大厚度柔性基層長壽命瀝青路面試驗研究

doi：10.3969/j.issn.1006-8023.2024.02.021

摘" 要：為研究大厚度柔性基層瀝青路面結構內部力學行為特征及疲勞壽命，以田新高速試驗段、主路面結構為原型，分別制作全厚路面結構模型，開展同條件下瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層和水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層瀝青路面結構靜力加載對比試驗。采集不同軸載、溫度工況下各層位力學響應值，進行變化規(guī)律擬合分析，并根據實際工況計算分析疲勞壽命。結果表明，同條件下，瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層瀝青路面結構下面層底、基層底的橫向及縱向應變和豎向壓應力指標均明顯小于水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層瀝青路面結構，且2種結構的下面層底各力學指標均大于其對應基層底指標；2種結構下面層、基層的疲勞壽命對數值隨荷載等級增加呈線性下降，前者受溫度變化影響更小，且數值均較后者明顯提高；正常環(huán)境溫度和標準交通荷載下，瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層大厚度瀝青路面結構下面層與基層預期可實現長壽命。研究結果為長壽命瀝青路面結構提供新的試驗途徑與評定方法。

關鍵詞：瀝青路面；大厚度柔性基層；輪載試驗；力學行為；疲勞壽命

中圖分類號：U416.2""" 文獻標識碼：A""" 文章編號：1006-8023（2024）02-0198-10

Experimental Investigation of Large-thickness Flexible Base

Long-life Asphalt Pavement

XIE Enlian1， NIE Yihua2*， HUANG Xinyao2， TAN Bo3， NING Pengsen2

（1.Guangxi Tianxin Expressway Co.， Ltd.， Chongzuo 532800， China; 2.School of Civil Engineering， Hunan University

of Science and Technology， Xiangtan 411201， China; 3.College of Civil Engineering and Architectural，

Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract：In order to reveal the mechanical behavior characteristics and fatigue life of the structure of large-thickness flexible base asphalt pavement， full-thickness pavement structure models were created based on the prototypes of the test section of Tianxin Expressway and its main road structure， and a comparative test of static loading of asphalt pavement structures with asphalt-stabilized macadam flexible base and cement-stabilized macadam semi-rigid base under the same conditions was carried out. The mechanical response values of each layer under different shaft loads and temperature conditions were collected， the variation law fitting analysis was carried out， and the fatigue life was calculated and analyzed according to the actual working conditions. The analysis results showed that under the same conditions， for the asphalt-stabilized macadam flexible base asphalt pavement structure the lateral strain， longitudinal strain and vertical compressive stress indices of the bottom of the lower surface layer and base layer were significantly smaller than those of the cement-stabilized macadam semi-rigid base asphalt pavement structure. The mechanical indexes of the bottom of the lower surface layer of both structures were greater than those of corresponding the bottom of the base layer. The logarithmic values of the fatigue life of the lower surface layer and the base layer of the two structures decreased linearly with the increase of the load level， and the former was less affected by temperature changes， and the values were significantly higher than the latter. Under normal temperature conditions and traffic loading， the lower surface layer and base layer of the large-thickness asphalt pavement structure with asphalt-stabilized macadam flexible base were expected to achieve long service life. This study provides a new test method and analysis idea for evaluating the structure of long-life asphalt pavement.

Keywords：Asphalt pavement; thick flexible base; wheel loading test; mechanical behavior; fatigue life

收稿日期：2023-09-10

基金項目：廣西交通運輸行業(yè)重點科技項目（2022JJZK08）；廣西交通投資集團科研項目（2021TX003）；湖南省自然科學基金面上項目（2022JJ30259）。

第一作者簡介：謝恩連，高級工程師。研究方向為道路工程結構與材料。E-mail：1101819511@qq.com

*通信作者：聶憶華，博士，教授。研究方向為道路工程結構與材料。E-mail： nieyihua@hnust.edu.cn

引文格式：謝恩連，聶憶華，黃新搖，等. 大厚度柔性基層長壽命瀝青路面試驗研究[J].森林工程，2024，40（2）：198-207.

XIE E L， NIE Y H， HUANG X Y， et al. Experimental investigation of large-thickness flexible base long-life asphalt pavement[J]. Forest Engineering， 2024， 40（2）：198-207.

0" 引言

瀝青路面是一種路用性能優(yōu)異并被廣泛應用的高級路面類型，隨著我國經濟發(fā)展，提高瀝青路面耐久性或使用壽命已成為我國道路領域的重要任務[1-3]。不同國家瀝青路面結構的材料組成、設計標準及控制指標各有不同[4]，因此耐久性瀝青路面典型結構各具特色。

國內學者開展了各類耐久性、長壽命瀝青路面結構力學性能研究[5-7]，也鋪筑了多條試驗路段，取得了一定的研究成果，但整體上并未提出國內外公認的、統一的長壽命或耐久性瀝青路面結構組成。瀝青穩(wěn)定碎石混合料（Asphalt-treated base，ATB）具有抗剪強度高、抗疲勞性能好和有效抑制反射裂縫等良好路用性能，研究普遍認為大粒徑瀝青混凝土柔性基層是實現耐久性或長壽命瀝青路面結構性價比高的解決途徑之一[8-12]。本研究基于廣西大厚度柔性路面工程應用技術研究項目，以田新高速試驗段、主路面結構為原型，同條件下開展大厚度柔性基層與半剛性基層瀝青路面結構的力學行為研究，研究成果可為大厚度柔性基層瀝青路面結構應用推廣提供重要參考。

在瀝青路面服役性能分析和結構力學計算中，路面結構內部應力、應變狀態(tài)是關鍵的技術指標[13-14]。瀝青路面結構力學響應試驗目前主要有試驗路、足尺試驗、縮尺試驗和室內試驗等。試驗路法研究實際路面結構在運營交通荷載作用下的力學響應規(guī)律，如劉力源等[15]開展了服役ATB柔性基層瀝青路面力學響應實測與分析；足尺試驗法是一種大型科學試驗，試驗段在模擬實際路面加載條件下開展加速加載，如我國交通運輸部公路科學研究院環(huán)道（RIOHTrack）自2016年開始了19種寬剛度域基層結構的足尺加速加載試驗和數據采集[5，13]，但試驗裝置復雜、試驗周期長和投入費用高；縮尺試驗雖在一定程度上克服了足尺試驗上述缺點，但無法如足尺試驗獲得真實的加載環(huán)境；相比之下，室內試驗具有簡單、經濟、易控制和設備易獲取等優(yōu)點，被廣泛應用[16]。本研究充分參考車轍試驗儀的特點，設計制作能提供與實際瀝青路面荷載和結構相近條件的室內輪載試驗裝備，結合數據采集設備和分析軟件開展多層瀝青路面結構室內加載試驗，實現低成本、易操作和高效率的結構力學測試。該裝備為各類路面結構今后開展力學性能評價提供新的室內模型試驗途徑。

1" 加載試驗

1.1" 試驗模型結構

本研究的依托工程為廣西田新高速公路，選取該高速大厚度ATB柔性基層瀝青路面試驗段結構（后簡稱：ATB基層結構）和水泥穩(wěn)定碎石（Cement-treated base，CTB）半剛性基層瀝青路面主體設計結構（后簡稱：CTB基層結構），2種結構室內試驗模型如圖1所示。相關原材料及配合比均同依托工程ATB基層結構試驗路段和CTB基層結構主體路段的施工材料。實體工程結構在路面基礎上還鋪筑了底基層和墊層，室內模型未包含；模型采用邵氏硬度D75、厚度4 cm的氯丁橡膠層替代路面柔性基礎；模型整體厚度為42 cm，放置在測試設備剛性底板上。2種結構除基層材料不同外，其余各層材料及厚度均相同；保證相同材料層同批制件、同條件測試與數據采集，確保對比測試結果的可靠性。

1.2" 試驗模型制作及數據采集

2種結構分別在瀝青下面層底即AC-25C底，以及基層底即ATB-25底或5%CTB底，在水平縱向位置（沿行車方向）、水平橫向位置（垂直于行車方向）埋入電阻式應變計、豎向位置埋入雙膜土壓力盒。瀝青混凝土應變計為HNY型瀝青埋入式電阻應變計，如圖2（a）所示，精度為0.1 με，工作溫度范圍為-30～250 ℃。水泥混凝土應變計型號為HNY型混凝土埋入式電阻應變計，如圖2（b）所示，精度為0.1 με，工作溫度范圍為-30～250 ℃。雙膜土壓力盒型號為YWC，如圖2（c）所示，精度為0.1 kPa，工作溫度范圍為-35～80 ℃。數據采集儀為便攜式動態(tài)信號分析系統，型號為DH3822，如圖2（d）所示。

各層試件尺寸為300 mm×300 mm，均采用輪載試件成型儀碾壓成型制作。成型厚度h≤10 cm的試件采用一次成型，厚度大于10 cm的試件則多次成型，如20 cm的ATB或CTB分2層成型；各類型試件成型及養(yǎng)護參照各類材料相關規(guī)范要求進行。各層試件成型后，進行傳感器埋設，然后采用改性乳化瀝青將各層黏結成整體，用壓力機施加約3 kN的力，靜壓2 min確保層間完全連續(xù)，待下層位的試件黏結穩(wěn)定后再進行上層位的試件黏結，直至全部黏結完成，最后根據試驗方案開展試驗及數據采集工作。傳感器的埋設采用坑式埋設法，即根據設計要求確定好傳感器安裝位置后，在埋設處預埋一定尺寸的小木箱，待固結成型后取出。將傳感器埋入坑內，ATB層周圍用AC-13瀝青混合料回填（剔除大于1 cm以上骨料）、CTB層周圍采用水泥砂漿回填，并人工分層振搗密實（埋入深度上距底面不低于1 cm）。試件加載輪寬度5 cm，加載前通過測量輪壓面積進行荷載等級標定。試件制作、加載及數據采集過程具體如圖3所示。

1.3" 試驗加載方案

本研究為靜載試驗，通過改變試驗環(huán)境溫度和靜載荷載大小采集2種基層結構不同層位的應力應變響應值。試驗條件如下。

加載設備為特制輪載試驗機，如圖3（c）所示，試驗荷載系統采用氣動加載方式，荷載大小可在0.5～10 kN任意調節(jié)；試驗前進行相應荷載標定，加載時荷載緩慢增加至規(guī)定值，確保無沖擊。

環(huán)境溫度選取30 ℃±2 ℃（常溫）、60 ℃±2 ℃（高溫）。試件在選定環(huán)境溫度下養(yǎng)護時間不低于24 h，方可開展加載試驗。

靜載荷載采用0.5、0.7、0.9、1.1、1.3 MPa共5個等級。

試驗流程為先進行常溫試驗，后進行高溫試驗；依次進行0.5～1.3 MPa各等級的靜載試驗，試件在選定荷載等級下，加載靜力穩(wěn)定（約1 min）后方可采集數據，各次荷載試驗完成卸載應間隔5 min后再進行下一等級荷載試驗。

2" 力學響應規(guī)律分析

2.1" 不同荷載的力學響應規(guī)律

圖4為2種結構在環(huán)境溫度30 ℃條件下，下面層底、基層底的橫向應變（水平垂直于行車方向）、縱向應變（水平沿行車方向）和豎向壓應力（豎向） 隨荷載等級變化的規(guī)律。全文受壓為正值，受拉為負值。具體分析如下。

由圖4（a）可知，2種結構的下面層底、基層底水平垂直于行車方向均為橫向拉應變，且均隨荷載等級的增加呈線性增加，擬合相關系數高，且2種結構基層底的橫向拉應變均小于下面層底的相應值。所選5個軸載等級下，ATB基層結構的下面層底、基層橫向拉應變及其隨荷載等級增加的速度均明顯小于CTB基層結構。因此，ATB基層結構相較于CTB基層結構，在下面層底和基層底的橫向拉應變力學指標上更為安全和耐久。

由圖4（b）可知， 2種結構的下面層底、基層底水平沿行車方向均為縱向拉應變，均隨荷載等級的增加呈線性增加，擬合相關系數高，且2種結構基層底的縱向拉應變均小于下面層底的拉應變。5個軸載等級下，ATB基層結構的下面層底、基層底拉應變及其增加速率均小于CTB基層結構，表明在縱向應變力學指標上前者更為安全和耐久。

由圖4（c）可知，2種結構的下面層底、基層底豎向壓應力均隨荷載等級的增加呈線性增加，擬合相關系數高，且2種結構基層底的豎向壓應力均小于下面層底的相應值。所選5個軸載等級下，ATB基層結構的下面層底、基層豎向壓應力及隨荷載等級增加的速度均明顯小于CTB基層結構。由此可知，ATB基層結構相較于CTB基層結構，在下面層底、基層底的豎向壓應力力學指標上更為安全。

2.2" 不同溫度的力學響應規(guī)律

圖5為2種結構在標準軸載0.7 MPa作用下的力學響應規(guī)律。下面層底、基層底的橫向應變、縱向應變和豎向壓應力隨環(huán)境溫度即30 ℃常溫和60 ℃高溫變化規(guī)律分析如下。

由圖5（a）可知，30 ℃（常溫）或60 ℃（高溫）時，2種結構的下面層底、基層底水平垂直于行車方向均為橫向拉應變，下面層底的橫向拉應變值在高溫環(huán)境下明顯高于常溫環(huán)境下，基層底的橫向拉應變值在高溫環(huán)境下略高于常溫環(huán)境下，表明不同層位的橫向拉應變隨溫度變化幅度不同。無論常溫和高溫，ATB基層結構的下面層底、基層底的橫向拉應變值均顯著小于CTB基層結構，表明前者在橫向應變力學指標上更為安全和耐久。

由圖5（b）可知，30 ℃（常溫）或60 ℃（高溫）時，2種結構的下面層底、基層底水平沿行車方向均為縱向拉應變，各點數值在高溫下明顯大于常溫下。無論常溫和高溫，ATB基層結構的下面層底、基層底的縱向應變均明顯小于CTB基層結構，表明前者在縱向應變力學指標上更為安全和耐久。

由圖5（c）可知，30 ℃（常溫）或60 ℃（高溫）時，2種結構的下面層底豎向壓應力值在高溫下均低于常溫下。無論常溫和高溫，ATB基層結構的下面層底、基層底的豎向應力值均明顯小于CTB基層結構，表明在豎向壓應力力學指標上前者更為安全。

2.3" 不同層位的力學響應規(guī)律

圖6為在標準軸載0.7 MPa作用下，30 ℃（常溫）或60 ℃（高溫）時，2種結構下面層底、基層底的橫向應變、縱向應變、豎向壓應力隨層位變化的規(guī)律，分析如下。

由圖6（a）可知，2種結構下面層底、基層底的水平垂直于行車方向均為橫向拉應變，表明下面層底、基層底均易產生橫向拉應變疲勞開裂。ATB基層結構與CTB基層結構下面層底的橫向拉應變值均明顯大于其基層底。在常溫或高溫下，ATB基層結構下面層底、基層底的橫向拉應變均顯著小于CTB基層結構，表明在橫向應變力學指標上前者更為安全和耐久。

由圖6（b）可知，2種結構的下面層底、基層底水平沿行車方向均為縱向拉應變，表明下面層底、基層底均易產生縱向拉應變疲勞開裂，在相同溫度環(huán)境下，下面層底的縱向拉應變大于基層底的縱向拉應變。在常溫和高溫下，ATB基層結構下面層底、基層底的縱向拉應變均明顯小于CTB基層結構，表明在縱向應變力學指標上前者更為安全和耐久。

由圖6（c）可知，在相同環(huán)境溫度下2種結構下面層底的豎向壓應力值均大于基層底，ATB基層結構下面層底、基層底的豎向壓應力均明顯小于CTB基層結構，表明在豎向壓應力力學指標上前者更為安全。

3" 疲勞壽命計算分析

3.1" 疲勞方程

呂松濤等[17]提出目前國內外瀝青路面設計方法大都是基于材料與結構的疲勞特性而建立的，瀝青混合料疲勞性能表征的不確定性與不客觀性問題嚴重影響了瀝青路面的耐久性與可靠性，瀝青路面處于三維應力應變狀態(tài)，瀝青混合料疲勞性能表征方程大多來源于一維或二維應力狀態(tài)下的疲勞試驗，并未全面考慮應力、應變張量的各分量共同作用所產生的疲勞效應，有失客觀。本研究試驗模型源于真實路面結構、荷載及環(huán)境溫度，在三維應力狀態(tài)開展試驗和采集數據，根據《公路瀝青路面設計規(guī)范》（JTG D50—2017）[18]中疲勞壽命計算公式，對采集應變數據開展疲勞分析。

瀝青混合料層的疲勞開裂壽命按公式（1）計算。

Nf1=6.32×1015.96－0.29 βkakbk－1T11σa3.971εa1.58（VFA）2.72 。

（1）

式中：Nf1為瀝青混合料的疲勞開裂壽命，軸次；β為目標可靠度指標；ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調整系數；kb為疲勞加載模式系數；Ea為瀝青混合料20 ℃的動態(tài)壓縮模量，MPa；VFA為瀝青混合料飽和度，%；kT1為溫度調整系數；εa為瀝青混合料層層底拉應變（10-6）。

無機結合料層的疲勞開裂壽命按公式（2）計算。

Nf2=kak－1T2×10a－bσtRs+kc－0.57β。（2）

式中：Nf2為無機結合料穩(wěn)定層的疲勞開裂壽命，軸次；ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調整系數；kT2為溫度調整系數；Rs為無機結合料穩(wěn)定料彎拉強度，MPa；a、b為疲勞試驗回歸系數；kc為現場綜合修正系數；β為目標可靠度指標；σt為無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力，MPa。

3.2" 疲勞壽命

根據田新高速公路的工況參數，結合室內試驗得到的層底拉應變值，瀝青混凝土層采用式（1）、半剛性基層采用式（2），分別計算得到相應的疲勞壽命值。圖7為常溫、高溫下計算得到的疲勞壽命對數值隨荷載等級變化規(guī)律。由圖7分析可知，2種結構在30 ℃（常溫）或60 ℃（高溫）時，下面層、基層的疲勞壽命對數值均隨荷載等級增加呈線性下降，符合材料疲勞變化規(guī)律。

由圖7（a）可知， ATB基層結構下面層在常溫與高溫下的疲勞壽命差值接近于CTB基層結構的對應差值（約5倍），表明2種結構在高溫下的下面層疲勞壽命下降幅度接近。在相同溫度以及荷載等級下，ATB基層結構下面層疲勞壽命明顯大于CTB基層結構。

由圖7（b）可知，2種結構常溫下的疲勞壽命值均高于高溫下的相應值，ATB基層結構基層在常溫與高溫下的疲勞壽命差值（約10倍）明顯小于CTB基層結構的對應差值（大于100倍），表明CTB基層結構在高溫下的基面層疲勞壽命下降幅度大。在相同溫度以及相同荷載等級下，ATB基層結構基層的疲勞壽命顯著大于CTB基層結構。

3.3" 長壽命判定

根據田新高速公路的工況參數，試驗測試得到的層底拉應變值，瀝青混凝土層采用式（1）、半剛性基層采用式（2），計算得到相應層位的疲勞壽命值，見表1和表2。

文獻[7]和[19]提出對于全柔式長壽命瀝青路面（設計壽命≥40 a）的熱拌瀝青混合料（Hot Mixture Asphalt，HMA）疲勞極限確定的應變保守取值65 με，室內極限軸載作用次數保守估計值50百萬次，室外極限軸載作用次數保守估計值500百萬次。為判定是否為長壽命結構，對于2種結構，瀝青混凝土層采用疲勞極限確定應變保守取值65 με，各層疲勞壽命保守取值500百萬次作為長壽命判定指標，兩者同時滿足可判定為長壽命層位，具體判定結果見表1和表2。

由表1可知，對于ATB基層結構，在常溫和高溫下5個荷載等級中，常溫下荷載等級為0.5、0.7、0.9 MPa時，高溫下荷載等級為0.5、0.7 MPa時，下面層可判定為長壽命層位；常溫或高溫下荷載等級為0.5、0.7、0.9 MPa時，ATB基層可判定為長壽命層位；綜合可得常溫下荷載等級為0.5、0.7、0.9 MPa時，高溫下荷載等級為0.5 MPa和0.7 MPa時，下面層、基層均判定為長壽命層位。

由表2可知，對于CTB基層結構，在常溫和高溫下5個荷載等級中除了常溫、荷載等級為0.5 MPa和0.7 MPa時，僅基層可判定為長壽命層位外，其他條件下的下面層、基層均不能判定為長壽命層位。

綜上所述，本研究所選取的ATB基層結構（下面層+基層），常溫或高溫下不高于標準軸載0.7 MPa情況下，由實測數據估算的疲勞壽命能判定為長壽命結構，而常規(guī)CTB基層結構（下面層+基層）不能判定為長壽命結構。試驗與計算分析表明本研究選用的ATB基層大厚度瀝青路面結構（38 cm）可實現長壽命（≥40 a）。

4" 結論

ATB基層結構和CTB基層結構靜力加載對比試驗研究結論如下。

1）在常溫下，2種結構下面層底、基層底的橫向及縱向應變和豎向壓應力等3個指標均隨荷載等級的增加呈線性增加，擬合相關系數高，且下面層底的力學指標均大于基層底的力學指標；ATB基層結構的3個力學值及其隨荷載等級增加速度均明顯小于CTB基層結構，力學上更為安全。

2）在標準軸載作用下，2種結構在常溫或高溫下的下面層底、基層底的橫向、縱向均為拉應變；無論常溫和高溫下，ATB基層結構下面層底、基層底的橫向應變、縱向應變、豎向壓應力等3個力學值均明顯小于CTB基層結構，力學上更為安全。

3）在常溫或高溫下，2種結構的疲勞壽命對數值均隨荷載等級增加呈線性下降，常溫下疲勞壽命均大于高溫下，符合材料疲勞變化規(guī)律；ATB基層結構下面層、基層的疲勞壽命受溫度變化影響小，數值均明顯大于CTB基層結構。

（4）30 ℃下荷載等級為0.5、0.7、0.9 MPa時，60 ℃下荷載等級為0.5 MPa和0.7 MPa時，本研究選用的ATB基層大厚度瀝青路面結構（38 cm）的下面層、基層預期可實現長壽命（疲勞極限應變≤65 με，疲勞壽命≥500百萬次）。

本研究初步探討ATB柔性基層大厚度瀝青路面結構靜力響應規(guī)律及疲勞壽命優(yōu)越性，但由于僅針對2種對比結構，相關結論是否適合于不同厚度和材料等結構組合還待進一步研究，動力學響應、疲勞試驗和工程試驗段監(jiān)測分析是本研究持續(xù)開展的重點。

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