算符合性的主要指標為車轍深度，影響瀝青層永久變形的主要因素為瀝青混合料車轍試驗永久變形量以及瀝青混合料的動態模量，而基層厚度對瀝青層永久變形影響不大，目前遼寧省高速公路現有半剛性基層結構及材料的疲勞壽命均能滿足重載交通要求，適當增加基層厚度可有效保證路基的穩定性，特別是在重載交通路段，并通過結構優化設計，達到長壽命的目標，降低全壽命周期的建養成本。

表7 典型結構組合方案

表8 極重交通分析結果匯總(分析期15年)

表9 特重交通分析結果匯總(分析期15年)

表10 重交通分析結果匯總(分析期15年)

通過結構驗算可知，表中僅結構5滿足極重交通荷載下的車轍永久變形量的要求，因此，對于極重交通荷載水平，有必要同時提高中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力，并可適當增加瀝青層的厚度，以保護基層結構的穩定性，達到長壽命的要求。

結構4由于采用了“倒裝結構”即在半剛性基層結構與瀝青層結構之間加入了級配碎石過渡層，使得結構驗算中對于高速公路車轍永久變形量提高了要求(為10mm，半剛性基層為15mm)，綜合分析可知，對于特重交通荷載，建議在中面層要提高瀝青混合料的抗車轍性能。

4 結論

(1)對于重交通荷載水平，遼寧省高速公路瀝青路面典型結構均能滿足路面結構驗算要求，因此，在重交通荷載及以下水平，要綜合考慮經濟成本、施工水平、氣候等因素，進行瀝青路面結構與材料一體化、功能性設計，并綜合考慮壽命周期的建設及養護成本。

(2)影響遼寧省高速公路路面結構驗算符合性的主要指標為車轍深度，其混合料性能指標主要為規定試驗條件下的車轍深度，在結構組合設計時，應注意中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力。

(3)對于極重交通荷載水平，有必要提高中下面層瀝青混合料的抗車轍能力，并可適當增加瀝青層的厚度，以保護基層結構的穩定性，達到長壽命的要求。

(4)倒裝結構對于瀝青路面抵抗反射裂縫具有較為良好的效果，當級配碎石作為過渡層或連接層時，要嚴格控制級配碎石的施工工藝，提高級配碎石的壓實度，以滿足結構組合設計的要求。

(5)針對瀝青路面為多層次的層狀復合結構與損壞類型多樣化的特點，應注意各項設計指標的標準之間應相互協調，使整個路面結構達到平衡設計的要求。