結構層厚度和模量對全厚式瀝青路面設計指標的影響

李小勇，韋金城，徐希忠，胡 超

(1.山東建筑大學，山東 濟南 250000；2.山東省交通科學研究院，山東 濟南 250000；3.齊魯交通發展集團有限公司，山東 濟南 250000)

0 前 言

我國高等級公路多采用半剛性基層瀝青路面結構形式，這種路面結構具有較高的剛度與承載力，半剛性基層的板體性和擴散應力能力強且水穩定性好。但是半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴重，唧泥和層間結合的問題一直得不到有效解決，成為目前半剛性基層瀝青路面最常見的問題。

相比半剛性基層瀝青路面，全厚式瀝青路面由于柔性基層的加入，可以很好地避免上述問題。全厚式瀝青路面是一種直接在路基上鋪筑瀝青混凝土的路面結構，其最大特點是能夠確保各類路面損壞控制在表面層頂部較薄的范圍內，如自上而下的溫度疲勞開裂、車轍、表面磨耗、瀝青老化等，且有效防止出現聯結層以下的結構性損壞。而表面層的損壞僅需通過預防性養護即可得以處治，一旦道路表面損壞達到臨界水平，其最為經濟的處理方法是對損壞的表面層進行銑刨、罩面或者加鋪。全厚式瀝青路面不僅有效的避免了路面結構性破壞，而且路面厚度較薄，可以節約大量砂石料等資源。國外大量實踐證明，全厚式瀝青路面雖然初期投資較高，但使用壽命更長，在五十年內無需進行路面結構性大修，在全壽命周期內具有顯著的經濟性和結構性優勢。

瀝青混合料的模量和結構層的厚度是進行全厚式瀝青路面設計的兩個重要參數。不同類型的瀝青混合料模量相差較大，在法國，低標號高模量的瀝青混合料廣泛應用于柔性基層，其模量遠高于普通瀝青混合料。路面結構層的厚度也是設計中的一個重要參數，根據彈性層狀體系理論和“應變下限”理論，面層越厚，結構層的層底拉應變越小，但過大的厚度不僅會造成材料的浪費，也會造成施工的困難。因此，研究模量和厚度對全厚式瀝青路面力學設計指標的影響，對路面結構設計與材料優選具有重要的意義。

1 試驗設計

為了更好地研究結構層模量和厚度變化對全厚式瀝青路面設計指標的影響規律，先對全厚式瀝青路面結構層不同厚度處彎拉應變的變化進行研究分析。再按法國瀝青路面設計標準及指標，選擇模量和厚度兩個結構層參數進行正交試驗設計。選擇模量參數作變量設計時，先確定路面各結構層厚度，再利用軟件計算各結構層不同模量下的瀝青混合料層底彎拉應變和路面承臺層頂壓應變，選擇厚度作為變量設計時，同樣先確定各結構層模量再進行計算。

1.1 設計標準及指標

法國路面設計理論采用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀理論體系，與我國路面設計不同之處在于參數的選擇上，法國以單軸雙輪130 KN為標準軸載，輪胎接地壓強為0.662 MPa，當量圓半徑為0.125 m，材料參數以15 ℃、10 Hz動態復合模量為瀝青混合料的材料參數進行計算。

法標全厚式瀝青路面設計以瀝青混合料的層底彎拉應變εt和路面承臺層頂壓應變εz為控制指標，瀝青混合料的層底彎拉應變可以反映材料的疲勞和應力應變情況，路面承臺的層頂壓應變可以更好的反映路面的總變形量。

1.2 應變分析方案

本文采用法國標準，利用法國瀝青路面設計軟件ALIZE進行設計，分析全厚式瀝青混凝土路面不同厚度處的應變變化規律。部分設計參數取自于沾臨高速，如表1所示。

表1 設計參數表

根據結構路網VRS道路(高速公路)卡片中全厚式瀝青路面的常用材料，磨耗層選擇BBME2瀝青混合料、聯結層選擇BBSG3瀝青混合料、基層選擇GB4瀝青混合料、底基層選擇GB3瀝青混合料，材料性能見表2。

表2 材料性能表

1.3 正交試驗方案

(1)模量的影響

根據法國規范中的各結構層材料的選擇及各材料的性能參數，列出各層材料模量參數表，如表3所示。

表3 模量參數表

采用正交試驗法，各結構層選取其中4組數據進行計算，按照3因素4水平的正交試驗安排試驗表。選取模量時，為了更直接有效的反映其中關系，本文選取面層和基層模量時以整數單位選取，正交試驗表見表4。參考結構性路網所提供的結構，厚度選取磨耗層4 cm+聯結層6 cm+基層12 cm+底基層12 cm。

表4 3因素4水平模量變化正交試驗表L16(43)

(2)厚度的影響

法標中，各結構層和材料都有一個厚度范圍，如表5所示。

進行正交設計時，將磨耗層、聯結層和基層一起組成3因素4水平正交試驗表，見表6。參考各結構層材料規范，選取各結構層模量，磨耗層7 000 MPa+聯結層9 000 MPa+基層、底基層11 000 MPa+路面承臺120 MPa。

表5 材料厚度規范表

表6 3因素4水平厚度變化正交試驗表L16(43)

2 計算結果與分析

2.1 應變結果與分析

利用ALIZE軟件進行計算，計算出瀝青層底拉應變εzadm為240.2 με，承臺層頂壓應變εtadm為52.8 με，并確定路面厚度為磨耗層4 cm+聯結層6 cm+基層16 cm+底基層16 cm。不同厚度處彎拉應變如圖1所示。

圖1 彎拉應變沿深度變化圖

從圖1可以看出，初始時應變為拉應變，到9 cm深度處開始轉為壓應變，面層和基層的應變沿深度變化的變化率近乎相似。在荷載作用下，面層主要為拉應變，基層主要為壓應變，拉應變最大值出現在磨耗層層底位置，壓應變最大值出現在路面承臺頂部。瀝青層的拉應變值較小，路面承臺壓應變值較大，在進行設計時，應重點考慮路面承臺的壓應變。

2.2 模量的影響結果與分析

按照表3的正交試驗表，利用ALIZE軟件計算瀝青層層底拉應變和路面承臺層頂壓應變，得出結果如表7所示。

表7 拉、壓應變計算結果

對試驗結果采用極差法進行數據處理，求出各個因素水平下的指標之和，計算平均值然后求極差，極差值越大，對試驗指標的影響越大。分析結果如表8、表9所示。

表8 瀝青層層底拉應變極差分析結果

表9 承臺層頂壓應變極差分析結果

由表8結果可以看出，路面承臺模量的極差值是面層的10倍，是基層的3倍，表明路面承臺模量是瀝青層層底拉應變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量的影響最小。由表9結果可以看出，路面承臺模量的極差值是面層的11倍，是基層的5倍，表明路面承臺模量同樣也是路面承臺層頂壓應變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量對承臺層頂壓應變的影響最小。模量對瀝青層層底拉應變和路面承臺層頂壓應變影響規律呈現相似性。

2.3 厚度的影響結果與分析

將表5的數據輸入軟件，計算瀝青層層底拉應變和路面承臺層頂壓應變，得出結果如表10所示。

表10 拉、壓應變計算結果

對試驗數據進行極差分析，分析結果如表11、表12所示。

表11 瀝青層層底拉應變極差分析結果

表12 承臺頂面壓應變極差分析結果

表11和表12結果顯示，基層厚度的極差值是磨耗層和聯結層的1.9倍，磨耗層厚度和聯結層厚度的極差值幾乎相等，表明基層厚度對設計指標的影響顯著，磨耗層厚度和聯結層厚度對設計指標的影響結果相同。厚度對瀝青層層底拉應變和路面承臺層頂壓應變影響規律呈現相似性。

3 結 論

(1)全厚式瀝青路面面層和基層應變沿深度變化的變化率相近，拉應變出現在面層，壓應變出現在基層。拉應變較小，壓應變較大，最大應變出現在路面承臺頂部。

(2)路面承臺模量是設計指標的重要影響因素，遠大于基層模量和面層模量對設計指標的影響。

(3)基層厚度對設計指標影響顯著，其次是磨耗層厚度和聯結層厚度，磨耗層厚度和聯結層厚度對設計指標的影響結果相同。

(4)模量和厚度對瀝青層層底拉應變和路面承臺層頂壓應變影響規律呈現相似性。