基于材料性能的路面結(jié)構(gòu)剩余壽命評估

吳 強(qiáng),孟令國

(江蘇寧杭高速公路有限公司,江蘇 南京 210000)

隨著我國公路建設(shè)的不斷發(fā)展,高速公路路網(wǎng)建設(shè)日臻完善。在長期的荷載以及環(huán)境因素的作用下,各高速公路除了路表所反映的裂縫、車轍等表面病害以外,通常還伴隨著結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的下降,結(jié)構(gòu)內(nèi)部隱性病害的增多,局部路段存在基層松散、脫空以及層間粘結(jié)不良等基層病害,具有層位較深、隱蔽性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此,如何建立路面病害及結(jié)構(gòu)性健康狀態(tài)精細(xì)化診斷方法,提出路面結(jié)構(gòu)剩余壽命精準(zhǔn)預(yù)測方法,制定科學(xué)化結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)對策,對于發(fā)生早期結(jié)構(gòu)性病害的高速公路實(shí)現(xiàn)路面診斷及修復(fù),達(dá)到結(jié)構(gòu)性能提升及長期保存具有重要意義[1]。

楊芙蓉等[2]深入對比了三類常見復(fù)合式基層瀝青路面的優(yōu)劣,計(jì)算了結(jié)構(gòu)主要力學(xué)響應(yīng),考慮半剛性基層模量隨開裂程度不同而產(chǎn)生的衰變,參考南非方法計(jì)算了無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料拉應(yīng)變控制下的剩余壽命。和世明[3]依托實(shí)體改擴(kuò)建工程,使用FWD檢測路面的彎沉,采用三層和四層體系來反算結(jié)構(gòu)層模量,比較反算結(jié)果后,使用三層體系反算的模量值進(jìn)行瀝青路面剩余壽命的預(yù)估。秦旻等[4]采用修正Shell永久變形理論,計(jì)算了動(dòng)荷載作用下路面產(chǎn)生的永久變形和平整度的衰變規(guī)律,建立了動(dòng)荷載作用下的瀝青路面剩余壽命計(jì)算與預(yù)估的方法。然而現(xiàn)在剩余壽命評估方法大多是基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,與實(shí)際現(xiàn)場狀況匹配度不高[5-7]。

綜上,基于室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場檢測結(jié)果對材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修正,采用無機(jī)層疲勞開裂模型和瀝青層永久變形模型對在役高速剩余服務(wù)壽命進(jìn)行評價(jià),然后基于彎沉控制和車轍控制的方式確定補(bǔ)強(qiáng)方案的材料性能,最后結(jié)合溧馬高速實(shí)際工程予以應(yīng)用論證。

1 基于無機(jī)結(jié)合料疲勞開裂的剩余壽命分析

1.1 評估方法研究

(1)材料性能和層間狀態(tài)確定。

彎拉強(qiáng)度:通過在役高速基層芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試并與新建高速進(jìn)行對比,對彎拉強(qiáng)度進(jìn)行折減;基層模量:采用FWD對路面彎沉進(jìn)行檢測,基于彎沉盆反演各層模量,然后對比新建高速數(shù)據(jù)對模量進(jìn)行折減;層間粘結(jié)狀態(tài)通過探地雷達(dá)確定。

(2)分析路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。

基于彈性層狀體系,對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析,確定無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力σt。

(3)預(yù)測無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂壽命Nf。

根據(jù)下式計(jì)算求得路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂壽命Nf。

(1)

式中:Nf為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂壽命;ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù),參考規(guī)范可得;kT2為溫度調(diào)整系數(shù),按規(guī)范中附錄G確定;RS為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彎拉強(qiáng)度,MPa;a,b為疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù);β為目標(biāo)可靠指標(biāo),參考規(guī)范可得。kC為現(xiàn)場綜合修正系數(shù)。

kC=c1×ec2×(ha+hb)+c3

(2)

式中:c1,c2,c3為參數(shù),參考規(guī)范可得;ha,hb分別為瀝青混合料層和計(jì)算點(diǎn)以上的無極結(jié)合料穩(wěn)定層厚度;σt為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力,MPa。

(4)明確預(yù)期年限的當(dāng)量交通軸次Ne。

結(jié)合路面歷年交通量數(shù)量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,可預(yù)測期內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次。

(5)確定結(jié)構(gòu)層材料的室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

將無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂壽命Nf與預(yù)測交通軸次Ne進(jìn)行比較,可以明確當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)層抗疲勞性能是否滿足需求,并且能夠進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)層疲勞性能的剩余使用年限。

1.2 實(shí)例分析

以溧馬高速為例進(jìn)行實(shí)例分析,采用Bisar3.0軟件進(jìn)行分析,其中面層模量采用室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測值,基層模量通過彎沉反演獲得,并與新通車高速對比進(jìn)行折減,考慮溧馬高速層間粘結(jié)較差,因此在計(jì)算過程中將面層與基層,基層與基層層間設(shè)置為滑動(dòng)狀態(tài),得到無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力σt,分別對LM-21標(biāo)、LM-22標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

表1 不同標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)無機(jī)層層底拉應(yīng)力

基于無機(jī)層疲勞開裂預(yù)測模型分析,溧馬高速各標(biāo)段結(jié)構(gòu)無機(jī)層疲勞開裂壽命,匯總?cè)绫?所示。

表2 無機(jī)層疲勞開裂預(yù)測壽命

結(jié)合路面歷年交通量數(shù)量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范,可以得到預(yù)測期內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne,如公式(3)所示

(3)

EALFm)

(4)

式中:AADTT為2軸6輪及以上車輛的雙向年平均日交通量,輛/d;DDF為方向系數(shù);LDF為車道系數(shù);M為車輛類型編號;VCDFm為m類車輛類型分布系數(shù);EALFm為m類車輛的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載換算系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算,匯總?cè)绫?所示。

表3 預(yù)測年限的當(dāng)量交通軸次

將無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂壽命Nf與與預(yù)測交通軸次Ne進(jìn)行比較,得到LM-21標(biāo)剩余壽命為1年,LM-22標(biāo)剩余壽命為5年。

2 基于瀝青層永久變形的剩余壽命分析

2.1 評估方法研究

(1)明確預(yù)期年限的當(dāng)量交通軸次Ne。

結(jié)合路面歷年交通量數(shù)量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于新版瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范,可以得到預(yù)測期內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次。

(2)分析路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)。

基于彈性層狀體系,對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析,確定中面層各分層層頂?shù)呢Q向壓應(yīng)力Pi。

(3)計(jì)算路面結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)層的永久變形。

通過實(shí)際測量,能夠得到當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)的永久變形RD實(shí)測,按照高速公路車轍深度RD容許不大于15 mm的控制標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)差值求解(即RD容許-RD實(shí)測)可以得到,該處路面結(jié)構(gòu)未來最大容許永久變形Ra。在其他層位材料確定,且不考慮其材料性能衰減的前提下,可以得到所求層位的容許永久變形Rai。

(4)確定結(jié)構(gòu)層材料的室內(nèi)試驗(yàn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

利用瀝青層永久變形預(yù)測模型,將上述預(yù)測期內(nèi)累計(jì)當(dāng)量交通軸次Ne、力學(xué)參數(shù)Pi以及所求結(jié)構(gòu)層剩余容許永久變形Rai代入計(jì)算,可以得到該結(jié)構(gòu)層材料的車轍變形深度RD,車轍試驗(yàn)永久變形量依據(jù)“十三五”重大專項(xiàng)最新研究成果漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換所得。

對于改性瀝青混合料

R國標(biāo)=1.38R漢堡+0.312

(5)

對于普通瀝青混合料

R國標(biāo)=2.85R漢堡-0.195

(6)

2.2 實(shí)例分析

結(jié)合路面歷年交通量數(shù)量,能夠確定路面日均交通軸次及年增長率,而基于《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50-2017,可以得到預(yù)測期內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次Ne,如下式所示

(7)

(8)

經(jīng)計(jì)算,匯總?cè)绫?所示。

表4 預(yù)測年限的當(dāng)量交通軸次

表5 瀝青層各分層豎向壓應(yīng)力

基于彈性層狀體系,對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析,確定瀝青層各分層層頂?shù)呢Q向壓應(yīng)力Pi。

通過實(shí)際測量,能夠得到當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)的永久變形RD實(shí)測,按照高速公路RDI<90即車轍深度RD容許不大于10 mm的控制標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)差值求解(即RD容許-RD實(shí)測)可以得到,該處路面結(jié)構(gòu)未來剩余永久變形Ra,匯總?cè)绫?所示。

表6 不同標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)剩余永久變形

基于瀝青層永久變形預(yù)測模型分析,得到不同年限不同路段不同車道的路面結(jié)構(gòu)的預(yù)測永久變形,匯總?cè)绫?所示。

表7 不同標(biāo)段路面結(jié)構(gòu)剩余使用年限

由表7可知LM-21標(biāo)永久變形剩余使用年限為4年,LM-22標(biāo)永久變形剩余使用年限為1年。

3 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)需求分析

通過前述分析可以發(fā)現(xiàn)部分高速公路剩余服務(wù)年限較低,因此后續(xù)的分析需要對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng),并對補(bǔ)強(qiáng)材料性能需求進(jìn)行分析。

采用注漿補(bǔ)強(qiáng)方案對基層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng),注漿后考慮層間狀況、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到恢復(fù),采用Bisar3.0進(jìn)行兩個(gè)標(biāo)段修復(fù)后層底拉應(yīng)力計(jì)算,并進(jìn)行無機(jī)層疲勞壽命分析。詳見表8、表9。

表8 注漿后不同標(biāo)段無機(jī)層層底拉應(yīng)力

表9 無機(jī)層疲勞開裂預(yù)測壽命

將無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂壽命Nf與預(yù)測交通軸次Ne進(jìn)行比較,得到LM-21標(biāo)剩余壽命為119年,LM-22標(biāo)剩余壽命為120年。

當(dāng)加鋪4 cm SMA-13時(shí),原路面上面層層位下移為中面層,中面層為主要抗車轍層需要一定的高溫性能,通過前述分析LM-22標(biāo)上面層高溫性能衰減嚴(yán)重,因此考慮采用加鋪雙層4 cm+6 cm的組合,減少后期出現(xiàn)車轍的風(fēng)險(xiǎn),針對不同加鋪層厚度進(jìn)行無機(jī)層疲勞開裂壽命預(yù)測,結(jié)果如表10、表11所示。

表10 注漿且罩面后不同標(biāo)段無機(jī)層層底拉應(yīng)力

由表10、表11可知,21標(biāo)罩面二層壽命較罩面一層壽命延長14年;22標(biāo)罩面二層壽命較罩面一層壽命延長13年。

3.1 基于彎沉控制的加鋪層模量需求分析

通過對溧馬高速進(jìn)行彎沉檢測,確定LM-21標(biāo)整體彎沉代表值為21.16(0.01 mm),LM-22標(biāo)整體彎沉代表值為20.09(0.01 mm),用Bisar3.0軟件可以計(jì)算求出路表彎沉,通過試算法確定路面層模量,LM-21標(biāo)模量為1450 MPa,LM-21標(biāo)模量為1 650 MPa。

采用Bisar3.0軟件進(jìn)行加鋪層模量需求分析,以PSSI評分提升至90分為標(biāo)準(zhǔn),即彎沉值對應(yīng)為16.3(0.01 mm),通過反算可以得出6 cm加鋪層模量需求LM-21標(biāo)為8 500 MPa,LM-22標(biāo)為5 000 MPa。

3.2 基于車轍控制的加鋪層抗車轍性能需求分析

由于LM-22標(biāo)原路面高溫性能較差,因此在進(jìn)行需求分析時(shí)以LM-22標(biāo)為主,當(dāng)采用加鋪4 cm+6 cm的方案對原路面進(jìn)行處治,得到加鋪路面結(jié)構(gòu)形式如表12所示。高溫性能詳見表13。

表12 加鋪4 cm+6 cm 路面結(jié)構(gòu)

表13 原路面高溫性能匯總

針對上述結(jié)構(gòu),基于瀝青層永久變形預(yù)估方法,對不同結(jié)構(gòu)層高溫性能需求進(jìn)行分析。基于彈性層狀體系,對路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析,確定瀝青層各分層層頂?shù)呢Q向壓應(yīng)力Pi,數(shù)據(jù)詳見表14。

表14 路面結(jié)構(gòu)層各分層豎向壓應(yīng)力

設(shè)計(jì)年限15年控制標(biāo)準(zhǔn)為12 mm,LM-22標(biāo)加鋪中面層高溫性能需求為7 000次/mm,設(shè)計(jì)年限15年控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm,中面層高溫性能需求為3 800次/mm。

4 結(jié) 論

(1)采用無機(jī)層疲勞開裂模型,考慮現(xiàn)場實(shí)際工況對基層強(qiáng)度、模量和層間狀態(tài)進(jìn)行折減,評估了無機(jī)層疲勞開裂剩余壽命,LM-21標(biāo)剩余壽命為1年,LM-22標(biāo)剩余壽命為5年。

(2)采用瀝青層永久變形模型,通過現(xiàn)場芯樣漢堡車轍試驗(yàn),評估原路面高溫性能,根據(jù)剩余車轍深度,評估了瀝青層永久變形剩余壽命,LM-21標(biāo)永久變形剩余使用年限為4年,LM-22標(biāo)永久變形剩余使用年限為1年。

(3)根據(jù)剩余服務(wù)年限分析,提出了基于彎沉控制的加鋪層模量需求和基于車轍控制的加鋪層抗車轍性能需求。