城市道路柔性基層瀝青路面結構設計參數分析

趙昌勝

（商洛市交通設計院，陜西商洛726000）

0 引言

考慮到我國當前路面結構中無機結合材料分布廣泛、優質瀝青缺乏的實際，大多數高等級公路均采用半剛性基層瀝青路面。但是隨著使用年限的延長，高等級公路半剛性基層瀝青路面先后出現各類病害，并逐漸進入大修期，無法保證路用功能的順利發揮。半剛性基層瀝青路面很難避免因半剛性材料收縮開裂而引發的路面反射裂縫，結構透水性差而造成表面嚴重積水，基層和瀝青面層結合薄弱[1]。此外，半剛性基層瀝青路面結構形式單一，難以適應各地不同的施工技術水平、原材料質量及交通量差異。近年來，柔性基層瀝青路面在我國高等級公路中開始應用，并表現出較好的路用性能，也為我國高等級公路瀝青路面早期病害問題提供了解決思路。由于出現時間較短，我國當前有關柔性路面設計標準缺乏，工程實踐中也主要參照國外已有規范和實踐經驗。本文主要通過正交分析，對城市道路柔性基層瀝青路面結構層厚度、級配碎石、土基模量等參數進行設計，并對此類參數對柔性路面結構性能的影響進行分析，為我國城市道路柔性基層路面結構設計提供借鑒參考。

1 工程概況

某城市道路位于我國南方地區，高溫多雨，年降水量均值1250～1600mm，該道路段交通量巨大，如果采用常規的半剛性基層瀝青路面，則會在交通荷載及運行環境等的綜合影響下，很容易出現裂縫、坑槽、沉陷等病害。結合國際上常見的柔性基層瀝青路面結構形式及國內已經鋪筑完成的柔性基層路面結構，該城市道路試驗段柔性基層瀝青面層采用厚度9cm 的中粒式或細粒式瀝青混凝土，基層為10～25cm 厚的ATB30 型瀝青穩定碎石層，底基層為10～40cm 厚的級配碎石層。瀝青混凝土以及瀝青穩定基層均采取平均模量控制，級配碎石層則應加強彈性模量控制；考慮到土基模量受不同類型填料的影響，將土基模量范圍控制在30～120MPa。

2 柔性基層路面結構性能

2.1 性能評價指標

柔性基層瀝青路面結構設計的目的主要是確保路面使用性能。結合類似工程經驗，瀝青路面結構破壞形式主要有車轍、溫度開裂、疲勞開裂等，有些病害形式與結構參數無關，只能通過材料性能設計進行防治。本文針對具體工程路面結構性能，選擇層底拉應力、路表回彈彎沉兩個指標進行評價。

瀝青層在反復的行車荷載作用下，容易出現疲勞裂縫，在該城市道路工程路面結構中，瀝青穩定基層層底拉應力比面層層底拉應力大；因瀝青穩定碎石的作用，中粒式瀝青混凝土疲勞裂縫會首先出現在瀝青穩定基層底部，再由下至上擴展，所以以瀝青穩定基層層底拉應力為路面疲勞開裂的主要控制指標。此外，路表回彈彎沉是路面受到行車荷載影響后豎向彈性位移量，是路面結構整體剛度的表征。借鑒工程經驗及相關設計規范，路表回彈彎沉值與路面使用壽命存在直接關系，回彈彎沉值越大，路面結構所成承受的荷載重復作用次數越小。

2.2 性能影響因素

影響城市道路瀝青路面路表回彈彎沉及瀝青層層底拉應力的主要參數有瀝青穩定基層厚度和模量、面層厚度、面層模量、級配碎石層厚、土基模量等。對于相同的溫度條件，以上參數中瀝青穩定碎石、級配碎石及瀝青混凝土彈性模量均較為穩定；而路面結構層厚度、土基模量等參數會隨運行條件的改變而發生較大變動。本文的正交分析主要以這些變動較大的因素為重點。

3 設計參數正交分析

3.1 正交表的選用

參考國外瀝青柔性基層路面結構層參數設置，以瀝青穩定基層厚度、級配碎石厚度及土基模量等三個因素為正交分析主要選用因素，各因素均設置4 個水平，選擇L16(45)正交表。結合工程實際，以瀝青層層底拉應力及路表回彈彎沉為兩個考核指標。在確定出正交試驗方案的基礎上，通過BISAR 彈性層狀體系理論計算程序進行該城市道路工程瀝青路面結構瀝青層層底拉應力及路表回彈彎沉值的計算，試驗參數取值情況及計算結果見表1。

表1 正交試驗參數取值

3.2 結果分析

采用直觀分析法分析所得到的試驗結果，并比較本文所提出的各影響因素對指標的具體影響程度，根據分析結果，在影響路表回彈彎沉的因素中土基模量影響程度最大，瀝青穩定基層厚度和級配碎石厚度的影響程度較為接近。通過分析原因發現，在行車荷載的作用下，80%及以上的豎向彈性位移均出現在土基結構，故與半剛性基層瀝青路面所不同，柔性基層路面傳遞至路基結構的應力更大。這就對柔性基層路面路基填料選擇及壓實度控制提出了更高要求，尤其對于土基結構較弱的情況，通過土基模量的提高能有效控制路表彎沉。但當瀝青穩定基層厚度和級配碎石厚度分別超出15cm 和20cm 后，通過增大土基模量控制路表彎沉的效果將大大弱化[2]。

在影響瀝青層底拉應力的因素中，影響程度最大的是瀝青穩定基層厚度，其次為級配碎石厚度，影響最小的是土基模量。可見，為減小瀝青層層底拉應力、延長瀝青路面使用壽命，仍應通過增大瀝青層厚度的方式；但是當瀝青穩定層厚度超出15cm 后，通過增大其層厚以減小層底拉應力的作用將大大減弱。具體如圖1所示。

圖1 瀝青層底拉應力變化率

4 結語

通過本文分析可知，與其他因素相比，土基模量對柔性基層路面路表回彈彎沉的影響更顯著，所以柔性基層瀝青路面對路基填料和壓實度要求更高。瀝青穩定層厚度對瀝青層底拉應力影響最大，所以應主要通過增大瀝青層厚度以降低層底拉應力，延長柔性路面使用壽命。但是以上措施均只適用于瀝青穩定基層厚度及瀝青層總厚度分別在15cm 和25cm 以內的情況，所以從技術可行性及經濟性的角度出發，該城市道路柔性路面瀝青穩定基層厚度應控制在15cm左右。