基于有效厚度模型的半剛性瀝青路面加鋪層設(shè)計(jì)

丁加俊

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

基于有效厚度模型的半剛性瀝青路面加鋪層設(shè)計(jì)

丁加俊

(永升建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

文章以我國(guó)西部的一條高速公路瀝青路面為研究對(duì)象，在傳統(tǒng)的路面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對(duì)其使用過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并綜合AASHTO中提到的道路加鋪層方法和同濟(jì)大學(xué)提出的PCI衰減方程，建立了以有效厚度模型為基礎(chǔ)的瀝青路面加鋪層模型，重點(diǎn)分析了半剛性?shī)A層不同模量下瀝青加鋪層表面彎沉變化規(guī)律，為半剛性瀝青路面加鋪層設(shè)計(jì)提供借鑒。

半剛性；基層瀝青；有效厚度模型；瀝青路面加鋪層；彎沉；性能評(píng)價(jià)

0 引言

半剛性基層瀝青路面自20世紀(jì)70年代末、80年代初在我國(guó)應(yīng)用以來，至今已有30多年的時(shí)間。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)外的高等級(jí)公路瀝青路面基層和底基層采用半剛性材料，半剛性基層瀝青路面已經(jīng)成為高等級(jí)公路瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)類型。公路路面的修建自然就伴隨著它的性能評(píng)價(jià)。本文以我國(guó)西部的一條高速公路瀝青路面為對(duì)象，在傳統(tǒng)路面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，對(duì)半剛性基層路面的加鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。

1 半剛性瀝青路面性能評(píng)價(jià)

根據(jù)瀝青路面的現(xiàn)實(shí)情況，在對(duì)其性能評(píng)價(jià)時(shí)，將平整度指標(biāo)中的車轍單獨(dú)列出，從而形成了四個(gè)指標(biāo)，即路面損壞、路面平整度、路面車轍、路面抗滑性能。在進(jìn)行路面性能評(píng)價(jià)時(shí)，一般是將四個(gè)指標(biāo)組合在一起考慮，這四個(gè)指標(biāo)組成的性能指數(shù)如圖1所示。

圖1 瀝青路面的性能指數(shù)圖

PQI指數(shù)的計(jì)算公式如式(1)所示。

PQI=ωPCIPCI+ωRQIRQI+ωRDIRDI+ωSRISRI

(1)

式中：ωPCI、ωRQI、ωRDI、ωSRI——PCI、RQI、RDI和SRI在PQI中所占的權(quán)重，ωPCI、ωRQI、ωRDI、ωSRI的取值如表1所示。

表1 PQI中各指標(biāo)的權(quán)重值表

2 路面加鋪層方法及分析

2.1 路面加鋪層結(jié)構(gòu)性方法

瀝青路面在建成以后，伴隨著多種因素的疊加其性能會(huì)受到損壞。當(dāng)損壞程度達(dá)到某一水平時(shí)，就需要對(duì)其進(jìn)行維修，比如對(duì)其進(jìn)行加鋪。最常用的加鋪方法為結(jié)構(gòu)性方法，其又分為三類：有效厚度法、彎沉法和力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法。三類方法的特點(diǎn)見表2。

表2 三類方法的特點(diǎn)表

2.2 路面加鋪層設(shè)計(jì)方法

在國(guó)內(nèi)，路面的加鋪方法和國(guó)外不同之處在于：運(yùn)用彈性層狀體系理論確定下臥層模量時(shí)有一定的區(qū)別。力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法是經(jīng)常用到的設(shè)計(jì)方法。此方法的一般過程：首先測(cè)定所選擇路面的彎沉，評(píng)價(jià)原始路面的承載能力，然后將路面的彎沉值轉(zhuǎn)化成當(dāng)量回彈模量，最后將所有得到的數(shù)值代入計(jì)算式，并將新路面的加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出來。

計(jì)算公式為：

(2)

式中：L0——計(jì)算彎沉值；

Za——保證率系數(shù)；

S——實(shí)測(cè)彎沉的標(biāo)準(zhǔn)差；

K1——季節(jié)影響系數(shù)；

K2——濕度影響系數(shù)；

K3——溫度修正系數(shù)。

(3)

式中：lrr——回彈彎沉值；

p——標(biāo)準(zhǔn)軸載的輪胎接地壓強(qiáng)；

a——單輪接觸面半徑；

m1——俗稱輪板比；

m2——回彈模量擴(kuò)大系數(shù)。

在實(shí)際瀝青路面的修建和使用過程中，對(duì)所采用的加鋪層設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證并發(fā)現(xiàn)，我國(guó)所采用地加鋪層的設(shè)計(jì)方法在使用時(shí)有不少缺陷。所以，應(yīng)該參考國(guó)外的設(shè)計(jì)方法，在我國(guó)現(xiàn)實(shí)情況的基礎(chǔ)上提出一種新的設(shè)計(jì)方法，這將會(huì)對(duì)今后我國(guó)的路面加鋪層設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)性。

2.3 設(shè)計(jì)方法分析

路面的加鋪過程中要充分考慮多種因素的影響，對(duì)其設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮結(jié)構(gòu)厚度，設(shè)計(jì)依據(jù)的指標(biāo)是路表回彈彎沉，驗(yàn)算指標(biāo)是半剛性基層抗彎應(yīng)力，厚度計(jì)算將運(yùn)用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀理論體系。每個(gè)國(guó)家和地區(qū)在對(duì)路面加鋪設(shè)計(jì)時(shí)都要根據(jù)具體的情況選用不同的方法，我國(guó)僅僅將原始路面的彎沉作為相應(yīng)的指標(biāo)，但當(dāng)彎沉值相對(duì)較小時(shí)，再依據(jù)現(xiàn)有的方法加鋪設(shè)計(jì)就會(huì)適得其反，不能用來指導(dǎo)那些路面損壞比較嚴(yán)重的加鋪設(shè)計(jì)。

近年來，國(guó)內(nèi)外都在研究適合自己地區(qū)發(fā)展的路面加鋪層設(shè)計(jì)方法，其總體趨勢(shì)是：按照相關(guān)的力學(xué)理論，得到相關(guān)的結(jié)構(gòu)層應(yīng)力、彎沉等力學(xué)數(shù)值，并按照通用的疲勞力學(xué)強(qiáng)度理論，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)層疲勞壽命和結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系，最后運(yùn)用眾多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其校正。

3 以有效厚度模型為基礎(chǔ)的加鋪層設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)理論

有效厚度模型的基本思想是：已建好的路面使用一段時(shí)間后，由于多種原因的共同作用，使得路面受到一定程度的損壞，整個(gè)路面中真正起作用的厚度變薄了，即有效厚度變薄了。AASHTO中的加鋪層設(shè)計(jì)方法同樣以這一基本思想為基礎(chǔ)，稱之為剩余壽命。以有效厚度模型作為基礎(chǔ)得到了加鋪層公式，見式(1)。

(1)

式中：SNOL——加鋪層結(jié)構(gòu)數(shù)；

aOL——所用材料的結(jié)構(gòu)系數(shù)；

SNy——加鋪層結(jié)構(gòu)數(shù)實(shí)際值；

FRL——剩余壽命系數(shù)；

SNxeff——原始路面的結(jié)構(gòu)數(shù)。

3.2 有效厚度模型的建立

以AASHTO的路面設(shè)計(jì)方法、同濟(jì)大學(xué)提出的方法為基礎(chǔ)，得到有效厚度和當(dāng)量回彈模量的關(guān)系，見式(2)。

(2)

式中：α1、α2——修正系數(shù)；

heff1——有效厚度；

heff2——PCI法計(jì)算出來的有效厚度。

3.3 以當(dāng)量有效厚度為基礎(chǔ)的加鋪層設(shè)計(jì)

加鋪層厚度的設(shè)計(jì)具有一定順序，首先要按照PCI法計(jì)算出原始路面的當(dāng)量有效厚度，然后依據(jù)基本參數(shù)按照公式計(jì)算出新路面的厚度，最后能夠得出路面加鋪層厚度的計(jì)算式，見式(3)。

H=hnew-heff

(3)

式中：hnew——新路面的厚度，cm；

heff——當(dāng)量路面的有效厚度，cm。

3.4 工程案例分析

將我國(guó)西部已經(jīng)修建好的某條高速公路作為研究實(shí)例。起初設(shè)計(jì)的原始路面厚度為8cm，由于其實(shí)際變化較大，在H1的計(jì)算過程中，應(yīng)按照公式(4)計(jì)算。

H1=h-t(n-1)0.01S*n

(4)

式中：h——所選路面的平均厚度；

t(n-1)0.01——自由度為n-1的t分布關(guān)于 0.01的上側(cè)分位數(shù)；

S*——子樣方差；

n——樣本個(gè)數(shù)。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，通過式(4)可以計(jì)算出原始瀝青面層的代表厚度為9.639cm。

依據(jù)長(zhǎng)期采集的實(shí)際數(shù)據(jù)，按照不同方法的公式得到不同的加鋪厚度，如表3所示。

表3 不同設(shè)計(jì)方法得到的加鋪厚度值表

通過表3中數(shù)據(jù)可以看出，筆者所采用方法得到的路面加鋪層厚度與經(jīng)AI法計(jì)算得到的厚度值相似，而且也符合規(guī)范要求。而由當(dāng)回彈模量法和PCI法計(jì)算得到的數(shù)值可以看出，這兩種方法不適合此高速公路路面的養(yǎng)護(hù)。對(duì)原始路面進(jìn)行取樣觀察發(fā)現(xiàn)，路面樣品中上層與下層的上半部分都受到了嚴(yán)重的損壞，而樣品下層的下半部分相對(duì)來說較好，由此判斷原始路面的有效厚度主要分布在路面下層的下半部分。而本節(jié)所提到的加鋪層設(shè)計(jì)方法是以統(tǒng)計(jì)方法為基礎(chǔ)構(gòu)建的，如果將其運(yùn)用在現(xiàn)實(shí)路面加鋪設(shè)計(jì)中必須進(jìn)行考察研究。

3.5 加鋪層表面彎沉變化規(guī)律

鋪裝瀝青層的路面具有半剛性?shī)A層特性。根據(jù)不同模量值的夾層，測(cè)量路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉數(shù)據(jù)，如表4所示。

表4 不同模量下加鋪層彎沉計(jì)算值表

半剛性?shī)A層的表面彎沉值隨著剛性模量值增大有減小的趨勢(shì)，并且斜率是逐漸變小，在10 000MPa前變化比較明顯，速率較大。模量值的增加，彎沉值逐漸穩(wěn)定。說明剛性?shī)A層模量值較大時(shí)，對(duì)路表彎沉影響較小。彎沉主要是加鋪的瀝青層負(fù)載較大引起的，但不能說明整個(gè)路面結(jié)構(gòu)的形變，根據(jù)剛?cè)釓?fù)合路面經(jīng)常發(fā)生剪切破壞這一特性，應(yīng)該把最大剪切力作為路面瀝青鋪層的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4 結(jié)語

路面養(yǎng)護(hù)是路面性能評(píng)價(jià)的前提和基礎(chǔ)。通過評(píng)價(jià)分析路面性能及其加鋪層設(shè)計(jì)方法的研究，得到如下結(jié)論：

(1)通過分析瀝青路面的加鋪層設(shè)計(jì)方法和建立原始路面的有效厚度模型，并充分考慮了所加鋪路面的有效厚度與當(dāng)量回彈模量和路面狀況指數(shù)的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，通過計(jì)算得到瀝青路面的加鋪層厚度。

(2)以我國(guó)西部一條高速公路為例，依據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)，得到不同設(shè)計(jì)方法的加鋪厚度。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文所采用方法得到的路面加鋪層厚度與經(jīng)AI法計(jì)算得到的厚度值相似，符合規(guī)范要求。

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Design of Semi-rigid Asphalt Pavement Overlay Based on Effective Thickness Model

DING Jia-jun

(Yongsheng Construction Group Co.，Ltd.，Karamay，Xinjiang，834000)

With an expressway asphalt pavement in western China as the research object，and based on the traditional pavement evaluation index system，this article collected the relevant data during its use，and combined with the road overlay method mentioned in AASHTO and PCI attenuation equation proposed by Tongji University，it established the asphalt pavement overlay model based on effective thickness model，focusing on analyzing the asphalt overlay surface deflection variation rules of semi-rigid interlayer under different modulus，thereby providing the reference for the design of semi-rigid asphalt pavement overlay.

Semi-rigid；Base asphalt；Effective thickness model；Asphalt pavement overlay；Deflection；Performance evaluation

丁加俊(1980—)，工程師，研究方向：公路工程。

U416.217

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.12.002

1673-4874(2016)12-0007-04

2016-10-28