基于性能分析的剛果（布）瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

鄧云綱，王志勇，吳福寶

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063）

0 引言

剛果（布）國家1號公路是連接剛果（布）第一大城市首都布拉柴維爾和第二大城市黑角之間的唯一公路交通，起點(diǎn)城市黑角位于大西洋東岸，是剛果（布）的經(jīng)濟(jì)中心，所有進(jìn)出剛果（布）以及周邊內(nèi)陸國家的重要物資均通過黑角港運(yùn)輸，1號公路成了連接內(nèi)陸城市與港口的唯一通道，其戰(zhàn)略意義與現(xiàn)實(shí)意義巨大。1號公路建成以來，為剛果（布）地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起了重大的作用，改變了人們的出行方式，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的社會效益。但由于各方面的問題，1號公路一期工程的部分區(qū)域路段已經(jīng)出現(xiàn)了路面損害現(xiàn)象。為了更好的改善剛果（布）瀝青路面的使用性能，延長路面使用壽命，故對剛果（布）瀝青路面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

1 剛果（布）1號公路原始瀝青路面結(jié)構(gòu)形式

剛果（布）1號公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)形式見圖1。根據(jù)路面結(jié)構(gòu)形式，得到簡化的路面結(jié)構(gòu)分析參數(shù)，具體見表1。

2 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案[1-2]

路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化方向為：增加瀝青層厚度、增加級配碎石層厚度和增大路基回彈模量。具體優(yōu)化方案見表2。

圖1 剛果（布）地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)示意圖

表1 原路面結(jié)構(gòu)方案

表2 路面結(jié)構(gòu)具體優(yōu)化方案

（1）優(yōu)化方案1：增大瀝青層厚度，采用瀝青層厚度10 cm和17 cm兩種方案，分別標(biāo)記為方案1-1和方案1-2。面層是承受荷載直接作用的層次，增加面層的厚度，一方面可以增加路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，另一方面還可以進(jìn)一步保護(hù)路面結(jié)構(gòu)，防止外界水分對于路面結(jié)構(gòu)的侵蝕與滲入，在一定程度上起到保護(hù)級配碎石層的作用。這對提高以濕熱多雨為顯著特點(diǎn)的剛果地區(qū)路面結(jié)構(gòu)的耐久性具有積極意義。

（2）優(yōu)化方案2：增加級配碎石層厚度，該方案在原基礎(chǔ)上增加級配碎石層厚度，即采用了雙層級配碎石層，通過增加應(yīng)力傳遞的路徑，降低路面結(jié)構(gòu)荷載，達(dá)到增強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)的目的。其中30 cm的級配碎石層宜分兩層攤鋪，每層15 cm。

（3）優(yōu)化方案3：增大路基回彈模量，模量由25 MPa增大為40 MPa。

3 優(yōu)化方案性能評價

3.1 采用荷載容許作用次數(shù)Ne評價

AI設(shè)計方法中，對路基頂面壓應(yīng)變與疲勞作用次數(shù)的關(guān)系采用式（1）確定：

式中：εv——路基頂面壓應(yīng)變（με）；

N——荷載容許作用次數(shù)；

l，m——方程的參數(shù)，根據(jù)Chervon的建議，車轍深度小于0.5 in（12.7 mm）時，相應(yīng)的參數(shù)值為l=1.05，m=0.223。

不同方案的荷載作用次數(shù)的對數(shù)值見圖2。由圖2可知：各方案中，從提高幅度分析，方案1-2最優(yōu)，其次是方案2。再繼續(xù)細(xì)化，方案1中，面層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數(shù)增加101 944次；方案2中，級配碎石層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數(shù)增加67 122次；因此，從材料角度而言，增加面層厚度優(yōu)于增加級配碎石層厚度。

圖2 不同方案的荷載容許作用次數(shù)

3.2 采用車轍深度評價

參考美國力學(xué)經(jīng)驗設(shè)計指南中建議的瀝青混合料永久變形與無結(jié)合料層永久變形預(yù)估公式，預(yù)估了在不同交通量下的路面結(jié)構(gòu)永久變形的發(fā)展趨勢。

用于預(yù)測瀝青混合料永久變形的基本公式為：

式中：εp——塑性應(yīng)變（in./in.）；

εr——彈性應(yīng)變（in./in.）；

T——溫度（℉）；

N——作用次數(shù)。

k1為用于修正最終車轍深度的修正系數(shù)。該系數(shù)是與瀝青層厚度hac與計算點(diǎn)深度depth有關(guān)的函數(shù)關(guān)系式，由以下方程組確定。

根據(jù)彈性理論計算得到荷載作用下的瀝青層（亞層）的彈性壓應(yīng)變εr，并由永久變形的基本公式得到每亞層i的塑性壓應(yīng)變εip，根據(jù)每亞層厚度hi由式（3）確定瀝青層最終變形。

用于評價無結(jié)合料粒料類基層、底基層或路基土永久變形的基本公式為：

式中：δa——各層次或亞層的永久變形(in.)；

N——荷載作用次數(shù)；

ε0,β和ρ——材料屬性系數(shù)；

εr——室內(nèi)試驗得到材料屬性系數(shù)ε0,β和ρ時所施加的彈性應(yīng)變εr(in./in.)；

εv——每層或亞層的平均豎向壓應(yīng)變(in./in.)；

h—每層或亞層的厚度(in.)；

β1——無結(jié)合料粒料類基層、底基層或路基土的修正系數(shù)。這里對于級配碎石層采用1.673；礫石土采用1.35。

不同方案各層次的車轍深度見圖3～圖7。

對比圖3～圖7可知：

（1）所有方案在荷載作用初期，卵礫石土層變形對路面結(jié)構(gòu)整體的車轍起主要貢獻(xiàn)，其次為級配碎石層，瀝青層的變形在荷載作用初期非常小。

圖3 車轍深度與荷載累計作用次數(shù)對數(shù)關(guān)系——原方案

圖4 車轍深度與荷載累計作用次數(shù)對數(shù)關(guān)系——方案1-1

圖5 車轍深度與荷載累計作用次數(shù)對數(shù)關(guān)系——方案1-2

圖6 車轍深度與荷載累計作用次數(shù)對數(shù)關(guān)系——方案2

圖7 車轍深度與荷載累計作用次數(shù)對數(shù)關(guān)系——方案3

（2）隨著荷載作用次數(shù)的增加，各層的永久變形量均不斷增加。對于卵礫石土層和級配碎石層在荷載作用次數(shù)為104次以后基本保持穩(wěn)定；對于瀝青層，當(dāng)荷載作用次數(shù)達(dá)到104次以后，永久變形量開始穩(wěn)定增加，當(dāng)加載次數(shù)增加至5×105次以后，瀝青層的變形量將占路面結(jié)構(gòu)總體變形量的50%以上。

（3）方案1與方案2對比發(fā)現(xiàn)，通過增加級配碎石層厚度可以有效降低路面結(jié)構(gòu)整體變形量，兩種方案的車轍深度在荷載作用次數(shù)達(dá)到104次以后開始出現(xiàn)差別。因此從車轍深度角度分析，宜將方案2作為優(yōu)選方案。

（4）通過對比不同路基土模量的車轍深度可以看出，隨著路基土模量的增加，路面結(jié)構(gòu)車轍將有所降低。當(dāng)三種路基土模量的差異在荷載作用次數(shù)為5×105次時才達(dá)到5 mm以上。說明在路面運(yùn)營初期或小交通量下，路基模量對車轍深度影響并不大，路基模量對路面結(jié)構(gòu)整體變形的影響僅在較大、中交通量情況時明顯體現(xiàn)。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

綜合荷載容許作用次數(shù)和車轍深度分析結(jié)果，3種優(yōu)化方案性能評價結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

（1）總體而言，增加瀝青層厚度和增加級配碎石層厚度的效果優(yōu)于增大路基回彈模量的效果。

（2）采用荷載容許作用次數(shù)進(jìn)行評價，增加瀝青層厚度優(yōu)于增加級配碎石層厚度：面層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數(shù)增加101 944次；級配碎石層厚度增加1 cm，荷載容許作用次數(shù)增加67122次，以方案1-2為最優(yōu)。

（3）采用車轍深度進(jìn)行評價，增加級配碎石層厚度優(yōu)于增加瀝青層厚度。增加級配碎石層厚度可顯著降低車轍深度，增加瀝青層厚度改善車轍性能效果不是很好，且瀝青層厚度太厚反而會增加車轍深度，這是因為瀝青層是主要車轍來源層。

（4）考慮到剛果（布）地區(qū)存在“強(qiáng)基薄面”的使用現(xiàn)狀，且車轍病害不是該地區(qū)的典型病害，本研究建議增加瀝青層厚度優(yōu)化方案以延長路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，增加耐久性能。

[1]JTG D50-2006,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

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