路面倒裝結(jié)構(gòu)彎沉交工驗(yàn)收值修正方法研究

王慧鑫

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 概述

我國(guó)目前的高速公路建設(shè)中，常用的是半剛性基層瀝青路面，半剛性基層路面有明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，優(yōu)點(diǎn)是板體性好，具有一定抗拉強(qiáng)度，穩(wěn)定性好，抗凍性強(qiáng)，強(qiáng)度和剛度隨著齡期而增長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性好；缺點(diǎn)是半剛性基層的干縮和溫縮容易導(dǎo)致收縮裂縫，收縮裂縫反射到瀝青面層形成大量反射裂縫。同時(shí)，現(xiàn)在我國(guó)交通運(yùn)輸量飛速增長(zhǎng)，軸載加重情況顯著，造成了重載作用下的瀝青混合料局部壓力集中，導(dǎo)致路面的早期破損[1]。

而在半剛性基層與瀝青面層之間加鋪一層柔性的級(jí)配碎石基層很好地彌補(bǔ)了半剛性基層瀝青路面的缺點(diǎn)，能有效減少路面的反射裂縫；極大地減小局部應(yīng)力集中造成的早期破壞，更好地承受重交通荷載的疲勞作用[1]；且因級(jí)配碎石空隙較大，還能起到排水層的作用。此結(jié)構(gòu)由于在回彈模量較大的瀝青面層和半剛性基層之間夾了一層較為柔軟的回彈模量較小的級(jí)配碎石層，故稱為倒裝結(jié)構(gòu)。但此結(jié)構(gòu)也存在不足之處，其整體性差、塑性變形大、容易發(fā)生車轍。目前倒裝結(jié)構(gòu)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用較少，僅福建省應(yīng)用較多。某項(xiàng)目10 km路段路面結(jié)構(gòu)使用了倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作為試驗(yàn)段，但在路面交工驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)，倒裝結(jié)構(gòu)路面各層次彎沉實(shí)測(cè)值與圖紙給定的交工驗(yàn)收值偏差較大，尤其是倒裝結(jié)構(gòu)瀝青層彎沉實(shí)測(cè)代表值難以滿足設(shè)計(jì)要求，雖設(shè)計(jì)圖紙要求在施工過(guò)程中對(duì)各層次的交工驗(yàn)收彎沉值進(jìn)行修正，但未給出修正系數(shù)及方法，本文依據(jù)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)專業(yè)書籍內(nèi)容，確定倒裝結(jié)構(gòu)各層次的彎沉修正系數(shù)，得到各層次的修正計(jì)算彎沉值，為瀝青路面彎沉交工驗(yàn)收提供參考。

2 倒裝結(jié)構(gòu)彎沉值的計(jì)算與分析

2.1 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎沉及分析

根據(jù)某項(xiàng)目路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙，非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)路面設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)路面設(shè)計(jì)參數(shù)表

通過(guò)表1可看出，非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)路面結(jié)構(gòu)基層的區(qū)別是，非倒裝結(jié)構(gòu)為54 cm水穩(wěn)層，倒裝結(jié)構(gòu)是36 cm水穩(wěn)層+12 cm級(jí)配碎石，現(xiàn)從已施工完成的兩種路面結(jié)構(gòu)隨機(jī)選取部分段落的水穩(wěn)層頂實(shí)測(cè)彎沉值見(jiàn)表2。

表2 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)水穩(wěn)層頂實(shí)測(cè)彎沉統(tǒng)計(jì)表

從已施工完成的倒裝結(jié)構(gòu)級(jí)配碎石層隨機(jī)選取部分段落的實(shí)測(cè)彎沉值見(jiàn)表3。

從已施工完成的非倒裝結(jié)構(gòu)及倒裝結(jié)構(gòu)分別隨機(jī)選取部分段落的ATB-25上基層的實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

從已施工完成的非倒裝結(jié)構(gòu)及倒裝結(jié)構(gòu)分別隨機(jī)選取部分段落的AC-20下面層的實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表3 倒裝結(jié)構(gòu)級(jí)配碎石層實(shí)測(cè)彎沉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表4 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)ATB-25基層實(shí)測(cè)彎沉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表5 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)AC-20下面層實(shí)測(cè)彎沉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

從已施工完成的非倒裝結(jié)構(gòu)及倒裝結(jié)構(gòu)分別隨機(jī)選取部分段落的SMA-13上面層的實(shí)測(cè)彎沉數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)SMA-13上面層實(shí)測(cè)彎沉統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)表2～表6的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以得到表7。

表7 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層彎沉數(shù)據(jù)對(duì)比匯總表

通過(guò)表7可以看出，非倒裝結(jié)構(gòu)各層次的實(shí)測(cè)彎沉代表值均遠(yuǎn)小于圖紙給定的彎沉交工驗(yàn)收值，倒裝結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)層與級(jí)配碎石層也小于設(shè)計(jì)值，但倒裝結(jié)構(gòu)的ATB瀝青基層、AC下面層、SMA上面層3層瀝青結(jié)構(gòu)層的彎沉代表值遠(yuǎn)超相應(yīng)的非倒裝結(jié)構(gòu)同層次，且其代表值不滿足圖紙給定的交工驗(yàn)收值。

路面倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比非倒裝結(jié)構(gòu)多了一層柔性基層，且水穩(wěn)層的厚度也較非倒裝結(jié)構(gòu)薄，整體性更差，交工驗(yàn)收的彎沉值理論上應(yīng)該比非倒裝結(jié)構(gòu)大，但倒裝結(jié)構(gòu)3層瀝青結(jié)構(gòu)層圖紙給定的交工驗(yàn)收彎沉值與非倒裝結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)，甚至更小，這樣的設(shè)計(jì)明顯不合理。結(jié)合本文數(shù)據(jù)及對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的調(diào)查，可知現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范可滿足半剛性瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。而對(duì)于柔性基層瀝青路面，現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中的彎沉設(shè)計(jì)方法不適用，設(shè)計(jì)的彎沉值過(guò)于嚴(yán)格，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)測(cè)彎沉值難以滿足其要求，無(wú)法作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)依據(jù)，通常需要進(jìn)行修正。

按照本項(xiàng)目圖紙的說(shuō)明：“路面各結(jié)構(gòu)層交工驗(yàn)收彎沉參考指標(biāo)是根據(jù)規(guī)范所提供的路面各結(jié)構(gòu)層材料的回彈模量參考值計(jì)算得到的理論值，該彎沉值僅作為路面各結(jié)構(gòu)層交工驗(yàn)收時(shí)的參考指標(biāo)，不應(yīng)作為交工驗(yàn)收的控制指標(biāo)。為了反映工程的實(shí)際情況，路面各結(jié)構(gòu)層交工驗(yàn)收時(shí)，需根據(jù)路面各結(jié)構(gòu)層材料的實(shí)際齡期，對(duì)其回彈模量進(jìn)行修正，并重新計(jì)算路表的交工驗(yàn)收彎沉指標(biāo)?！睘橛行У貙?duì)各結(jié)構(gòu)層，尤其是倒裝結(jié)構(gòu)的瀝青層交工驗(yàn)收彎沉值進(jìn)行控制，需通過(guò)一定的方法對(duì)倒裝結(jié)構(gòu)的彎沉交工驗(yàn)收值進(jìn)行修正。

2.2 彎沉綜合修正系數(shù)的計(jì)算方法

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D50—2006及鄧學(xué)鈞主編《路基路面工程》的相關(guān)內(nèi)容，可得到路表彎沉值、彎沉綜合修正系數(shù)的公式如式（1）、式（2）[2-3]：

彎沉綜合修正系數(shù)

式中：p為標(biāo)準(zhǔn)車型的輪胎接地壓強(qiáng)，MPa；δ為當(dāng)量圓半徑，cm；αc為理論彎沉系數(shù)；E0或En為土基回彈模量值，MPa；E1、E2、En-1為各層材料回彈模量，MPa；h1、h2、hn-1為各結(jié)構(gòu)層厚度，cm。

由式（1）、式（2）及《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》的條文說(shuō)明8.0.12可以得出：理論計(jì)算彎沉值是通過(guò)整層試槽和分層反算模量確定材料模量后由公式（1）或路面設(shè)計(jì)軟件計(jì)算得到的，計(jì)算時(shí)假設(shè)的彈性層狀理論是一定假設(shè)條件下經(jīng)過(guò)復(fù)雜的力學(xué)、數(shù)據(jù)推演得到的理論體系，其假設(shè)的土基模量、材料特性等條件與路面實(shí)際不完全相符，所以造成了理論計(jì)算彎沉值與實(shí)測(cè)彎沉值不相吻合，因此引入了彎沉修正系數(shù)F，它為實(shí)測(cè)彎沉值和理論計(jì)算彎沉的比，是根據(jù)大量的試驗(yàn)路資料統(tǒng)計(jì)分析得到的，它使計(jì)算彎沉值和實(shí)測(cè)彎沉值趨于接近實(shí)際[2]。

依據(jù)上文可看出，實(shí)測(cè)彎沉值通常是現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)貝克曼梁法檢測(cè)得到的，理論計(jì)算彎沉值通常是根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)在一定假設(shè)條件下通過(guò)軟件計(jì)算得到的，修正計(jì)算彎沉值是通過(guò)試驗(yàn)路統(tǒng)計(jì)分析得到的彎沉修正系數(shù)F，用已知的實(shí)測(cè)彎沉值除以F后得到的，修正后的計(jì)算彎沉值比理論計(jì)算彎沉值更接近于實(shí)際。

根據(jù)鄧學(xué)鈞主編的《路基路面工程》教材第345頁(yè)的說(shuō)明及《瀝青路面動(dòng)態(tài)彎沉綜合修正系數(shù)研究》（董元帥，重慶交通大學(xué)），可知彎沉修正系數(shù)F公式中的ls和E0分別代表現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎沉值和土基的實(shí)測(cè)回彈模量，因此可將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎沉代表值和土基的實(shí)測(cè)回彈模量代入公式（2）中得到彎沉修正系數(shù)F，再用實(shí)測(cè)彎沉代表值除以F得到修正計(jì)算彎沉值[3-4]。

2.3 修正計(jì)算彎沉值的計(jì)算

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》JTG E60—2008中的承載板測(cè)定土基回彈模量試驗(yàn)方法，在路基現(xiàn)場(chǎng)取有代表性的路基段落進(jìn)行了試驗(yàn)，得到現(xiàn)場(chǎng)土基的回彈模量平均值為134 MPa，遠(yuǎn)大于圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值的40 MPa，將實(shí)測(cè)的土基回彈模量及彎沉實(shí)測(cè)值按照2.2中的計(jì)算方法可得到表8。

圖1 承載板測(cè)定土基回彈模量試驗(yàn)

表8 非倒裝結(jié)構(gòu)與倒裝結(jié)構(gòu)各結(jié)構(gòu)層修正計(jì)算彎沉值統(tǒng)計(jì)表

由表8可見(jiàn)，非倒裝結(jié)構(gòu)各層次、倒裝結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)層與級(jí)配碎石基層圖紙給定的交工驗(yàn)收彎沉值遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)彎沉代表值，而修正計(jì)算彎沉值均比圖紙給定的交工驗(yàn)收彎沉值要小，使用修正計(jì)算彎沉值進(jìn)行控制更為合理。

倒裝結(jié)構(gòu)的瀝青上基層、下面層、上面層使用實(shí)測(cè)彎沉值、實(shí)測(cè)土基回彈模量得到的修正計(jì)算彎沉值均大于其實(shí)測(cè)彎沉代表值，修正計(jì)算彎沉值對(duì)實(shí)測(cè)彎沉代表值比值分別為1.46、1.54和1.61，可在考慮路段施工水平、土工回彈模量差異的情況下，滿足現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)要求，解決了圖紙給定交工驗(yàn)收彎沉值均小于實(shí)測(cè)彎沉代表值，無(wú)法作為現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)控制指標(biāo)的矛盾。福建省是我國(guó)倒裝結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多的省份，全省倒裝結(jié)構(gòu)已修建4 000 km，通過(guò)對(duì)福建省倒裝結(jié)構(gòu)的調(diào)查，其上面層彎沉交工驗(yàn)收采用39.0的交工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，本文上面層計(jì)算出的修正計(jì)算彎沉值為37.3，與其相差不大且更為嚴(yán)格，可作為現(xiàn)場(chǎng)彎沉檢測(cè)的彎沉控制值。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著公路交通運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)逐漸產(chǎn)生變化，交通量的增加、車輛軸載的增大，加上外界自然環(huán)境變化等原因，半剛性基層瀝青路面常出現(xiàn)反射裂縫、路面局部破損等病害，使得倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面開始進(jìn)行應(yīng)用，但該結(jié)構(gòu)路面進(jìn)行交工驗(yàn)收檢測(cè)時(shí)，其瀝青層彎沉實(shí)測(cè)值常難以滿足設(shè)計(jì)圖紙給定的要求值。為解決這一矛盾，參照?qǐng)D紙的相關(guān)說(shuō)明、現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范及相關(guān)專業(yè)書籍的內(nèi)容，使用實(shí)測(cè)彎沉值及實(shí)測(cè)土基回彈模量得出了修正計(jì)算彎沉值，修正計(jì)算彎沉值比理論計(jì)算彎沉值更接近于實(shí)際，可為現(xiàn)場(chǎng)彎沉檢測(cè)提供合理的彎沉控制值，解決了倒裝結(jié)構(gòu)瀝青層交工驗(yàn)收中出現(xiàn)的矛盾，確保倒裝結(jié)構(gòu)路面交工驗(yàn)收順利進(jìn)行。