耐久性瀝青路面力學響應及疲勞壽命預估研究

陳林，王樹杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210017）

耐久性瀝青路面力學響應及疲勞壽命預估研究

陳林，王樹杰

（蘇交科集團股份有限公司，江蘇南京 210017）

通過Bisar軟件分析了耐久性瀝青路面瀝青層底彎拉應變和基層層底彎拉應變隨水泥穩(wěn)定碎石厚度、模量及級配碎石厚度變化的規(guī)律，并選擇合理的疲勞壽命預估模型對路面進行疲勞壽命計算。結果表明，瀝青層底彎拉應變、基層層底彎拉應變隨著水穩(wěn)碎石厚度、模量和級配碎石厚度的增大而減小，但水穩(wěn)碎石厚度增大到36 cm以上時并不能有效減小層底彎拉應變；通過瀝青路面疲勞壽命預估能更好地區(qū)分設計彎沉、容許彎沉對應的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)，以實際彎沉反算的預估疲勞壽命能為后期路面養(yǎng)護時機選擇提供依據(jù)。

公路；耐久性瀝青路面；瀝青層底；彎拉應變；水泥穩(wěn)定碎石；疲勞壽命

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，日趨繁重的運輸業(yè)和對出行質量的提升等對道路使用性能提出了更高的要求，耐久性瀝青路面成為改善道路使用質量、延長使用壽命的研究熱點。

耐久性瀝青路面包括材料的耐久性和路面結構的耐久性，其中材料的耐久性是指路面材料在使用期內具有良好的高溫、低溫、疲勞及抗老化等性能，結構的耐久性是指在外界環(huán)境因素和行車荷載作用下路面結構不產(chǎn)生結構性破壞。有關研究表明，在道路使用過程中，如果瀝青層底的彎拉應變小于疲勞極限，則瀝青路面不會發(fā)生破壞。如果瀝青層底彎拉應變大于疲勞極限，則瀝青路面會產(chǎn)生結構性破壞。而無結構性破壞是耐久性瀝青路面的核心。該文依托北京地區(qū)半剛性基層耐久性瀝青路面G108國道，利用Bisar軟件，通過改變半剛性基層結構參數(shù)分析瀝青路面瀝青層底彎拉應變、基層層底彎拉應變的變化規(guī)律，并利用合理的壽命預估模型計算耐久性瀝青路面的壽命，驗證設計承載力是否滿足要求，為類似半剛性基層耐久性瀝青路面設計提供參考。

1 工程概況

108國道（北京—昆明）是北京市道路網(wǎng)中西南部主要放射線，是北京城區(qū)與京郊門頭溝、房山地區(qū)聯(lián)系的重要交通紐帶。設計標準為山區(qū)一級公路，設計行車速度為60 km／h，設計年限為35年。在108國道大修工程K14+107—827右幅鋪筑試驗段，長700多m，路面結構為4 cm改性SMA-13+ 6 cm AC-20+12 cmATB-25+36 cm水泥穩(wěn)定碎石+20 cm級配碎石+土基。

1.1 路面結構和材料參數(shù)

大量調查研究表明，普通瀝青混合料的疲勞極限約70με，改性瀝青混合料的疲勞極限約100με。對于半剛性基層，應力強度比應小于0.35，土基頂面壓應變小于200με。為了研究半剛性基層結構參數(shù)對耐久性瀝青路面的力學響應，在原路面結構設計參數(shù)的基礎上，通過增加水穩(wěn)碎石、級配碎石厚度及選擇水穩(wěn)碎石不同模量來分析水穩(wěn)碎石、級配碎石厚度和水穩(wěn)碎石模量對路面結構的力學響應。瀝青路面結構參數(shù)見表1。

表1 瀝青路面結構和材料參數(shù)

1.2 交通荷載

對該試驗路段各年交通量進行調查與預測，結果見表2。

表2 試驗路段各年交通量調查及預測結果

調查發(fā)現(xiàn)，該路段上通行的車輛中客車約占64%，貨車約占36%；貨車中大貨車約占35.5%，拖掛車約占26.5%，重車（大貨和拖掛車）約占總交通量的22%，大型車比重相當高。根據(jù)京港澳（京石）高速公路大型車軸載調查成果，車輛的最大軸重達322 k N（見表3）。為了能較為真實地反映荷載情況，選取設計軸載為150 k N，根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設計規(guī)范》計算得到該路段的設計彎沉為24.70（0.01 mm）。

表3 京港澳高速公路最大軸重調查結果

2 層底彎拉應變分析

利用Bisar軟件，根據(jù)路面結構、材料參數(shù)條件對瀝青層底和基層層底彎拉應變進行計算，分析水穩(wěn)碎石、級配碎石厚度及水穩(wěn)碎石抗壓模量對層底彎拉應變的影響。計算中采用的軸載為150 k N，荷載方式為雙圓均布荷載，層間接觸條件設定為不完全光滑接觸。

2.1 瀝青層底彎拉應變分析

如圖1所示，在相同水穩(wěn)碎石抗壓模量下，瀝青層底彎拉應變隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大而減小，表明半剛性基層材料厚度對瀝青面層力學狀態(tài)有著明顯的影響，水穩(wěn)碎石厚度越大則瀝青層底彎拉應力越小，瀝青路面的疲勞破壞減少，耐久性增強，使用壽命增大。但基層厚度增加會使道路修建成本增加、環(huán)境污染增大，且水穩(wěn)碎石厚度為30 cm時的瀝青層底彎拉應變明顯大于厚度為36和40 cm時，但增大到36和40 cm時，瀝青層底彎拉應變相差很小，可見厚度增大并不能帶來路面性能的最大化，不能有效減少層底彎拉應變，故路面設計時需合理選擇水穩(wěn)碎石厚度。另外，在一定水穩(wěn)碎石厚度下，隨著水穩(wěn)碎石模量的增大，瀝青層底彎拉應變逐漸減小，路面設計時要合理選擇基層材料模量，取值太小過于保守，取值太大則不夠安全。

圖1 不同水穩(wěn)碎石厚度下抗壓模量與瀝青層底彎拉應變的關系

如圖2所示，瀝青層底彎拉應變隨著級配碎石厚度的增大而減小，表明級配碎石的設置對瀝青路面有利，能降低瀝青層底受力，減少疲勞破壞，延長使用壽命。實際上，根據(jù)彈性層狀體系理論，隨著結構層本身及其下承層模量和厚度的增加，結構層層底拉應變必然減小，且減小幅度逐漸平緩，但此時面層的剪應力會發(fā)生重分布，不利于抗車轍要求，故結構層厚度選擇是一個較為復雜的問題。

圖2 級配碎石厚度與瀝青層底彎拉應變的關系

2.2 基層層底彎拉應變分析

如圖3所示，基層層底彎拉應變隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大而逐漸減小。當水穩(wěn)碎石厚度30 cm時，基層層底彎拉應變變化幅度最大；水穩(wěn)碎石厚度為36和40 cm時，基層層底應變變化幅度相當。表明水穩(wěn)碎石厚度對基層層底彎拉應變的影響較大，與瀝青層底情況類似，水穩(wěn)碎石厚度增大能減少基層層底開裂，有效防止瀝青面層發(fā)生破壞，但厚度過大會導致經(jīng)濟不適性。另外，在一定水穩(wěn)碎石厚度下，隨著水穩(wěn)碎石模量的增大，基層層底彎拉應變變

化較小，故瀝青路面結構設計時對材料模量的取值要盡量避免極端值。

圖3 不同水穩(wěn)碎石厚度下抗壓模量與基層層底彎拉應變的關系

如圖4所示，隨著級配碎石厚度的增大，基層層底彎拉應變逐漸減小，接近線性變化，表明兩者存在較為緊密的聯(lián)系。增大級配碎石厚度能減少基層層底的破壞，傳遞到基層的荷載應力能通過級配碎石均勻地釋放到土基，增大瀝青路面的使用壽命，這與耐久性瀝青路面的理念相符。

圖4 級配碎石厚度與基層層底彎拉應變的關系

3 耐久性瀝青路面壽命預估

3.1 瀝青路面的理論彎沉與實際彎沉

路表彎沉表征路面的整體承載力，是瀝青路面設計的重要指標。因此，有必要對不同荷載作用下瀝青路面結構的路表彎沉進行計算，并研究不同水穩(wěn)碎石厚度對路表彎沉的影響。

先利用層狀彈性體系理論，通過Bisar軟件計算理論彎沉ll；再根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設計規(guī)范》中的實際彎沉計算公式，通過彎沉綜合修正系數(shù)F對理論彎沉進行修正，得到實際彎沉ls。選取標準軸載100 k N和設計荷載值150 k N作為計算荷載，水穩(wěn)碎石厚度取30、36、40 cm，級配碎石厚度取20 cm，水穩(wěn)碎石模量取1 500 MPa，其他面層厚度和材料模量為設計值，計算結果見表4。

由表4可看出：水穩(wěn)碎石厚度和軸載條件對理論彎沉、實際彎沉都會產(chǎn)生較大影響。隨著水穩(wěn)碎石厚度的增大，理論彎沉與實際彎沉逐漸減小，這種變化與層狀彈性體系計算理論相吻合。150 k N軸載條件下的彎沉值明顯大于標準軸載時，可見在路面設計時設計軸載的選擇尤為重要，偏大或偏小都會使設計結果不合理，偏大會使設計結果偏于保守，偏小則設計結果容易不滿足要求。該路段的實際彎沉為23.96（0.01 mm），小于設計彎沉24.70（0.01 mm），說明各結構層的厚度設計合理，滿足設計彎沉要求。而其他兩種水穩(wěn)碎石厚度對應的實際彎沉要么不滿足彎沉設計要求，要么彎沉滿足設計要求，但水穩(wěn)碎石厚度過大，從經(jīng)濟性上考慮不合理。這也說明路面設計中對各結構層厚度的優(yōu)化很重要。

表4 不同軸載和水穩(wěn)碎石厚度條件下路表彎沉計算結果

3.2 瀝青路面壽命預估

耐久性瀝青路面的最大特點是使用壽命長，故對其疲勞壽命進行預估具有重要意義。要較為準確地計算疲勞壽命，需選擇合適的疲勞方程。鑒于室內疲勞試驗與實際工程的差別導致按照室內試驗推導出的疲勞方程所計算的疲勞壽命與實際疲勞壽命存在偏差，這里根據(jù)JTG D50-2006《瀝青路面設計規(guī)范》有關瀝青路面設計彎沉和容許彎沉的概念，嘗試以此反算瀝青路面的壽命。

目前中國瀝青路面設計采用的是破壞狀態(tài)設計法，其失效準則以容許彎沉為指標，設計標準以設計彎沉為指標。后者通過前者表征的破壞準則與彎沉的衰變規(guī)律建立而來，并且設計彎沉和容許彎沉的計算公式是經(jīng)過大量路面調查及路表彎沉數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到的，設計彎沉以瀝青路面出現(xiàn)縱向裂縫為標準，容許彎沉以瀝青路面表面出現(xiàn)大量網(wǎng)狀裂縫為標準。因此，通過設計彎沉和容許彎沉可反算出兩個壽命，分別對應瀝青路面的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)。對于目前瀝青路面設計規(guī)范中的設計彎沉計算公式，鄭健龍認為該公式是對路面通車4～6年測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到的，而對于設計年限15年以上的需對該公式進行修正，修正后得到的建議設計彎

沉公式為ls=530Ne-0.2AcAbAs，容 許彎 沉 值公 式為lr=720Ne-0.2AcAbAs。采用這兩類瀝青路面疲勞壽命反算公式計算疲勞壽命，第一類由容許彎沉公式反算，疲勞壽命為：

第二類由建議設計彎沉公式反算，疲勞壽命為：

式中：ls為修正過的實際計算彎沉值，系數(shù)均為1。

根據(jù)上述兩類疲勞壽命計算公式對該路段進行疲勞壽命預估，結果見表5和表6。

表5 第一類疲勞壽命預估結果

表6 第二類疲勞壽命預估結果

由表5、表6可看出：預估的疲勞壽命隨著水穩(wěn)碎石厚度的增加而增大，隨著作用軸載的增大而減小，并且幅值較大，表明結構層厚度及作用軸載對路面疲勞壽命有很大影響。另外，總體上瀝青路面第一類預估疲勞壽命大于第二類預估疲勞壽命，這與兩類預估疲勞壽命模型公式有直接關系，并且通過數(shù)據(jù)大小能更直觀地區(qū)分和理解設計彎沉、容許彎沉分別對應著臨界狀態(tài)、破壞狀態(tài)，即當路面疲勞壽命達到臨界狀態(tài)時，路面并沒有喪失大部分功能，還能繼續(xù)服役；隨著對路面的繼續(xù)使用，當疲勞壽命達到破壞狀態(tài)時，路面已基本失去使用性能，無法滿足使用要求，需采取措施進行修復。根據(jù)疲勞壽命預估結果，該路段預估壽命累計當量軸次5 295 967大于設計累計當量軸次4 548 776，路面的承載力滿足設計要求。此外，以實際彎沉反算的疲勞壽命大于以理論彎沉反算的疲勞壽命，說明通過彎沉綜合修正系數(shù)對理論彎沉進行修正可使瀝青路面設計更加準確，對路面結構、材料的選擇更加合理，同時以實際彎沉反算的預估疲勞壽命可為后期路面養(yǎng)護時機選擇提供依據(jù)。

4 結論

（1）耐久性瀝青路面瀝青層底彎拉應變、基層層底彎拉應變隨著水穩(wěn)碎石厚度、模量的增大而減小，但當厚度增大到36和40 cm時，瀝青層底彎拉應變相差很小，表明厚度的增大并不能有效減小層底彎拉應變。另外，彎拉應變隨著級配碎石厚度的增大而減小，級配碎石的設置能降低瀝青層底受力，減少疲勞破壞，延長使用壽命。但隨著結構層本身及其下承層模量和厚度的增加，面層的剪應力會發(fā)生重分布，不利于抗車轍要求，故對結構層厚度的選擇需慎重。

（2）根據(jù)以理論彎沉和以實際彎沉反算的瀝青路面疲勞壽命，能更直觀地區(qū)分設計彎沉、容許彎沉分別對應著瀝青路面的臨界狀態(tài)和破壞狀態(tài)。采用彎沉綜合修正系數(shù)對理論彎沉進行修正，可使瀝青路面設計更加準確，對路面結構、材料的選擇更加合理。以實際彎沉反算的預估疲勞壽命可為后期路面養(yǎng)護時機選擇提供依據(jù)。

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U416.217

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1671-2668（2016）06-0116-04

2016-06-02