開放交通初期車輛荷載對半剛性基層瀝青路面的影響

劉俊琴，馬士賓，陳 晗

(1.義烏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 義烏 322000；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300400；3.義烏市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 義烏 322000)

為了緩解交通壓力，公路建成后一般都希望盡快通車。由于半剛性基層材料的路用性能受溫度與齡期等因素影響很大，在實際工程中，很多公路尤其是我國北方地區(qū)秋季施工的瀝青路面基層養(yǎng)生溫度一般也很難在20 ℃下養(yǎng)生，基層7 d無側(cè)限抗壓強度強度也很難得到保證[1-2]。與此同時，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時水泥穩(wěn)定類材料的極限劈裂強度系指90 d齡期的強度，對二灰穩(wěn)定類、石灰穩(wěn)定類材料系指齡期為180 d的極限劈裂強度。即使按現(xiàn)行JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求，路面開放交通時的半剛性基層材料強度也很難達(dá)到設(shè)計齡期強度[3]。此外，雖然我國瀝青路面設(shè)計規(guī)范對半剛性基層7d無側(cè)限抗壓強度有所規(guī)定，但由于半剛性基層層底主要承受的是拉應(yīng)力，半剛性基層材料早期抗彎拉強度較低，過早開放交通是否會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期破壞，一直是工程技術(shù)人員關(guān)心的問題[4]。

為探求不同情況下開放交通初期車輛荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響程度，筆者通過室內(nèi)試驗，獲得了路面材料在10，20 ℃溫度下，7，14，21，28，35 d的路用性能參數(shù)，并利用KENPAVE程序計算出齡期、車輛軸載、溫度等各種因素作用下，豎向位移、路基頂壓應(yīng)變和層底拉應(yīng)力等力學(xué)指標(biāo)變化規(guī)律，這對開放交通初期車輛管制具有一定的借鑒作用。

1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算參數(shù)的確定

以廊坊市大慶—廣州高速霸州互通連接線為例進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)分析，假設(shè)路面結(jié)構(gòu)各層間是完全連續(xù)的，路面結(jié)構(gòu)形式如表1。通過室內(nèi)試驗，分別獲得各結(jié)構(gòu)層的材料在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生溫度(20 ℃)和低溫環(huán)境(10 ℃)下7，14，21，28，35 d的抗壓回彈模量和路面材料的劈裂強度，如表1、表2。

表1 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

表2 路面材料的劈裂強度試驗結(jié)果

根據(jù)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，一般在路面下層結(jié)構(gòu)鋪筑7 d后鋪筑上層結(jié)構(gòu)[5]。路面開放交通時各結(jié)構(gòu)層已養(yǎng)生的齡期見表3。

表3 路面開放交通時各結(jié)構(gòu)層已養(yǎng)生的齡期

2 車輛、基層溫度和開放時間對力學(xué)指標(biāo)的影響

2.1 各因素對路表豎向位移的影響

基層溫度不同時，開放交通初期路表豎向位移計算結(jié)果圖1。

圖1 路表豎向位移與軸載的關(guān)系Fig.1 Relationship between the vertical displacementof pavement surface and axle load

由圖1可以看出：

1)當(dāng)車輛荷載一次性加載時，路表豎向位移隨著軸載的增加而呈線性增長趨勢。軸載由100 kN增加到300 kN時，路表豎向位移增加了3倍左右?？梢?，重載對路面的影響極大。在路面開放初期，應(yīng)該嚴(yán)格控制重載車輛的出現(xiàn)。

2)開放交通時間的推遲可以減小路表豎向位移，原因在于基層的回彈模量隨齡期而增大，導(dǎo)致路表的豎向位移變小，從而提高了路面承載能力。

3)溫度對路表豎向位移的影響也很大。在一定軸載下，路面開放交通的季節(jié)溫度由10 ℃增加到20 ℃，路表豎向位移有一定程度的減小。

2.2 各因素對路基頂部壓應(yīng)變的影響

開放交通時路基頂面壓應(yīng)變計算結(jié)果如圖2。

圖2 路基頂最大壓應(yīng)變與軸載的關(guān)系Fig.2 Relationship between maximum compressive strain at thetop of subgrade and axle load

由圖2可知：在車輛荷載一次性加載時，路基頂壓應(yīng)變與路表豎向位移的變化規(guī)律基本一致。但相對來說，溫度對路基頂壓應(yīng)變影響更大。當(dāng)軸載一定時，同樣養(yǎng)生齡期的路面結(jié)構(gòu)，溫度由10 ℃升高到20 ℃，路基頂壓應(yīng)變減小了大約30%。而且當(dāng)溫度升高時，養(yǎng)生齡期對路基頂壓應(yīng)變的影響減弱。

2.3 各因素對面層層底應(yīng)力的影響

路面開放交通時面層層底應(yīng)力如圖3。

圖3 面層層底最大拉應(yīng)力與軸載的關(guān)系Fig.3 Relationship between maximum tensile stress at the bottomof the surface layer and axle load

計算設(shè)定為車輛荷載一次性加載，由圖3可知：瀝青面層層底的拉應(yīng)力值為負(fù)值，瀝青面層層底的應(yīng)力為壓應(yīng)力，瀝青面層處于受壓狀態(tài)。在不同的溫度下，應(yīng)力都是隨著軸載的增加而增大。在軸載由100 kN增加到300 kN時，壓應(yīng)力增加了3倍左右，可見軸載對面層層底的壓應(yīng)力影響很大。開放交通時間對面層底的最大壓應(yīng)力有一定的影響，但是影響較小。隨著溫度的升高，面層底最大壓應(yīng)力減小。由于瀝青混凝土面層材料抗壓強度比較高，從計算結(jié)果來看，面層不會破壞。

2.4 各因素對上基層層底應(yīng)力的影響

開放交通時上基層層底最大拉應(yīng)力如圖4。

圖4 上基層層底最大拉應(yīng)力與軸載的關(guān)系Fig.4 Relationship between maximum tensile stress at thebottom of the upper-base and axle load

由圖4可知：上基層層底最大拉應(yīng)力都隨著軸載的增加而增大，并且開放交通時間對上基層層底最大拉應(yīng)力有一定的影響。結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力高于材料的劈裂強度時，會造成結(jié)構(gòu)的一次性破壞，所以要控制結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力低于相應(yīng)材料在對應(yīng)齡期下的劈裂強度。據(jù)此計算，氣溫為10 ℃情況下，當(dāng)天開放，7 d和14 d開放交通時，上基層能承受的最大軸載分別是100，180，220 kN。從實際公路交通狀況來看，只允許軸載100 kN以下的車輛通行是不現(xiàn)實的。因此，在此溫度狀況下，應(yīng)在面層鋪筑7 d，14 d后開放交通，并控制軸重180 kN和220 kN的車輛。在氣溫為20 ℃時，隨著開放交通時間的推遲，上基層層底最大拉應(yīng)力呈增大的趨勢。但是，由于上基層材料在此溫度下的抗彎拉強度增長也較快，不論何時開放交通，即使車輛軸載達(dá)到300 kN也不會造成上基層的破壞。

2.5 各因素對下基層層底應(yīng)力的影響

開放交通時，下基層層底最大拉應(yīng)力計算結(jié)果如圖5。

圖5 下基層層底最大拉應(yīng)力與軸載的關(guān)系Fig.5 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load

由圖5可知：下基層層底最大拉應(yīng)力都隨著軸載的增加而增大，軸載對下基層層底最大拉應(yīng)力的影響顯著。在軸載和開放時間相同情況下，當(dāng)溫度由10 ℃升高到20 ℃時，下基層層底最大拉應(yīng)力增加了近1倍，由此可見開放交通的季節(jié)溫度對下基層層底最大拉應(yīng)力有著較為顯著的影響。

結(jié)合基層材料的劈裂強度可知，當(dāng)溫度為10 ℃時，無論是當(dāng)天開放交通，還是7 d，14 d后開放交通，軸載達(dá)到100 kN時，下基層材料都會發(fā)生破壞。當(dāng)溫度為20 ℃時，當(dāng)天，7 d開放交通的軸載限值為260 kN，而14 d時開放交通，基層則可承受軸載為300 kN的車輛通行。

2.6 各因素對底基層層底應(yīng)力的影響

開放交通時底基層層底最大拉應(yīng)力如圖6。

圖6 底基層層底最大拉應(yīng)力與軸載的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum tensile stressat the bottom of the sub-base and axle load

由圖6可知：軸載對底基層層底最大拉應(yīng)力的影響顯著。在軸載和開放時間相同情況下，當(dāng)溫度由10 ℃升高到20 ℃時，底基層層底最大拉應(yīng)力增加，但是增幅不大。

當(dāng)溫度為10 ℃時，當(dāng)天，7 d，14 d開放交通，在車輛軸載達(dá)到100 kN時，底基層都會發(fā)生破壞。當(dāng)溫度為20 ℃時，3個時間點開放交通的軸重限制均為140 kN。

綜上所述，在溫度較低的季節(jié)施工，例如北方部分地區(qū)10—11月施工的基層平均溫度為10 ℃[6]，按照常規(guī)的施工方法施工后，即使是路面鋪完14 d后開放交通，也很難保證整個路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生早期破壞。對于基層養(yǎng)生期內(nèi)的平均溫度能達(dá)到20 ℃，在開放交通早期也須限制軸重超過140 kN的車輛通行[7-8]。

3 開放交通后應(yīng)變狀態(tài)測試和分析

為驗證理論分析的正確性，在廊坊市廊霸高速永清連接線瀝青路面中埋設(shè)應(yīng)變片，埋設(shè)位置處于路緣石內(nèi)邊緣1.5～2.1 m處，各應(yīng)變片之間的間距為60 cm，壓力盒和溫度傳感器均距路緣石內(nèi)邊緣2.7 m。對試驗路鋪筑的應(yīng)變片以及壓力盒進(jìn)行加載測試，測試時下基層已鋪筑14 d。測試車后軸采用100 kN，加載時，后軸一側(cè)車輪在應(yīng)變片1的正上方(圖7)。測試結(jié)果見表4。

圖7 應(yīng)變片埋設(shè)示意Fig.7 Schematic of strain gauges buried

應(yīng)變片拉應(yīng)變實測值拉應(yīng)力/(0.01MPa)實測反算值理論計算值拉應(yīng)力理論計算值與實測值的誤差/%111.3912.5312.640.8827.708.478.203.1932.753.022.7110.2644.234.654.793.0152.612.873.025.2361.321.451.2811.72

測試顯示數(shù)據(jù)與軟件分析數(shù)據(jù)基本相吻合。驗證了理論分析的正確性。

4 結(jié) 論

筆者運用KENPAVE軟件計算了開放交通初期，齡期、車輛軸載、溫度對瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響，重點研究了豎向位移、壓應(yīng)變、拉應(yīng)力等指標(biāo)的變化規(guī)律，得到如下的結(jié)論：

1)隨著軸載的增加，路表豎向位移、路基頂面壓應(yīng)變、面層底最大拉應(yīng)力、上基層底最大拉應(yīng)力、下基層底最大拉應(yīng)力和底基層底最大拉應(yīng)力都呈現(xiàn)顯著的增長趨勢。說明，超重載對路面危害極大，將大大削弱路面抵抗垂直變形的能力，造成路面結(jié)構(gòu)的早期破壞，降低路面的使用壽命。所以在路面的開放初期應(yīng)該嚴(yán)格控制超載重載車輛的出現(xiàn)。

2)開放交通時間的推遲可以減小路表豎向位移和路基頂?shù)膲簯?yīng)變，避免路面結(jié)構(gòu)早期變形而造成承載能力下降。開放交通時間對面層底的最大拉應(yīng)力、上基層層底最大拉應(yīng)力、下基層層底最大拉應(yīng)力和底基層層底最大拉應(yīng)力有一定的影響，但是影響較小。

3)養(yǎng)生溫度對路表豎向位移和路基頂壓應(yīng)變的影響較大，隨著溫度由10℃升高到20℃時，路表豎向位移和路基頂壓應(yīng)變顯著下降，面層底最大拉應(yīng)力也有一定程度的減小。

4)因半剛性基層材料強度與齡期和養(yǎng)生溫度密切相關(guān)。若施工期間基層平均溫度為10℃，按照常規(guī)的施工方法施工后，即使是瀝青面層鋪完14d后開放交通，也很難保證整個路面結(jié)構(gòu)不發(fā)生早期破壞。對于基層養(yǎng)生期內(nèi)的平均溫度能達(dá)到20℃的路面結(jié)構(gòu)，在開放交通早期也須限制軸重超過140 kN的車輛通行。

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