基于組合式基層的重載交通瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究＊

賀治增

（唐山市交通運(yùn)輸局 唐山 063000）

隨著車輛荷載的不斷增加，很多瀝青路面往往達(dá)不到甚至遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)壽命就出現(xiàn)了損壞，需要進(jìn)行大規(guī)模的養(yǎng)護(hù)維修或者重建。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面的設(shè)計(jì)年限一般為15年，但實(shí)際使用壽命只有6～8年［1］，若有重載交通作用甚至更短。究其原因，除重載之外，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理也是重要原因。目前我國(guó)高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)多采用半剛性結(jié)構(gòu)［2］，該結(jié)構(gòu)在重載交通作用下易產(chǎn)生開裂，使路面出現(xiàn)反射裂縫，進(jìn)而引發(fā)路面結(jié)構(gòu)性破壞，降低路面的服務(wù)水平和使用壽命。

近些年，重載交通問題逐漸成為國(guó)內(nèi)外道路研究的熱點(diǎn)，為了滿足重載交通的需要，很多國(guó)家、地區(qū)和獨(dú)立研究機(jī)構(gòu)對(duì)瀝青路面設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)組合模式進(jìn)行了探討［3］。法國(guó)大型環(huán)道試驗(yàn)進(jìn)行不同軸載作用下的車轍研究，并給出回歸公式。英國(guó) Nunn等［4－5］學(xué)者在1997年發(fā)現(xiàn)在瀝青面層層底存在一個(gè)極限彎拉應(yīng)變水平，當(dāng)層底應(yīng)變處于這個(gè)水平以下時(shí)疲勞損壞就不會(huì)發(fā)生。國(guó)外主要基于全厚式柔性路面進(jìn)行重載路面設(shè)計(jì)，而在我國(guó)長(zhǎng)期占主導(dǎo)的路面結(jié)構(gòu)形式是半剛性路面，推廣柔性路面尚有難度。國(guó)內(nèi)專業(yè)人士分析了組合式基層路面結(jié)構(gòu)在我國(guó)的適用性，基于組合式基層的柔化基層是一種可行的方法。文獻(xiàn)［6］對(duì)比了柔性基層與半剛性基層瀝青路面破壞機(jī)理存在的明顯差異，文獻(xiàn)［7］探討了柔性基層與底基層的應(yīng)用。

總的說來，國(guó)內(nèi)對(duì)重載交通路面的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念還處于初級(jí)階段，還存在不少問題沒有解決，比如忽略工程所在地的實(shí)際情況以及缺乏對(duì)經(jīng)濟(jì)因素的考慮。鑒于此，本文以灤海公路為依托工程，采用理論分析與試驗(yàn)路相結(jié)合的方式，開展基于組合式基層的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究，通過探討基層結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響規(guī)律，提出合理的路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，使之滿足重載交通的需要。

1 設(shè)計(jì)指標(biāo)和計(jì)算參數(shù)

1.1 基本假定

（1）體系是由作用在半無限基礎(chǔ)或者半空間上均勻厚度水平層組成。

（2）在水平方向上各層可以無限延伸。

（3）各層均為均質(zhì)材料和同方向性。

（4）材料均為彈性，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是線性的［8］。

1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo)

瀝青層層底在荷載的作用下，一般處于彎拉狀態(tài)，為控制瀝青層層底不出現(xiàn)由于拉應(yīng)變較大而產(chǎn)生開裂，故在瀝青路面設(shè)計(jì)中，采用瀝青層層底拉應(yīng)變這個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制。

路面結(jié)構(gòu)在荷載的作用下，會(huì)在層底產(chǎn)生應(yīng)力，路面材料在層底水平力的反復(fù)作用下，會(huì)慢慢地疲勞，當(dāng)材料的水平應(yīng)變大于允許水平應(yīng)變值時(shí)，材料發(fā)生疲勞破壞從而產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而導(dǎo)致病害，因此半剛性基層層底拉應(yīng)力亦作為一個(gè)控制指標(biāo)。

1.3 計(jì)算參數(shù)

參考國(guó)內(nèi)外組合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，以及灤海公路的實(shí)際情況，擬定典型結(jié)構(gòu)，見表1。

表1 組合式基層瀝青路面擬定優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文采用彈性層狀體系理論進(jìn)行計(jì)算，層間采用完全連續(xù)接觸。荷載為雙圓均布荷載，按標(biāo)準(zhǔn)軸載l00 k N，以及超載30%，50%和80%分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算見圖1。其中瀝青層底拉應(yīng)變的計(jì)算點(diǎn)為單圓荷載中心（1點(diǎn)），基層層底拉應(yīng)力的計(jì)算點(diǎn)為雙圓輪載中心（6點(diǎn)）［9］。

圖1 力學(xué)計(jì)算圖示

2 結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是利用正交表來安排與分析多因素試驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法，是從試驗(yàn)因素的全部水平組合中，挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行試驗(yàn)的，通過對(duì)這部分試驗(yàn)結(jié)果的分析得到全面試驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合。

對(duì)于上節(jié)給出的路面結(jié)構(gòu)變量（模量、厚度）采用位級(jí)L9（34）設(shè)計(jì)正交表格，并運(yùn)用ANSYS有限元分析計(jì)算得出設(shè)計(jì)目標(biāo)值，從而得到表2。

表2 組合式基層瀝青面層結(jié)構(gòu)正交試驗(yàn)表

對(duì)結(jié)果進(jìn)行直觀分析，本文采用極差分析法，分析過程見表3。

表3 結(jié)果分析表

通過數(shù)據(jù)分析得出：

瀝青路面基層各因素對(duì)瀝青底面應(yīng)變影響的大小依次為：級(jí)配碎石模量＞級(jí)配碎石厚度＞水泥穩(wěn)定碎石厚度＞水泥穩(wěn)定碎石模量，影響最顯著的因素是級(jí)配碎石模量，水泥穩(wěn)定碎石模量影響相對(duì)較小。

瀝青路面基層各因素對(duì)半剛性層底拉應(yīng)力的影響大小依次為：水泥穩(wěn)定碎石模量＞水泥穩(wěn)定厚度＞級(jí)配碎石厚度＞級(jí)配碎石模量，影響較顯著的因素是水泥穩(wěn)定碎石模量，其他因素的影響相對(duì)較小。

2.2 重載力學(xué)響應(yīng)分析

為了與我國(guó)現(xiàn)行公路超載現(xiàn)象嚴(yán)重的現(xiàn)狀相匹配，本文在進(jìn)行基層適應(yīng)性分析時(shí)特別考慮重載的影響，利用ANSYS軟件計(jì)算了軸載為100，130，150以及180 k N時(shí)基層的力學(xué)響應(yīng)。瀝青層底拉應(yīng)變是指瀝青面層結(jié)構(gòu)層底的拉應(yīng)變，計(jì)算點(diǎn)位取單圓荷載中心，應(yīng)力為半剛性基層層底的拉應(yīng)力。根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，選取級(jí)配碎石模量和厚度、水泥穩(wěn)定碎石模量和厚度分別為300 MPa，18 c m，1 400 MPa，36 c m為代表結(jié)構(gòu)，ANSYS分析結(jié)果見表4，力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)隨軸載變化趨勢(shì)見圖2、圖3。

表4 不同軸載下各考核指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

圖2 不同軸載下瀝青層層底應(yīng)變變化圖

圖3 不同軸載下基層層底拉應(yīng)力變化圖

由圖2，3可見，重載交通對(duì)路面的影響是顯著的，并隨著軸載的增加成線性上升趨勢(shì)，我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范采用的標(biāo)準(zhǔn)軸重為100 k N，調(diào)查表明，高速公路采用計(jì)重收費(fèi)后，超載30%對(duì)于運(yùn)輸者是最經(jīng)濟(jì)的［10］，故在130 k N的情況下，瀝青層層底拉應(yīng)變和半剛性基層層底拉應(yīng)力均滿足容許要求 ，可認(rèn)為該結(jié)構(gòu)滿足重載交通要求。

3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)組合實(shí)體工程評(píng)價(jià)

為了驗(yàn)證理論分析的效果，本研究在河北省唐山市灤南縣灤海公路某處鋪筑了500 m試驗(yàn)路，該道路是一條疏港公路，主要服務(wù)于鐵礦石運(yùn)輸，因此交通量大，超載嚴(yán)重，預(yù)測(cè)15年以后設(shè)計(jì)年限內(nèi)1個(gè)車道的累計(jì)當(dāng)量軸次會(huì)達(dá)到2 801.464萬次，屬特重交通等級(jí)。鋪筑完成之初，用貝克曼彎沉儀進(jìn)行了彎沉檢測(cè)，并由唐山市交通局質(zhì)監(jiān)站進(jìn)行了取心測(cè)試，結(jié)果均達(dá)到要求，經(jīng)過一年的使用，試驗(yàn)路段未出現(xiàn)損壞，路面使用性能良好。

從使用周期費(fèi)用的角度來看，目前華北地區(qū)常用的高等級(jí)公路路面基層結(jié)構(gòu)大多使用4%水泥穩(wěn)定碎石半剛性基層，單位體積的價(jià)格約為340元／m2，而組合式基層結(jié)構(gòu)中使用的優(yōu)質(zhì)級(jí)配碎石造價(jià)為220元／m2，在建設(shè)階段僅材料費(fèi)用就可節(jié)省1 200萬元，在設(shè)計(jì)使用年限同樣為15年的前提下，半剛性基層瀝青路面要經(jīng)過至少一次大修，而經(jīng)過級(jí)配碎石優(yōu)化的組合基層瀝青路面僅需進(jìn)行日常保養(yǎng)和3～4次小型維護(hù)。綜上所述，就建設(shè)費(fèi)用和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用而言，組合式基層路面的費(fèi)用都低于普通高等級(jí)路面結(jié)構(gòu)的費(fèi)用，因此可以認(rèn)為組合式基層路面的全壽命周期費(fèi)用遠(yuǎn)低于普通路面結(jié)構(gòu)，并且減小了由于道路重修造成的間接損失，具有顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)越性。

4 結(jié)論

（1）級(jí)配碎石模量對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變影響最大，對(duì)半剛性基層層底拉應(yīng)力影響相對(duì)較小，因此在選擇級(jí)配碎石模量時(shí)，應(yīng)主要考慮對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變的影響，選擇偏小值。

（2）水泥穩(wěn)定碎石模量對(duì)半剛性基層層底拉應(yīng)力影響最大，對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)力影響相對(duì)較小，因此在選擇級(jí)配碎石模量時(shí)，應(yīng)主要考慮對(duì)半剛性基層層底拉應(yīng)力的影響。

（3）重載交通條件下，各考核指標(biāo)隨著軸載的增加而增加，且大致呈線性變化。

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