耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比分析*

李 浩 許新權(quán) 劉 鋒

(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心1) 廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420)

耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命對比分析*

李 浩1,2)許新權(quán)1,2)劉 鋒1,2)

(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心1)廣州 510420)(廣東華路交通科技有限公司2)廣州 510420)

以廣東省云羅高速公路耐久性瀝青路面試驗路為依托，通過對比改進(jìn)型半剛性基層、碾壓混凝土基層和倒裝式半剛性基層三種瀝青路面結(jié)構(gòu)層間連續(xù)下的力學(xué)響應(yīng)，應(yīng)用國內(nèi)外瀝青路面設(shè)計方法預(yù)估三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能.理論計算結(jié)果和4年跟蹤試驗觀測結(jié)果表明，改性型半剛性基層和碾壓混凝土基層瀝青路面車轍深度小，使用性能好，疲勞性能優(yōu).

道路工程；瀝青路面；改進(jìn)型半剛性基層；碾壓混凝土基層；疲勞性能

0 引 言

為解決我國高速公路早期病害問題，以修筑更耐久、使用性能更優(yōu)的高速公路.沙慶林[1]提出了新水泥碎石基層瀝青路面結(jié)構(gòu)型式，并在內(nèi)蒙古、廣東省等地區(qū)鋪筑了大量試驗路，使用效果很好.福建省開展了倒裝結(jié)構(gòu)的研究與實際工程應(yīng)用[2]，在省內(nèi)多條高速取得了不錯的應(yīng)用效果.廣東省開展了高速公路瀝青路面新式碾壓混凝土基層的研究與實際工程應(yīng)用[3].

文中依托云羅高速公路耐久性試驗路工程，對三種結(jié)構(gòu)型式瀝青路面進(jìn)行力學(xué)計算，應(yīng)用國內(nèi)外設(shè)計方法對比分析其疲勞壽命，并結(jié)合多年跟蹤觀測結(jié)果，以探索適合于廣東省的耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)型式.

1 計算模型及參數(shù)

1) 計算模型 采用文獻(xiàn)[4]的雙圓均布荷載，作用半徑為10.65 cm，荷載圓中心間距31.95 cm，荷載0.707 MPa.路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)計算采用BISAR3.0軟件，假設(shè)層間完全連續(xù).

2) 計算參數(shù) 云羅高速公路長壽命試驗路項目共鋪筑三種結(jié)構(gòu)試驗路，長度分別為951.5，1 037，969 m.其中，結(jié)構(gòu)一基層為加強(qiáng)型半剛性基層;結(jié)構(gòu)二為碾壓混凝土(RCC)基層;結(jié)構(gòu)三為倒裝式半剛性基層.瀝青材料、半剛性材料及級配碎石抗壓回彈模量取值參照文獻(xiàn)[5-6].三種路面結(jié)構(gòu)及其設(shè)計參數(shù)見表1～3.

3)計算點(diǎn)位 在雙圓均布荷載下，選取通過輪隙中心沿橫斷面Y方向的斷面進(jìn)行研究，并各選取30個點(diǎn).計算點(diǎn)位選取見表4.

表1 結(jié)構(gòu)一路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)二路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)三路面結(jié)構(gòu)型式及設(shè)計參數(shù)

注：*強(qiáng)度為7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)計值;**級配碎石不計算拉應(yīng)力、拉應(yīng)變,但在結(jié)構(gòu)計算時仍給該結(jié)構(gòu)層賦予模量值.

表4 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算點(diǎn)位的Y坐標(biāo)分布

2 力學(xué)響應(yīng)分析

文獻(xiàn)[7]以路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力及基層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)；針對無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層瀝青路面，以瀝青層永久變形量、基層底拉應(yīng)力為設(shè)計指標(biāo)；國外以殼牌(SHELL)設(shè)計法為代表的柔性路面設(shè)計法以瀝青層底拉應(yīng)變、土基表面壓應(yīng)變?yōu)樵O(shè)計指標(biāo)[8].

針對以上規(guī)范，分別提取其設(shè)計指標(biāo)在路表或關(guān)鍵層底沿橫斷面方向的30個數(shù)值，借助origin軟件繪制圖像，見圖1～3.

圖1 三種結(jié)構(gòu)路表彎沉

圖2 三種結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)變

圖3 三種結(jié)構(gòu)關(guān)鍵層底拉應(yīng)力

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 我國2006版規(guī)范

1) 路表彎沉 三種結(jié)構(gòu)的路表彎沉見表5.

表5 三種結(jié)構(gòu)路表彎沉 0.01 mm

2) 瀝青層底拉應(yīng)力 三種結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力見表6.

表6 三種結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力 MPa

3) 基層底拉應(yīng)力 三種結(jié)構(gòu)基層底及底基層底最大拉應(yīng)力見表7.

表7 三種結(jié)構(gòu)基層底拉應(yīng)力 MPa

3.2 我國2017版規(guī)范

本節(jié)僅分析三種結(jié)構(gòu)瀝青層的永久變形量，文獻(xiàn)[7]給出了瀝青混合料永久變形量驗算公式，將BISAR計算得到的各分層豎向壓應(yīng)力計算結(jié)果代入公式，得到永久變形量見表8.

表8 三種結(jié)構(gòu)永久變形量對比表 mm

3.3 殼牌(SHELL)設(shè)計法

殼牌設(shè)計法設(shè)計指標(biāo)為瀝青層底彎拉應(yīng)變和土基頂面壓應(yīng)變，瀝青層底最大彎拉應(yīng)變和土基頂面最大壓應(yīng)變計算結(jié)果見表9.

表9 三種結(jié)構(gòu)拉壓應(yīng)變 ×10-6

4 疲勞壽命

4.1 按照我國規(guī)范驗算

三種結(jié)構(gòu)瀝青層底均為壓應(yīng)力，此控制指標(biāo)失效.按照文獻(xiàn)[7]中關(guān)于彎沉值與疲勞壽命的關(guān)系：

(1)

按照文獻(xiàn)[7]中關(guān)于基層底拉應(yīng)力與疲勞壽命的關(guān)系為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：σR為路面結(jié)構(gòu)材料層最大拉應(yīng)力；σs為極限劈裂強(qiáng)度，三種結(jié)構(gòu)中，半剛性基層材料劈裂強(qiáng)度σs取0.6 MPa，碾壓混凝土基層材料劈裂強(qiáng)度σs取2.1 MPa[9]；Ks為抗拉強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)；Ac為公路等級系數(shù)，文中Ac取值為1.0.各參數(shù)的物理意義參閱文獻(xiàn)[7].基層底最大拉應(yīng)力σR取值見表7.疲勞壽命計算結(jié)果見表10.

表10 三種結(jié)構(gòu)疲勞壽命 次/車道

由表10可知，通過彎沉值反算得到的疲勞壽命顯著大于通過基層底拉應(yīng)力反算得到的疲勞壽命.按照文獻(xiàn)[7]取最小值，三種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大小順序：結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)三，且結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二疲勞壽命數(shù)量級大于結(jié)構(gòu)三；按照我國新版規(guī)范設(shè)計理論，根據(jù)基層底最大拉應(yīng)力驗算得到的結(jié)果將與文獻(xiàn)[7]相同，不同之處在于增加了瀝青層永久變形量，根據(jù)表8計算結(jié)果，可得三種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大小順序仍然為：結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)三.

4.2 按照殼牌(SHELL)設(shè)計法驗算

殼牌設(shè)計法通過瀝青層底彎拉應(yīng)變和土基頂面壓應(yīng)變來控制瀝青路面的疲勞壽命.

(6)

式中:Nf為疲勞破壞時疲勞應(yīng)變的作用次數(shù)；Smix為瀝青混合料的勁度模量；Vbit為瀝青所占的體積;ε為疲勞應(yīng)變.

30號、70號基質(zhì)瀝青混合料勁度模量分別取4.5和0.5 MPa，瀝青體積Vbit取12%，30號、70號基質(zhì)瀝青混合料勁度模量Smix分別取1 000和450 MPa.將表9應(yīng)變值分別代入式(5)～(6)驗算三種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，計算結(jié)果見表11.

表11 三種結(jié)構(gòu)疲勞壽命 次/車道

結(jié)構(gòu)二瀝青層底為壓應(yīng)變，殼牌設(shè)計法中瀝青層底拉應(yīng)變對于結(jié)構(gòu)二失效.由表11可知，按照疲勞壽命取最小值原則，三種結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大小順序：結(jié)構(gòu)一>結(jié)構(gòu)二>結(jié)構(gòu)三.

對比我國規(guī)范與殼牌設(shè)計法的疲勞壽命計算結(jié)果，預(yù)估結(jié)果大小順序一致.因殼牌設(shè)計法主要針對于柔性路面，其計算結(jié)果普遍小于我國規(guī)范計算結(jié)果.

4.3 跟蹤觀測結(jié)果

云羅高速公路耐久性瀝青路面試驗段于2012年年底建成通車，根據(jù)四年多時間里對試驗路使用狀況的持續(xù)跟蹤觀測結(jié)果：結(jié)構(gòu)一至今沒有出現(xiàn)裂縫，結(jié)構(gòu)二有極少裂縫出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)三有少量裂縫出現(xiàn)；結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二車轍深度均在5 mm以下，結(jié)構(gòu)三車轍深度在10 mm之內(nèi).理論計算結(jié)果與道路實際運(yùn)行狀況基本相符.

5 結(jié) 束 語

以廣東省云羅高速公路改進(jìn)型半剛性基層、碾壓混凝土基層和倒裝式半剛性基層三種結(jié)構(gòu)瀝青路面試驗路為依托，通過對比分析層間連續(xù)下的力學(xué)響應(yīng)，并應(yīng)用文獻(xiàn)[7]設(shè)計規(guī)范及殼牌設(shè)計法分別對三種瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞性能進(jìn)行了預(yù)估.理論計算結(jié)果和試驗路四年跟蹤觀測結(jié)果表明，改性型半剛性基層和碾壓混凝土基層瀝青路面車轍深度小，使用性能好，疲勞性能優(yōu)，倒裝式半剛性基層瀝青路面略次.

[1] 沙慶林.新水泥碎石基層[J].鐵道建筑技術(shù)，2009(10)：1-6．

[2] 胡昌斌.福建省瀝青路面區(qū)域特性[M].北京：人民交通出版社，2013．

[3] 吳傳海，許新權(quán)，周勇.高速公路瀝青路面新式碾壓混凝土基層設(shè)計與施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2016.

[4] 中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范:JTG D50-2006[S].北京：人民交通出版社,2006.

[5] 譚振宇，李浩，許新權(quán)，等.瀝青路面力學(xué)響應(yīng)監(jiān)測系統(tǒng)布置方案研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版)，2017,41(3):528-532.

[6] 李蕓,李浩,黃克旺,等.瀝青路面三向應(yīng)力響應(yīng)對比分析[J].廣東公路交通，2017(3)：1-4.

[7] 中華人民共和國交通部.公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范:JTG D50-2017[S].北京:人民交通出版社,2017.

[8] 沈金安．國外瀝青路面設(shè)計方法總匯[M]．北京：人民交通出版社，2004．

[9] 中華人民共和國交通部.公路水泥混凝土路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F30-2003[S]．北京：人民交通出版社，2003．

Comparative Analysis on Fatigue Life of Durable Asphalt Pavement Structure

LIHao1,2)XUXinquan1,2)LIUFeng1,2)

(ResearchandDevelopmentCenteronRoadTransportSafetyandEmergencySupportTechnology&Equipment,MinistryofTransport,Guangzhou510420,China)1)(GuangdongHualuCommunicationsTechnologyCo.LTD.,Guangzhou510420,China)2)

Based on the durable asphalt pavement test road of Yunluo Expressway in Guangdong Province, by comparing the mechanical response of three kinds of asphalt pavement structures with improved semi-rigid base, roller compacted concrete base and inverted semi-rigid base, the fatigue performances of three asphalt pavement structures are estimated in the methods of asphalt pavement design at home and abroad. The results of the theoretical calculation and the four-year follow-up of the test road show that the improved semi-rigid base and the roller compacted concrete pavement have small rutting depth, good performance and excellent fatigue performance.

road engineering; asphalt pavement; improved semi-rigid base; roller compacted concrete base; fatigue performance

U416

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.033

2017-10-10

李浩(1988—)：男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域為道路結(jié)構(gòu)力學(xué)計算

*廣東省交通運(yùn)輸廳科技項目資助(2012-02-011)