廿年路面結構基層合理厚度研究

摘要 為論證江蘇省水泥穩定碎石基層厚度組合優化的可行性，文章采用力學計算的方式進行研究，分析了基層厚度對路面結構壓應力、剪應力、拉應力、豎向壓應變及疲勞壽命的影響，同時對不同結構組合基層使用壽命富余度進行分析。結果顯示：基層疲勞壽命與層底拉應力隨著基層與面層厚度的減少而增大，現行結構組合形式下基層的疲勞開裂壽命存在較大的富余度。最終根據分析結果給出不同交通荷載等級下的基層結構組合推薦與未來材料發展方向。

關鍵詞 廿年路面；水泥穩定碎石基層；合理厚度；Bisar力學分析

中圖分類號 U416.2文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）02-0056-04

0 引言

隨著“雙碳”目標的提出，低碳環保的理念越來越受到重視[1]。江蘇省高速公路半剛性基層服役至今狀態良好，強度滿足規范要求，同時水泥穩定碎石基層及底基層結構厚度整體偏厚，可達54～60 cm[2]，且多依據經驗確定。而當前優質集料等原材料供應緊張且存在質量波動，因此存在基層厚度優化需求與空間。

為此，參考江蘇省“長壽路面 廿年面層”的設計標準，對不同基層厚度的典型路面結構進行力學響應分析[3]，以基層疲勞壽命為控制指標，分析基層厚度對基層疲勞開裂壽命的影響[4]，分析基層使用壽命富余度，論證基層組合優化的可行性。

1 不同基層結構組合力學響應分析

根據調研結果選取典型半剛性基層路面結構，分別分析拉應力、剪應力、豎向壓應力等參數沿深度變化情況。

選用Bisar3.0力學模擬軟件進行力學響應分析[5]，為了避免其他參數對力學分析的影響，將材料模量統一取10 000 MPa。典型半剛性基層路面結構參數見表1，路面結構組合選擇不同瀝青層厚度（18 cm、20 cm、24 cm）與不同基層厚度（30 cm、40 cm、50 cm、60 cm）的組合，具體見表2。

1.1 壓應力

面層厚度取24 cm，不同基層厚度條件下壓應力隨深度變化見圖1。

由圖1可知，不同基層厚度路面結構的豎向壓應力變化趨勢一致，均隨著結構深度的增加而降低。隨著基層厚度的增加，瀝青層頂面豎向壓應力變化不大。

1.2 剪應力

不同路面結構瀝青層最大剪應力見圖2。

由圖2可知，不同基層厚度路面結構的瀝青層最大剪應力變化趨勢一致，均隨著基層厚度的增加而降低，但變化不大。不同瀝青層厚度之間瀝青層最大剪應力同樣變化不大。

1.3 路表豎向壓應變

不同路面結構路表車轍見圖3。

由圖3可知，不同基層厚度路面結構的路表車轍變化趨勢一致，均隨著基層厚度的增加而降低，但變化不大。不同瀝青層厚度之間路表車轍同樣變化不大。

1.4 拉應力

不同路面結構基層層底拉應力見圖4。

由圖4可知，不同路面結構拉應力隨深度變化趨勢基本相同，在基層中隨深度的增加而增加。瀝青層厚度越小，基層層底拉應力越大，18 cm瀝青層平均比24 cm瀝青層的基層層底拉應力增大19.2%；基層厚度越小，基層層底拉應力越大，30 cm基層平均比60 cm基層的基層層底拉應力增大1.3倍，差異明顯，說明基層厚度對基層層底拉應力影響顯著。

2 基層厚度對基層疲勞壽命的影響

基于上小節計算得出不同結構組合下無機結合料層的層底拉應力，按照《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50—2017），瀝青混凝土路面結構計算采用雙圓垂直均布荷載下層狀彈性體系理論，假定路面各結構層層間連續，計算無機結合料層疲勞開裂壽命。

無機結合料層的疲勞開裂壽命應根據路面結構分析得到的各無機結合料穩定層層底拉應力來計算，按式（1）計算。

（1）

式中，Nf2——無機結合料穩定層的疲勞開裂壽命（軸次）；ka——季節性凍土地區調整系數；kT2——溫度調整系數；Rs——無機結合料穩定類材料的彎拉強度（Pa）；a、b——疲勞試驗回歸參數，按表3取值；kc——現場綜合修正系數，按式（2）計算。

（2）

式中，c1、c2、c3——參數，按表4取值；ha、hb——分別為瀝青混合料層和計算點以上無機結合料穩定層厚度；β——目標可靠指標，根據公路等級取值；——無機結合料穩定層的層底拉應力（MPa）。

不同路面結構基層疲勞開裂壽命計算結果見表5。

由表5可知，瀝青層厚度越小，基層疲勞壽命越小；基層厚度越小，基層疲勞壽命越小，30 cm基層平均比60 cm基層的基層疲勞開裂壽命降低65.9%，差異明顯，說明基層厚度對基層疲勞開裂壽命影響顯著。

3 不同結構組合基層使用壽命富余度分析

不同交通荷載等級下不同使用年限的無機結合料穩定層疲勞開裂驗算時的軸載次數見表6。

對比不同結構組合下的無機結合料層疲勞開裂壽命與設計交通荷載等級對應的累計軸載作用次數，不同路面結構對應的最大基層疲勞使用壽命見表7。

由表7可以看出：

（1）在中等及以下交通荷載等級條件下，18 cm瀝青層的路面結構中各厚度基層結構基層均達到大于50年的疲勞壽命，有較大富余度。

（2）在重等交通荷載等級條件下，20 cm瀝青層的路面結構中30 cm基層結構達到41年的疲勞壽命，其余40 cm、50 cm、60 cm基層結構基層均達到大于50年的疲勞壽命，存在較大富余度。

（3）在特重等交通荷載等級條件下，24 cm瀝青層的路面結構中60 cm基層結構基層達到43年的疲勞壽命，存在富余度；50 cm基層結構達到37年的疲勞壽命；40 cm基層結構達到30年的疲勞壽命；30 cm基層結構達到23年的疲勞壽命。

（4）整體來看，由于省內高速公路建設并沒有根據不同高速的交通荷載等級選擇合適的基層厚度，現行的高速公路基層厚度往往達到或接近60 cm，此基層厚度下中等及以下和重等交通荷載等級高速公路路面結構基層的疲勞開裂壽命存在極大的富余度，特重交通等級下60 cm基層亦存在充足富余度，所以根據不同高速的實際交通量等級，基層厚度存在較大優化空間。

4 廿年路面結構基層厚度組合及材料優化需求

4.1 基層厚度組合

針對中等及以下、重等、特重交通荷載等級，調研了江蘇省內典型高速的基層結構組合，并進行基層結構厚度推薦，見表8。

4.2 材料優化需求

當前路面建設中對于基層的主流設置為基層強度高、水泥劑量也高，底基層強度低、水泥劑量也低。這樣的設置在實際建設與服役過程中是否最為合適有待進一步研究。針對不同交通荷載等級下的基層結構組合，相應水穩材料要求也隨之變化。路面結構中基層與底基層需提升抗開裂、抗疲勞性能，且須盡量做到強度與抗裂性能的平衡設計，見圖5。

5 結語

（1）經計算，在結構力學響應方面：基層厚度越小，基層層底拉應力越大，瀝青層厚度越小，基層層底拉應力越大。在基層疲勞壽命方面：基層厚度越小，基層疲勞壽命越小，瀝青層厚度越小，基層疲勞壽命越小。

（2）經計算，現行的高速公路基層厚度往往達到或接近60 cm，此基層厚度下基層的疲勞開裂壽命存在較大的富余度，根據不同高速的實際交通量等級，基層厚度存在較大優化空間。

參考文獻

[1]邵楷模. “雙碳”目標下的瀝青路面減碳技術發展研究綜述[J]. 交通節能與環保， 2023（5）： 136-140.

[2]崔戌秋. 半剛性基層結構及材料性能發展規律研究[D]. 南京：東南大學， 2020.

[3]趙博文. 基于不同層間結合狀況的半剛性基層瀝青路面力學響應分析[J]. 北方交通， 2020（11）： 66-69.

[4]張磊， 張定一， 程龍， 等. 基于SCB試驗的既有高速公路半剛性基層疲勞壽命預估[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2023（3）： 1-10.

[5]胡新賀， 呂棟， 程剛. 基于BISAR軟件的路面結構受力分析[J]. 四川建材， 2019（7）： 127-128+130.

收稿日期：2023-12-18

作者簡介：張孝勝（1985—），男，本科，工程師，從事公路質量管理試驗檢測工作。