重載交通柔性基層瀝青路面設(shè)計及應(yīng)用

收稿日期：2023-11-07

作者簡介：周輔昆（1982—），男，本科，高級工程師，從事道橋設(shè)計工作。

摘要 以某國道公路新建段為例，根據(jù)交通量調(diào)查，文章提出柔性基層瀝青路面應(yīng)用思路，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，進(jìn)而構(gòu)建路基模型。對各種輪載作用后基層結(jié)構(gòu)可能面臨的彎拉應(yīng)變、豎向應(yīng)變、土基頂面應(yīng)變、路表彎沉、面層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力等各類指標(biāo)的選取和最佳取值進(jìn)行仿真和預(yù)估，并對工程應(yīng)用效果進(jìn)行分析評價。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計思路對于重載交通較為適用，柔性基層瀝青路面建成試運行時無明顯早期病害，抗車轍性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞 重載交通；柔性基層；瀝青路面；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號 U416.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼 B文章編號 2096-8949（2024）01-0125-03

0 引言

半剛性基層路面具有承載力強、性能穩(wěn)定、耐久性優(yōu)異等特點，在我國重載道路中有一定應(yīng)用。但隨著運行時間的增長，交通量的增大，其基層路面潛在的缺陷便不斷出現(xiàn)，其中，最需要關(guān)注的是因溫度差異而表現(xiàn)出的反射裂縫，其形成的部位以及形成過程十分隱蔽，并會在特殊時期（如交通量驟增、持續(xù)降雨）集中爆發(fā)，破壞力大，為公路養(yǎng)護(hù)管理部門留出的養(yǎng)護(hù)處治時間較短。在此背景下，瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層應(yīng)運而生。這種結(jié)構(gòu)不受水分環(huán)境影響，所以，遭遇雨水入滲后發(fā)生水損壞和裂縫的可能性明顯比半剛性基層小，能夠顯著提升路用性能。但是該結(jié)構(gòu)應(yīng)用于瀝青路面后，隨著交通量的持續(xù)增加，面臨車轍破壞發(fā)生的可能性較大，因此，在設(shè)計時應(yīng)加強重載交通柔性基層路面抵抗車轍、裂縫病害的優(yōu)化，保證瀝青路面質(zhì)量，延長道路使用壽命。

1 工程背景

某國道公路K44+000～K82+750段有1處收費站，資料顯示，該站點從2020年以來交通量持續(xù)增大，2020年及2021年日交通量均值分別達(dá)到7 841輛/d和8 430輛/d，同時還有針對性地對中型和大型客車、貨車的具體占比展開分類與比較，將比較結(jié)果和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）中相應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行對比，公路段明顯為特重交通荷載等級。

以其現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)為例，參照所能取得的重型交通設(shè)計建設(shè)成果，分析所研究路面材料適用的抗壓模量合理值范圍，同時展開柔性基層及所對應(yīng)的各層路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。參數(shù)取值情況見表1。

對于常規(guī)連續(xù)級配類型的瀝青混合料而言，其材料結(jié)構(gòu)強度通常由瀝青和礦料穩(wěn)固黏結(jié)進(jìn)而達(dá)成，這種操作方式下具體的黏結(jié)效果會受到外界環(huán)境、公路交通規(guī)模等的較大影響，如果處理不當(dāng)會發(fā)生車轍、低溫開裂等病害。如果片面地要求粗集料具備較好的嵌擠效果，必須增大粗集料摻量，如此處理的直接結(jié)果便是最大篩孔所對應(yīng)的級配曲線變得更加陡峭，因混合料級配不良而造成離析的可能性較大[1]。項目組也對這種情況進(jìn)行多輪次分析驗證，同時還對混合料級配等展開數(shù)次馬歇爾檢驗，最終決定采用ATB-25和ATB-30等兩種密級配瀝青穩(wěn)定碎石，級配情況見表2。

2 有限元分析

2.1 模型的構(gòu)建

依托該國道公路段運行過程，得到精確結(jié)果的同時，還全面引入單因素模型分析手段，借助ANSYS有限元工具構(gòu)建起路基仿真分析模型，模型設(shè)計長度為6 m、寬為4 m、深度按6 m確定。路面各結(jié)構(gòu)層全部遵從各向同性的設(shè)計原則，同時確保相鄰結(jié)構(gòu)層間完全黏結(jié)[2]；通過Solid45實體單元展開模擬分析，同時，結(jié)合分析需要加密處理過渡受荷部位，以提升仿真分析結(jié)果的精確度。

2.2 荷載參數(shù)

全面展開此國道路段實際運行過程中可能面臨的交通荷載的調(diào)查，根據(jù)相應(yīng)結(jié)果，不同載重類型車輛荷載參數(shù)取值情況顯然存在差異。貨車等重型車輛單軸雙輪組軸載、雙軸雙輪組軸載、三軸雙輪組軸載分別為130～210 kN、130～230 kN、150～220 kN。結(jié)合相關(guān)的設(shè)計思路，路面實際情況、載重量、輪胎性質(zhì)等均直接影響輪胎接地面積，在其他因素假定不變的情況下，面對較高的輪胎胎壓，車輪和路面的直接接觸面積顯然較小，路面結(jié)構(gòu)對車輛荷載的承擔(dān)性能也相應(yīng)較高；反之則反是。根據(jù)取得的相關(guān)數(shù)據(jù)和以上分析思路，提出具有普遍適用性的柔性基層路面車輪的接地面積和交通荷載相關(guān)的經(jīng)驗公式[3]，表示如下：

A=0.008P+152 （1）

式中，A——正常運行車輛輪胎和柔性基層路面實際接觸的面積；P——各輪胎向公路路面所實際施加的荷載。在各輪胎所施加荷載均勻展布于接觸面瀝青路面的情況下，很容易得到代表性車輛軸重與車輪覆蓋地面區(qū)域所對應(yīng)的面積、輪壓間的變量關(guān)系，見表3。

3 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)特征模擬

為簡化對以上過程的分析，假設(shè)不同層間處于完全連續(xù)狀態(tài)，輪載也是在接觸面的面積上均勻分布，根據(jù)相關(guān)取值進(jìn)行輪載以及當(dāng)量圓半徑值的具體確定。在展開力學(xué)響應(yīng)過程的研究時，重點論證差異性輪載下結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)變、豎向應(yīng)變、基頂應(yīng)變、路表彎沉、面層剪應(yīng)力等各項參數(shù)的取值。

3.1 路表彎沉

瀝青路面結(jié)構(gòu)層不同深度下所對應(yīng)的豎向變形之和也就是設(shè)計過程中所需要推求的路表彎沉。在受到相應(yīng)輪載的碾壓處理后路表輪隙彎沉取值情況及分布的均勻程度見表4。在所對應(yīng)的豎向荷載取值完全一致時，兩種完全不同類型的基層路面對應(yīng)的彎沉值不盡相同，然而其彎沉變動的趨勢規(guī)律卻大致相同，這主要表明瀝青路面彎沉的具體變化并非主要受路面結(jié)構(gòu)類型的影響，而是另有主因[4]。

3.2 結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)變

因受到具體的車輪荷載作用，瀝青路面結(jié)構(gòu)層由此所表現(xiàn)出的層底部位拉應(yīng)變值具體見表5。也就是在車輪荷載值不斷增大的過程中，面層等主要結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的拉應(yīng)變值總是位于較低取值水平，由此對路面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響也并不十分顯著；碎石基層層底拉應(yīng)變和輪載兩類參數(shù)的取值基本為線性關(guān)系，兩者同比例同趨勢增減。按照永久路面設(shè)計理論的相關(guān)思路，混合料臨界彎拉應(yīng)變值所相對的疲勞壽命可以將其視為結(jié)構(gòu)和材料的疲勞極限。為此，在展開該公路柔性基層永久瀝青路面設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)將瀝青層底彎拉應(yīng)變的設(shè)計取值嚴(yán)格控制在疲勞極限所對應(yīng)的應(yīng)變值以下，且不得超出70×10?6的上限。

3.3 面層剪應(yīng)力

受到相應(yīng)的輪載碾壓下，還應(yīng)展開柔性基層瀝青路面不同結(jié)構(gòu)層所對應(yīng)的剪應(yīng)力取值程度調(diào)查分析，由此得知，在忽略豎向接觸荷載以外所有可能因素影響的情況下，具備柔性特征的基層瀝青路面結(jié)構(gòu)必將表現(xiàn)出幾種靜態(tài)力學(xué)性變化的趨勢特征：第一，當(dāng)各車輪輪載取值不斷增加的形勢下，路表面之下各層的水平剪應(yīng)力全部增大，水平向剪應(yīng)力峰值的最大增幅可能達(dá)到41.2%，這就表明在交通荷載等級較大的情況下，路表以下各結(jié)構(gòu)層內(nèi)均存在取值較大的剪切應(yīng)力。第二，在這種研究深度不斷增加時，路表下部各結(jié)構(gòu)層水平剪應(yīng)力按照原來的趨勢和速度增至一定范圍且達(dá)到一定峰值水平后便會以較快的走勢驟減。第三，路表結(jié)構(gòu)層以下的各層中剪應(yīng)力峰值的取值無論如何變動均不超出4～6 cm，也就是說在相應(yīng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計及施工過程展開的具體過程中，必須將重點始終放在瀝青中面層抗剪性能分析、探索、優(yōu)化等方面。

4 應(yīng)用效果監(jiān)測

按照以上設(shè)計結(jié)果，該國道公路K44+000～K45+000試驗段展開重載交通柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層攤鋪施工，施工完成并達(dá)到開放交通條件后，對碎石基層高溫性能、力學(xué)性能、水穩(wěn)性等關(guān)系到路用性能的主要參數(shù)取值展開檢測分析。

4.1 力學(xué)性能檢測

（1）劈裂試驗。展開AH-70#類型的瀝青和AH-50#類型的瀝青力學(xué)性能的試驗和檢測，全部采用最佳的瀝青摻量，嚴(yán)格遵從《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE 20—2011）具體的規(guī)定展開試塊預(yù)制，具體的尺寸采用Ф152.4 mm×95.3 mm規(guī)格，此后依照試驗規(guī)程施行劈裂檢測。所得出的數(shù)據(jù)，采用密級配設(shè)計思路的瀝青穩(wěn)定碎石基層、水穩(wěn)性能基層、石灰和粉煤灰穩(wěn)定基層所對應(yīng)的具體劈裂強度取值在1.168～1.757 MPa、0.481～0.876 MPa、0.518～0.802 MPa區(qū)間段內(nèi)，所對應(yīng)的平均值依次取1.476 MPa、0.654 MPa、0.719 MPa。這充分表明，瀝青穩(wěn)定碎石基層具有比其余類型基層結(jié)構(gòu)均優(yōu)異的劈裂強度，應(yīng)當(dāng)為首選。

（2）抗壓回彈模量。按照相同的規(guī)格尺寸進(jìn)一步預(yù)制馬歇爾擊實試塊，制備好后隨即遵從規(guī)程進(jìn)行柔性基層結(jié)構(gòu)材料的單軸回彈模量檢測，結(jié)合實際取得的抗壓強度結(jié)果和抗壓回彈模量結(jié)果，以上三種類型的基層結(jié)構(gòu)抗壓強度值依次在6.21～10.12 MPa、3.10～6.14 MPa、0.78～1.17 MPa范圍內(nèi)選取，這同樣說明，瀝青穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)及材料所具備的強度和抗壓性能仍是最優(yōu)。該類型的基層所具體對應(yīng)的抗壓回彈模量取值介于1 530.7～

1 724.8 MPa間，平均值基本達(dá)到1 629.1 MPa。此外，再綜合分析不同類型基層結(jié)構(gòu)試驗過程中所取得的抗壓回彈模量的均值，得到的結(jié)論與劈裂試驗結(jié)果基本吻合，即瀝青穩(wěn)定碎石基層所具備的剛度值仍為各基層形式中的最大。

（3）水穩(wěn)性能。瀝青材料對基層結(jié)構(gòu)的黏附性能必然會由于水分含量過高而表現(xiàn)出顯著的降低趨勢，如果再加上行車荷載的反復(fù)碾壓，必將引發(fā)結(jié)構(gòu)早期水損。在這一背景下，分別按照3.5%和4%的瀝青材料用量展開試塊制備，同時依據(jù)試驗規(guī)程對試塊實施浸水馬歇爾試驗。通過試驗方式得到進(jìn)一步驗證，以上各種類型瀝青和相應(yīng)制備出的混合料均具有取值十分接近的浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度結(jié)果，該取值均不低于80%，明顯比75%的規(guī)范值高。這也對瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料優(yōu)異的水穩(wěn)性能進(jìn)行了一定程度的驗證。

4.2 高溫動穩(wěn)定度試驗

考慮該國道交通路段運行的可能情況，選擇60 ℃試驗溫度實施車轍試驗，根據(jù)試驗過程以及所得出的結(jié)果展開瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料級配的比選以及動穩(wěn)定度取值的進(jìn)一步明確。結(jié)果體現(xiàn)出，動穩(wěn)定度取值情況和級配等級情況表現(xiàn)出截然相反的趨勢，且毫無規(guī)律可言。這充分驗證了級配等級和孔隙率等指標(biāo)均會對混合料抗車轍性能造成較為關(guān)鍵的影響。

在其余試驗條件均假設(shè)不變的情況下，只是相應(yīng)調(diào)整瀝青材料的摻加量，相應(yīng)地展開該國道重型荷載交通路段柔性基層結(jié)構(gòu)的車轍試驗。根據(jù)相應(yīng)得出的結(jié)果（見表6），試驗溫度等基本情況不改變，柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)及材料所表現(xiàn)出來的動穩(wěn)定度性能明顯跟隨瀝青摻加量的提升而驟降。

在30 ℃、45 ℃及60 ℃的試驗溫度下展開兩種不同類型混合料的車轍檢驗，由此得知，在試驗溫度一度提升的影響下，混合料材料所具備的動穩(wěn)定度性能快速降低；其中，ATB-30級配類型的混合料動穩(wěn)定度的波動表現(xiàn)出更加明顯的趨勢。最終，該國道重載交通柔性基層瀝青路面按照ATB-25的級配等級展開設(shè)計。

5 結(jié)束語

該文分析結(jié)果使設(shè)計人員對重載交通柔性基層瀝青路面受力狀況有了較全面的認(rèn)識和了解，也為該類型瀝青路面設(shè)計提供了理論依據(jù)，特別是車輛軸重增加較大的情況下，瀝青路面剪切應(yīng)力、疲勞應(yīng)力、永久變形等均快速增大，路面表現(xiàn)出早期破壞，加強重載交通柔性基層瀝青路面設(shè)計的工程效果也更加凸顯。該國道公路段于2019年底進(jìn)行了柔性基層瀝青路面鋪筑施工，并以瀝青碎石為上基層材料；2021年1月建成運行，經(jīng)過近2年的觀察，路段無明顯車轍、水損病害出現(xiàn)。該工程設(shè)計及施工方案可用于同類重載交通柔性基層路面。

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