基于多指標(biāo)體系下遼寧省高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)性能驗(yàn)算

任俊達(dá)

(1.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110015； 2. 高速公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽(yáng)市 110015)

瀝青路面作為一種多層結(jié)構(gòu)體系，各層結(jié)構(gòu)可以采用不同類型的材料，具有不同的力學(xué)屬性。路面結(jié)構(gòu)的損壞，既可能是由于某一組成結(jié)構(gòu)(如路基、粒料層或?yàn)r青面層)或整個(gè)結(jié)構(gòu)的過(guò)量塑性變形，也可能起因于結(jié)構(gòu)層內(nèi)某處的應(yīng)力或應(yīng)變量超出了該處材料的疲勞強(qiáng)度或疲勞應(yīng)變值。在2006版之前的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中均采用設(shè)計(jì)彎沉值作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，而路表彎沉值(總變形量)僅是結(jié)構(gòu)對(duì)作用荷載的一個(gè)綜合的或者表觀的響應(yīng)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(xiàn)行的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，2004年交通運(yùn)輸部開始立項(xiàng)開展研究，計(jì)劃提出新的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[2]，在認(rèn)真學(xué)習(xí)和分析評(píng)價(jià)國(guó)內(nèi)外瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)瀝青路面的使用特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建一個(gè)新的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和參數(shù)體系，并最終形成了《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)。該設(shè)計(jì)體系由單一力學(xué)分析，轉(zhuǎn)變?yōu)榫C合多項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)與力學(xué)分析相結(jié)合；設(shè)計(jì)指標(biāo)由原來(lái)的彎沉與層底彎拉應(yīng)力調(diào)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(biāo)；并調(diào)整了材料設(shè)計(jì)模量及試驗(yàn)方法，且地區(qū)氣溫、濕度等參數(shù)在設(shè)計(jì)指標(biāo)體系占有相對(duì)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(yīng)變和路面低溫開裂指數(shù)三項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，改進(jìn)了瀝青混合料層和無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂預(yù)估模型，瀝青混合料層設(shè)計(jì)指標(biāo)由層底拉應(yīng)力改為層底拉應(yīng)變[3]。因此，為進(jìn)一步驗(yàn)證該設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用多指標(biāo)設(shè)計(jì)體系中的路面結(jié)構(gòu)性能預(yù)估模型，對(duì)半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能進(jìn)行驗(yàn)算，進(jìn)一步驗(yàn)證典型結(jié)構(gòu)方案在遼寧省的適用性。

1 路面材料設(shè)計(jì)參數(shù)

在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標(biāo)設(shè)計(jì)方法研究》項(xiàng)目研究中[4]，針對(duì)遼寧省高速公路典型路用材料，采用新規(guī)范的試驗(yàn)體系，對(duì)路用材料參數(shù)進(jìn)行了相應(yīng)的研究，為設(shè)計(jì)體系的全部建立奠定基礎(chǔ)，因此，采用該項(xiàng)目的研究成果，典型路用材料參數(shù)如表1所示。

2 氣候及交通量參數(shù)

筆者在《遼寧省高速公路瀝青路面多指標(biāo)設(shè)計(jì)方法研究》項(xiàng)目研究中[4]，對(duì)遼寧高速公路的方向系數(shù)、車道系數(shù)和車輛類型分布系數(shù)以及多指標(biāo)設(shè)計(jì)體系下的氣候參數(shù)均進(jìn)行了詳細(xì)的研究。研究表明，遼寧省高速公路方向系數(shù)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(shù)、車輛類型分布系數(shù)、氣候參數(shù)等如表2～表6所示，其中，路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中軸載譜以錦州收費(fèi)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(jù)《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T D31-2017)中的規(guī)定[5]，錦州地區(qū)凍結(jié)指數(shù)為-815.0℃·d。

表1 路面結(jié)構(gòu)計(jì)算用材料參數(shù)

表2 遼寧省高速公路車道分布系數(shù)

表3 遼寧省高速公路車輛類型分布系數(shù)

3 瀝青路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

路面結(jié)構(gòu)的組合就是在選擇確定采用的路面結(jié)構(gòu)類型基礎(chǔ)上，劃分所需要的結(jié)構(gòu)層次，各層的材料類型與性質(zhì)，組合成預(yù)期能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用性能要求的路面結(jié)構(gòu)。根據(jù)遼寧省高速公路建設(shè)已有成功經(jīng)驗(yàn)，選擇五種典型高速公路路面結(jié)構(gòu)，利用規(guī)范推薦性能方程，進(jìn)行定量的半剛性基層疲勞、車轍性能、低溫開裂等性能驗(yàn)算，進(jìn)一步驗(yàn)證典型結(jié)構(gòu)方案在遼寧省的適用性。典型結(jié)構(gòu)方案如表7所示。分析計(jì)算如表8～表10所示。

表4 遼寧省高速公路軸數(shù)系數(shù)推薦值

表5 錦州地區(qū)氣溫統(tǒng)計(jì)資料及相應(yīng)的基準(zhǔn)路面

表6 錦州地區(qū)路面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算用氣候參數(shù)

由表8～表10可以看出，除遼寧省東部寒冷山區(qū)外，影響路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算符合性的主要指標(biāo)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(yàn)永久變形量以及瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量，而基層厚度對(duì)瀝青層永久變形影響不大，目前遼寧省高速公路現(xiàn)有半剛性基層結(jié)構(gòu)及材料的疲勞壽命均能滿足重載交通要求，適當(dāng)增加基層厚度可有效保證路基的穩(wěn)定性，特別是在重載交通路段，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到長(zhǎng)壽命的目標(biāo)，降低全壽命周期的建養(yǎng)成本。

表7 典型結(jié)構(gòu)組合方案

表8 極重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

表9 特重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

表10 重交通分析結(jié)果匯總(分析期15年)

通過(guò)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算可知，表中僅結(jié)構(gòu)5滿足極重交通荷載下的車轍永久變形量的要求，因此，對(duì)于極重交通荷載水平，有必要同時(shí)提高中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力，并可適當(dāng)增加瀝青層的厚度，以保護(hù)基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到長(zhǎng)壽命的要求。

結(jié)構(gòu)4由于采用了“倒裝結(jié)構(gòu)”即在半剛性基層結(jié)構(gòu)與瀝青層結(jié)構(gòu)之間加入了級(jí)配碎石過(guò)渡層，使得結(jié)構(gòu)驗(yàn)算中對(duì)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(duì)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(jié)論

(1)對(duì)于重交通荷載水平，遼寧省高速公路瀝青路面典型結(jié)構(gòu)均能滿足路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算要求，因此，在重交通荷載及以下水平，要綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本、施工水平、氣候等因素，進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料一體化、功能性設(shè)計(jì)，并綜合考慮壽命周期的建設(shè)及養(yǎng)護(hù)成本。

(2)影響遼寧省高速公路路面結(jié)構(gòu)驗(yàn)算符合性的主要指標(biāo)為車轍深度，其混合料性能指標(biāo)主要為規(guī)定試驗(yàn)條件下的車轍深度，在結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意中、下面層瀝青混合料的抗車轍能力。

(3)對(duì)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(dāng)增加瀝青層的厚度，以保護(hù)基層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，達(dá)到長(zhǎng)壽命的要求。

(4)倒裝結(jié)構(gòu)對(duì)于瀝青路面抵抗反射裂縫具有較為良好的效果，當(dāng)級(jí)配碎石作為過(guò)渡層或連接層時(shí)，要嚴(yán)格控制級(jí)配碎石的施工工藝，提高級(jí)配碎石的壓實(shí)度，以滿足結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)的要求。

(5)針對(duì)瀝青路面為多層次的層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)與損壞類型多樣化的特點(diǎn)，應(yīng)注意各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)之間應(yīng)相互協(xié)調(diào)，使整個(gè)路面結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡設(shè)計(jì)的要求。