瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命預(yù)測分析*

邱懷中

(湖北省交通運輸廳漢十高速公路管理處 武漢 430051)

瀝青路面在全天候服役環(huán)境中，一方面承受車輛荷載的作用，另一方面由于溫度差異，內(nèi)部長期處于應(yīng)力變化狀態(tài)，路面性能不斷下降，損傷不斷積累，當(dāng)車輛作用軸載次數(shù)超過臨界值時，路面產(chǎn)生疲勞破壞[1]，因此，瀝青混合料疲勞性能與服役壽命緊密相關(guān)。高速公路瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層級配、瀝青含量不同，其疲勞壽命也不相同；在服役的過程中，瀝青路面的疲勞破壞并非整體發(fā)生，而是優(yōu)先出現(xiàn)在疲勞性能較差的結(jié)構(gòu)層，進而擴展至整個面層[2]。因此，準(zhǔn)確比較不同結(jié)構(gòu)層間疲勞性能的強弱，確定最先發(fā)生疲勞破壞的結(jié)構(gòu)層對科學(xué)制定養(yǎng)護決策具有重要意義[3]。

現(xiàn)階段我國公路性能評價主要依據(jù)JTG H20-2007 《公路技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)》[4]，以公路技術(shù)狀況各項指數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進行，這些指數(shù)僅代表了路表的服役性能，缺少對道路在長期服役后道路面層各結(jié)構(gòu)層性能差異的分析[5]。因此本文選用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中瀝青混合料疲勞開裂驗算模型[6]，通過對瀝青面層進行現(xiàn)場取芯檢測[7]和落錘式彎沉儀(FWD)檢測，獲取現(xiàn)場道路性能參數(shù)，進而準(zhǔn)確地對路面剩余服役壽命進行預(yù)估，分析比較不同結(jié)構(gòu)層剩余疲勞壽命狀況。

1 理論基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的基于現(xiàn)象學(xué)的疲勞壽命預(yù)估模型主要建立在傳統(tǒng)疲勞試驗方法上，將試驗產(chǎn)生疲勞損傷的重復(fù)加載次數(shù)稱為疲勞壽命[8]。這些模型考慮瀝青混合料材料、環(huán)境等因素的影響，在大量試驗基礎(chǔ)上總結(jié)相應(yīng)的瀝青混合料疲勞方程[9-10]。但上述瀝青混合料疲勞壽命預(yù)估模型均有限制條件，得到的疲勞壽命為對應(yīng)試驗條件下的加載周期，而非標(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)，無法應(yīng)用于服役壽命的預(yù)估。

JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中瀝青混合料疲勞開裂驗算模型如式(1)所示，該模型考慮了材料、環(huán)境等因素，相較于室內(nèi)試驗得到的加載周期數(shù)，預(yù)估的疲勞壽命為標(biāo)準(zhǔn)軸載加載次數(shù)。

Nf=6.32×1015.96-0.29βkakbkT1-1·

(1)

式中：Nf為瀝青混合料疲勞開裂壽命，軸次；β為目標(biāo)可靠指標(biāo)；ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)；kT1為溫度調(diào)整系數(shù)；εa為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變，×10-6；Ea為瀝青混合料20 ℃時壓縮動態(tài)模量，MPa；VFA為瀝青飽和度，%；kb為疲勞加載模式系數(shù)。

其中：ha為路面結(jié)構(gòu)層厚度，mm。

溫度調(diào)整系數(shù)kT1通過《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》附錄G中的方法進行確定，通過式(2)進行計算。

kT1=AhAEkTi1+Bh+BE

(2)

式中：下標(biāo)i為1代表瀝青混合料疲勞開裂分析；kTi為基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)；Ah、Bh、AE、BE為與面層、基層有關(guān)函數(shù)，由于本文僅針對瀝青混合料疲勞開裂進行計算，故僅列出以上4個參數(shù)的計算方法見式(3)～(6)。

AE=0.76λE0.09

(3)

Ah=1.14λh0.17

(4)

BE=0.14ln(λE/20)

(5)

Bh=0.23ln(λh/0.45)

(6)

式中：λE為面層與基層的當(dāng)量模量比；λh為面層與基層的當(dāng)量厚度比。

2 試驗設(shè)計

由式(1)可知，根據(jù)該模型，瀝青路面疲勞壽命與環(huán)境溫度、瀝青混合料動態(tài)模量、路面厚度，以及路面各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變相關(guān)。由于瀝青路面各結(jié)構(gòu)層配合比設(shè)計不同、厚度不同，其在長期服役后的材料性能存在差異，導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命不同。因此，對在役高速公路瀝青路面剩余疲勞壽命預(yù)估時，須獲得在役路面各結(jié)構(gòu)層的實際材料性能參數(shù)，具體流程如下。

1) 鉆取在役瀝青路面芯樣，測量芯樣各結(jié)構(gòu)層的實際厚度。

2) 進行室內(nèi)20 ℃各結(jié)構(gòu)層動態(tài)模量測試，獲取在役路面面層各結(jié)構(gòu)層的動態(tài)模量。

3) 采用FWD檢測路面彎沉，判斷路面強度，反算路面基層與路基的動態(tài)模量。

4) 根據(jù)路面各結(jié)構(gòu)層實際厚度和動態(tài)模量，基于層狀彈性理論，采用BISAR軟件分別計算瀝青路面上、中、下面層層底拉應(yīng)變。

5) 根據(jù)公路等級和所在地區(qū)確定相應(yīng)的修正系數(shù)，包括目標(biāo)可靠指標(biāo)、季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)和溫度調(diào)整系數(shù)。

6) 查找公路設(shè)計資料確定各面層瀝青飽和度VFA。

7) 將上述參數(shù)帶入疲勞開裂驗算模型，得到在役高速公路取芯路段面層各結(jié)構(gòu)層的剩余疲勞壽命。

本文依托的實際工程為漢十高速公路孝襄段，全長243 km，其路面結(jié)構(gòu)信息及瀝青飽和度見表1。

本次研究于漢十高速公路K1016+000-K1021+000路段進行鉆芯取樣，每1 km選取1個芯樣進行后續(xù)試驗，通過實測路面芯樣各結(jié)構(gòu)層的動態(tài)模量參數(shù)表征該路段瀝青面層的動態(tài)模量，并采用FWD對取芯路段進行檢測，反算得到道路基層與路基模量。

2.1 芯樣各結(jié)構(gòu)層動態(tài)模量測量

考慮試驗便捷性和準(zhǔn)確性，采用單軸壓縮試驗測定芯樣的動態(tài)模量。試驗儀器為DTS-30動態(tài)測試系統(tǒng)，儀器加載力上限為30 kN，負(fù)載波形頻率上限為100 Hz，能夠滿足應(yīng)力加載需求，且精度較高。式(1)中采用的動態(tài)模量為瀝青混合料20 ℃、10 Hz下的動態(tài)模量，因此在該條件下對所取芯樣的動態(tài)模量進行測試，試驗過程見圖1，通過分層粘貼試模，對路面芯樣上、中、下面層分別進行動態(tài)模量測試，LVDT測量標(biāo)距通過各結(jié)構(gòu)層實際厚度進行調(diào)整。

圖1 路面芯樣動態(tài)模量測試

試驗得到各路段芯樣各結(jié)構(gòu)層動態(tài)模量見表2。

表2 取芯路段上、中、下面層厚度及20 ℃、10 Hz動態(tài)模量

2.2 基層和土基模量計算

針對路面基層結(jié)構(gòu)強度檢測，漢十高速公路每年分段采用落錘式彎沉儀進行檢測。FWD檢測路面行車道彎沉，以20 m為單位保存檢測數(shù)據(jù)，根據(jù)每公里彎沉代表值，計算對應(yīng)路段結(jié)構(gòu)強度指數(shù)PSSI。通過彎沉盆數(shù)據(jù)反算確定評價路段基層及土基的模量，表3為漢十高速公路取芯路段彎沉反算模量。

表3 FWD彎沉反算模量

2.3 層底拉應(yīng)變計算

以K1017+000-K1018+000路段為例，采用BISAR軟件進行層底拉應(yīng)變計算，依據(jù)表1、表2、表3中檢測結(jié)果，輸入各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表4。其中上、中、下面層厚度為現(xiàn)場取芯測量所得，基層厚度依據(jù)漢十高速公路設(shè)計資料取0.6 m，泊松比根據(jù)相關(guān)文獻選取了常用的經(jīng)驗值。

表4 BISAR軟件路面模型參數(shù)輸入

圖2中A、B、C、D4點為規(guī)范推薦的進行計算結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變最大的位置。根據(jù)各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，計算各點沿行車方向的層底水平拉應(yīng)變，車輛輪胎與路面接觸形狀近似為橢圓，在路面設(shè)計中被簡化為圓形均布荷載，其中δ是當(dāng)量圓的半徑為106.5 mm，由式(7)計算可得，我國標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN，車輪荷載為25 kN，輪胎接觸壓力為0.7 MPa。

(7)

式中：P為車輪荷載，kN；p為輪胎接觸壓強，kPa。

圖2 路面結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變計算位置示意圖

在BISRA軟件計算中需要輸入4個點的坐標(biāo)，其中Z方向為路面深度方向，Y方向為車輛的行車方向，X方向為路表垂直行車的方向，各結(jié)構(gòu)層的A、B、C、D點坐標(biāo)見表5。

表5 層底拉應(yīng)變計算點坐標(biāo)值 m

BISAR軟件以層狀彈性理論為基礎(chǔ)進行分析計算，計算得到各結(jié)構(gòu)層層底A、B、C、D4點拉應(yīng)變見表6，并確定各結(jié)構(gòu)層最大層底拉應(yīng)變。

表6 面層各結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)變

續(xù)表6

3 疲勞壽命預(yù)估

本文基于試驗檢測得到的路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，計算得到了長期服役后瀝青混合料面層各結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)變。根據(jù)漢十高速孝襄段的瀝青路面的材料參數(shù)和所處環(huán)境，可以確定式(1)中各項系數(shù)的大小，從而通過該疲勞開裂驗算模型對不同結(jié)構(gòu)層疲勞壽命進行預(yù)估。

3.1 模型參數(shù)確定

依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，高速公路目標(biāo)可靠指標(biāo)β為1.65。依據(jù)JTG/TD31-06-2017《季節(jié)性凍土地區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》[11]，確定湖北省漢十高速公路孝襄段為規(guī)范中的其它地區(qū)，調(diào)整系數(shù)ka為1.00。

路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)根據(jù)式(2)～式(6)進行計算，該系數(shù)考慮了氣溫狀況對瀝青路面結(jié)構(gòu)損壞的影響。漢十高速位公路于武漢地區(qū)的部分根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中相應(yīng)的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)表，確定瀝青混合料層底壓應(yīng)變的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)kT1為1.41。

計算路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)時，需將路面結(jié)構(gòu)按式(9)、式(10)換算為當(dāng)量瀝青面層和當(dāng)量基層。超過2層時，重復(fù)采用公式自上而下進行換算，最終簡化為由當(dāng)量瀝青面層、當(dāng)量基層和路基構(gòu)成的3層結(jié)構(gòu)，計算結(jié)果見表7。基層當(dāng)量厚度為0.6 m，當(dāng)量模量為FWD反算模量。

(9)

(10)

表7 取芯路段面層結(jié)構(gòu)簡化

通過式(3)～(6)確定式(2)各項系數(shù)，求得各路段溫度調(diào)整系數(shù)kT1，見表8。

表8 取芯路段溫度調(diào)整系數(shù)

計算疲勞加載模式系數(shù)kb，其中各結(jié)構(gòu)層瀝青飽和度按表1中設(shè)計值進行取值，計算結(jié)果見表9。

表9 取芯路段疲勞加載模式系數(shù)

3.2 疲勞壽命預(yù)估

將上文確定的各項參數(shù)代入式(1)，確定各路段各結(jié)構(gòu)層剩余疲勞壽命見表10。

表10 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命

對比表10中各路段上面層、中面層、下面層剩余疲勞壽命分析得，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，服役路面中面層剩余疲勞壽命最大，其次是上面層，下面層最小。由此可得在行車荷載作用下，面層中最先發(fā)生失效的并非是車輛直接作用的上面層，而是距離車輛作用最遠的下面層。

比較取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命，以上、中、下面層剩余疲勞壽命的最小值為該路段的剩余疲勞壽命。路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI反映路面表面總體性能，一定程度上代表了路面病害嚴(yán)重程度，表11對比了取芯路段剩余疲勞壽命和路面使用性能指數(shù)。

表11 取芯路段上、中、下面層剩余疲勞壽命與PQI對比

根據(jù)表11，所選路段路面技術(shù)狀況指數(shù)均在93～95之間，表示各路段路面技術(shù)狀況較為接近，且JTG H20-2007 《公路技術(shù)評定標(biāo)準(zhǔn)》中對該指數(shù)在90以上的路段評定為“優(yōu)”。然而，各路段計算所得剩余疲勞壽命存在明顯差異，K1017+000-K1018+00疲勞壽命下降明顯，說明路面技術(shù)狀況指數(shù)與路面剩余疲勞壽命之間并沒有必然的聯(lián)系。因此僅通過路面表觀性能并不能反映路面的服役壽命、確定路面養(yǎng)護時機，為完善路面服役性能評價，需要進一步評價路面材料性能。

4 結(jié)語

本文依托于漢十高速公路孝襄段，通過現(xiàn)場芯樣動態(tài)模量試驗及FWD現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)獲取了長期服役后道路各結(jié)構(gòu)層的模量參數(shù)。以高速公路瀝青路面長期服役后的路面性能參數(shù)為基礎(chǔ)，選取了JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中瀝青混合料層的疲勞開裂壽命預(yù)測模型，預(yù)估了在役瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層的疲勞壽命，得到結(jié)論如下。

1) 采用規(guī)范中模型，對各結(jié)構(gòu)層疲勞壽命進行預(yù)估，發(fā)現(xiàn)取芯路段中面層疲勞壽命>上面層疲勞壽命>下面層疲勞壽命，說明在行車荷載作用下，面層中最先發(fā)生失效的并非是車輛直接作用的上面層，而是距離車輛作用最遠的下面層。

2) 路面技術(shù)狀況指數(shù)PQI與路面剩余疲勞壽命之間不存在明顯聯(lián)系，路面表觀性能并不能準(zhǔn)確反映路面服役壽命，確定路面養(yǎng)護時機，需要進一步評價路面材料性能。

該研究通過對長期服役后瀝青路面進行實地取樣和檢測，采用JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中的疲勞壽命預(yù)測模型對道路剩余疲勞壽命進行了預(yù)估，提出了一種在役路面疲勞壽命的預(yù)估方法，分析了瀝青路面面層各結(jié)構(gòu)層在長期服役后疲勞壽命的差異，并指出目前道路檢測體系的不足，需進一步完善。