基于正交理論的復合式長效路面力學指標分析

孔令偉，李 杰,，李 靜

(1．武漢工程大學交通研究中心，湖北 武漢 430074；2．華中科技大學土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

我國公路建設事業(yè)發(fā)展迅猛、成就巨大，然而路面早期破壞現(xiàn)象十分普遍，實際使用年限遠低于設計壽命，嚴重影響了路面的使用性能，給國家造成巨大經(jīng)濟損失.因此，有必要尋求一種既經(jīng)濟又長效的路面結(jié)構(gòu).長效路面，又稱長壽命路面或永久性路面，是一種在當今國際上受到高度重視的新路面設計理念，其路面結(jié)構(gòu)形式有全厚式瀝青路面、半剛性基層瀝青路面、復合式路面等[1].

王選倉教授、侯榮國學者提出了在水泥混凝土板上鋪設優(yōu)質(zhì)瀝青面層的復合式長效路面結(jié)構(gòu)，這種路面結(jié)構(gòu)剛?cè)岵?，充分發(fā)揮了瀝青路面和水泥混凝土路面的優(yōu)點，是一種結(jié)構(gòu)合理、有良好發(fā)展前景的路面結(jié)構(gòu)組合[2-3].為了豐富和發(fā)展長效路面結(jié)構(gòu)型式，筆者根據(jù)“剛基優(yōu)面”的設計思想推薦復合式長效路面組合結(jié)構(gòu)至上而下為：優(yōu)質(zhì)瀝青面層(AC)+應力吸收層+水泥混凝土板(PCC)+防水聯(lián)接層+水泥穩(wěn)定碎石基層，路面結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.優(yōu)質(zhì)瀝青面層作為主要功能層，提供防水、降噪和防滑等作用；水泥混凝土板是主要的承載層；應力吸收層能有效吸收層間反射應力，防止瀝青面層與水泥混凝土板出現(xiàn)“兩層皮”的現(xiàn)象，同時與防水聯(lián)接層共同作用防止自由水進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部.為了合理擬定復合式長效路面結(jié)構(gòu)，運用正交理論分析了在不同厚度和材料組合下的路面力學響應情況，并歸納其變化規(guī)律，為復合式長效路面結(jié)構(gòu)設計提供參考.

圖1 AC+PCC復合式長效路面結(jié)構(gòu)示意圖

1 正交試驗

1.1 力學指標的選取

復合式長效路面兼具有瀝青路面和水泥混凝土路面的特點，在選擇相應的力學反應量時，應根據(jù)“規(guī)范”綜合考慮瀝青路面設計和水泥混凝土路面設計的控制指標.我國瀝青路面結(jié)構(gòu)設計采用彎沉值做為主要的控制指標[4]，一般認為當瀝青層厚度比較小時(一般為4～12 cm)，瀝青面層處于受壓或較小拉應力狀態(tài)，能夠滿足力學性能指標[5]；在暫不考慮混凝土板接縫、傳荷能力和溫度翹曲應力影響的情況下，水泥混凝土板設計以板底彎拉應力為主要指標[6].據(jù)此提出復合式長效路面正交試驗的力學指標為：路表彎沉、水泥混凝土板底彎拉應力，相應的力學指標采用彈性層狀體系理論計算程序Bisar軟件計算，路面結(jié)構(gòu)計算的參數(shù)見表1.

表1 AC+PCC復合式長效路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

Table 1 Mechanics parameter of AC+PCC long-life pavement

路面結(jié)構(gòu)厚度/cm模量/MPa泊松比優(yōu)質(zhì)瀝青面層4～81 4000.35水泥混凝土板26～3031 0000.25水泥穩(wěn)定碎石基層30～401 5000.35土基30-400.40

1.2 正交試驗設計

a.影響因素和因素水平的確定.從路面結(jié)構(gòu)和材料組合的角度出發(fā)，提出瀝青面層厚度、水泥混凝土板厚度、水泥穩(wěn)定碎石層厚度和地基模量4個因素，相應的因素水平根據(jù)“規(guī)范”和工程經(jīng)驗初步確定，見表2[7].

表2正交試驗影響因素和因素水平表

Table 2 Main influential factors and levels of orthogonal design

各項ABCD瀝青面層厚度/cm水泥混凝土板厚度/cm水泥穩(wěn)定碎石層厚度/cm土基模量/MPa142630302628353538304040

b.正交試驗表格的選取.根據(jù)確定的影響因素和因素水平，選擇L9(34)的正交試驗表，試驗組合方案和設計指標計算結(jié)果見表3.

表3 正交試驗方案及設計指標計算結(jié)果表

1.3 試驗結(jié)果分析

運用正交理論的極差分析法對計算結(jié)果進行分析，根據(jù)均值和極差的大小排列得到影響因素對設計指標的影響程度順序、優(yōu)水平和各個指標下的最優(yōu)水平組合，分析結(jié)果見表4和表5.

表4正交試驗彎沉指標極差分析

Table 4 Orthogonal design range analysis of the surface deflection

所在列ABCD均值140.56741.72341.90343.660均值239.92339.86739.89739.643均值339.68338.58338.37336.870極差0.8843.1403.5306.790主次順序D>C>B>A優(yōu)水平A3B3C3D3最優(yōu)水平組合A3 B3 C3 D3

a.彎沉試驗結(jié)果分析.

運用極差分析法分析各個影響因素和因素水平對路表彎沉設計指標的影響規(guī)律時，考慮的影響因素和因素水平分別為：瀝青面層厚度4～8 cm，水泥混凝土板厚度26～30 cm，水泥穩(wěn)定碎石層厚度30～40 cm，土基模量30～40 MPa.具體計算值和分析數(shù)據(jù)見表4.

由表4可見，對于路表彎沉指標，各個影響因素的主次順序為：土基模量>水泥穩(wěn)定碎石層厚度>水泥混凝土板厚度>瀝青面層厚度.土基模量是影響路表彎沉的最主要因素，其次是水泥穩(wěn)定碎石層厚度和水泥混凝土板厚度，瀝青面層厚度對路表彎沉影響程度不大.

b.水泥混凝土板底彎拉應力試驗結(jié)果分析.

運用極差分析法分析各個影響因素和因素水平對水泥混凝土板底彎拉應力設計指標的影響規(guī)律時，考慮的影響因素和因素水平分別為：瀝青面層厚度4～8 cm；水泥混凝土板厚度26～30 cm；水泥穩(wěn)定碎石層厚度為30～40 cm；土基模量30～40 MPa，具體計算值和分析數(shù)據(jù)見表5.

由表5可見，對于水泥混凝土板底彎拉應力指標，各個影響因素的的主次順序為：水泥混凝土板厚度>水泥穩(wěn)定碎石層厚度>瀝青面層厚度>土基模量.水泥混凝土板底彎拉應力隨其自身厚度的變化比較顯著，其它影響因素的影響程度相差不大.但水泥混凝土板厚度越大，其溫度翹曲應力越大，選擇適宜的厚度即可.

表5正交試驗PCC板底彎拉應力指標極差分析

Table 5 Orthogonal design range analysis of the surface deflection flexural stress of cement concrete

所在列ABCD均值10.3950.4140.4010.389均值20.3830.3780.3790.377均值30.3690.3550.3670.380極差0.002 60.0590.0340.012主次順序B>C>A>D優(yōu)水平A3B3C3D3最優(yōu)水平組合A3 B3 C3 D2

c.綜合分析各因素對路表彎沉和水泥混凝土板底彎拉應力指標

單獨分析各個指標得到的影響因素主次順序和優(yōu)水平組合并不一致，必須綜合考慮各因素對路表彎沉和水泥混凝土板底彎拉應力兩個指標的影響情況，確定合理經(jīng)濟的PCC+AC復合式長效路面結(jié)構(gòu).

瀝青面層厚度對彎沉和水泥混凝土板底彎拉應力指標影響大小分別排在第4位和第3位，均為次要因素，其對路面結(jié)構(gòu)力學性能指標影響不大，考慮經(jīng)濟性，取4 cm.

水泥混凝土板厚度對水泥混凝土板底彎拉應力指標影響排第一位，對彎沉指標影響排第三位.由表5可知，當水泥混凝土板厚度由26 cm增加到28 cm時，其板底彎拉應力由0.414 MPa降低到0.378 MPa，約降低了8.87%；當水泥混凝土板厚度由28 cm增加到30 cm時，板底彎拉應力由0.378 MPa降低到0.355 MPa，約降低了6.05%.可見板底彎拉應力隨自身厚度增加而降低的趨勢變緩，取28 cm即可.

水泥穩(wěn)定碎石層厚度對路表彎沉和水泥混凝土板底彎拉應力的影響均排第二位，為主要因素，取40 cm.

土基模量對路表彎沉指標影響排第一位，對水泥混凝土板底彎拉應力影響排第四位.土基模量的大小直接關(guān)系到路表彎沉值的大小，是一個關(guān)鍵因素，取40 MPa.

2 結(jié) 語

通過正交試驗分析PCC+AC復合式長效路面結(jié)構(gòu)不同組合情況下的力學指標的變化，可得出以下規(guī)律：

a.土基模量的變化對路表彎沉的影響最大，排第一位.路表彎沉隨地基模量的減小而迅速增大，因此，在道路設計、施工和維修養(yǎng)護過程中，需要充分考慮對地基的處理.

b.瀝青面層厚度對路表彎沉和PCC板底彎拉應力均有影響，但效果均不顯著.瀝青面層主要起功能性作用，對路面結(jié)構(gòu)力學性能指標影響不大，采用薄優(yōu)質(zhì)瀝青面層是可行的.

c.水泥混凝土板底彎拉應力隨板厚度的變化比較顯著，隨著水泥混凝土板厚度增加，板底彎拉應力逐漸減小，但當板厚達到28 cm時，板底彎拉應力減小的趨勢變緩.而隨著水泥混凝土板厚增加，不僅工程造價大幅上升，而且水泥混凝土板溫度翹曲應力也大幅增大，因此要選擇適當?shù)乃嗷炷涟搴?

d.水泥穩(wěn)定碎石層厚度對路表彎沉和水泥混凝土板底彎拉應力的影響均比較顯著.水泥穩(wěn)定碎石基層底部承受較大的彎拉應力，容易產(chǎn)生疲勞破壞.因此，采用厚度較大的水穩(wěn)層能降低底部彎拉應力、延長使用壽命.

根據(jù)上述規(guī)律，推薦復合式長效路面的最優(yōu)路面結(jié)構(gòu)組合為：優(yōu)質(zhì)瀝青面層4 cm+應力吸收層+水泥混凝土板28 cm+防水聯(lián)接層+水泥穩(wěn)定碎石基層40 cm+低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層.

參考文獻：

[1] 趙曉晴．高速公路長壽命路面典型結(jié)構(gòu)技術(shù)研究[D]．長安大學公路學院，2005，5.

[2] 王選倉，侯榮國．長壽命路面結(jié)構(gòu)設計[J]．交通運輸工程學報，2007(6):46-49.

[3] 馬慶雷．基于剛性基層的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)研究[D]．長安大學公路學院，2006，6.

[4] 中華人民共和國交通部．JTGD50-2006公路瀝青路面設計規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2006.

[5] 崔鵬，邵敏華，孫立軍．長壽命瀝青路面設計指標研究[J]．交通運輸工程學報，2008,8(3):37-42.

[6] 中華人民共和國交通部．JTGD40-2002公路水泥混凝土路面設計規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2002.

[7] 許迪，許志鴻，張東升．基于正交理論的長壽命瀝青路面力學指標分析[J]．上海大學學報，2008,14(6):624-628.