全柔性瀝青路面彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)研究*

李偉聰 龔僥斌

(廣東交科檢測有限公司1) 廣州 510420) (贛州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院2) 贛州 341000) (廣州大學(xué)土木工程學(xué)院3) 廣州 510006)

0 引 言

全柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)為豐富我國長壽命路面結(jié)構(gòu)型式，解決半剛性基層瀝青路面早期典型病害提供了良好的實踐平臺.然而，我國現(xiàn)階段缺乏有關(guān)柔性路面質(zhì)量評定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，柔性路面的竣工驗收主要是參照半剛性基層瀝青路面而展開.針對不同的設(shè)計理念、受力模式，采用同一標(biāo)準(zhǔn)將導(dǎo)致彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)的不適應(yīng)性.

林榕[1]針對我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)中的不足之處，提出了基于含水量變化和半剛性基層材料回彈模量隨溫度、齡期的變化規(guī)律，給出了路表彎沉驗收公式；王璜[2]研究認(rèn)為現(xiàn)行彎沉設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系不適用于柔性基層的瀝青路面結(jié)構(gòu)，根據(jù)柔性層總厚度對彎沉驗收值進(jìn)行了界定；王理吉[3]通過分析新疆地區(qū)的氣候特點(diǎn)，提出了考慮季節(jié)、半剛性基層材料強(qiáng)度、檢測時間的路面彎沉驗收方法；劉衛(wèi)平等[4]提出了新的F計算式，適用于厚瀝青混凝土層路面結(jié)構(gòu)形式；高英等[5]引入材料的動態(tài)參數(shù)計算瀝青路面路表彎沉，并與路表實測彎沉進(jìn)行比較，使瀝青路面設(shè)計中設(shè)計參數(shù)與控制指標(biāo)狀態(tài)一致，并去除彎沉綜合修正系數(shù)及其不當(dāng)影響；凌天清等[6]根據(jù)彈性層狀體系理論的計算結(jié)果，提出了半剛性基層瀝青路面彎沉的綜合修正系數(shù)公式.

綜上所述，現(xiàn)有研究考慮了地區(qū)、季節(jié)、材料強(qiáng)度、路面厚度等因素對路表彎沉的影響，豐富了現(xiàn)有彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵.然而，其研究對象主要是針對半剛性基層瀝青路面，對全柔性瀝青路面涉及較少，采用其研究成果仍會出現(xiàn)適應(yīng)性不足.

因此，本文依托廣河全柔性瀝青路面結(jié)構(gòu)型式，在大量現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)、理論計算基礎(chǔ)上，分析了廣河高速彎沉普遍大于設(shè)計值的原因；基于可靠度的概念，進(jìn)而提出了級配碎石層頂面及路表彎沉的F修正公式，研究成果可為柔性路面的彎沉驗收提供依據(jù).1 工程概述廣河高速惠州段結(jié)構(gòu)設(shè)計采用倒裝式柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，上面層采用4 cm厚Sup-12.5、中面層7 cm厚Sup-19、下面層8 cm厚Sup-25，上基層9 cm厚ATB-25、下基層32 cm厚級配碎石、底基層15 cm厚水泥穩(wěn)定碎石.半剛性材料作為底基層主要有兩個功能：①保護(hù)路基土，降低路基土頂面壓應(yīng)力水平；②作為級配碎石的下臥層，有利于級配碎石的充分碾壓，同時由于級配碎石力學(xué)的非線性特點(diǎn)，可以提高級配碎石的模量.原設(shè)計文件給出的結(jié)構(gòu)組成、材料設(shè)計參數(shù)、設(shè)計彎沉,以及各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值見表1.

表1 廣河高速惠州段瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)及設(shè)計彎沉

/cm/MPa/0.01mmHPDS2011/0.01mmBISAR3.0/0.01mm4SBSSup-12.51 4003024.6467SBSSup-191 20032.627.6498Sup-251 00040.534569ATB-251 2004544653230063607415110015514213540230233223

由表1可知，采用HPDS2011計算得到的彎沉值與設(shè)計彎沉值相差較小，基本處于一個水平；而采用BISAR3.0計算的得到的彎沉值普遍大于設(shè)計彎沉值.本文暫且不對設(shè)計彎沉的合理性進(jìn)行討論，而是重點(diǎn)分析實測彎沉值與設(shè)計值、計算值的偏離程度.

在廣河高速公路施工過程中，對各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉進(jìn)行逐段、逐層檢測，將實測值與設(shè)計值、計算值進(jìn)行比較，見圖1.圖1的橫坐標(biāo)為路段編號，每個路段的對應(yīng)的彎沉代表值(縱坐標(biāo))由多個點(diǎn)位測試值計算得到.限于篇幅，僅給出土基、水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石、ATB頂面及路表彎沉代表值的情況.

圖1 各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉代表值分布情況

根據(jù)圖1及現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉合格率，見表2.

由表2可知，按照設(shè)計值、HPDS2011計算彎沉值、BISAR3.0計算彎沉值三種不同標(biāo)準(zhǔn)計算得到的合格率雖有一定的差異，但仍存在共性：土基和水穩(wěn)層合格率均較高，而級配碎石層、ATB結(jié)構(gòu)層合格率很低.

按照設(shè)計值、HPDS2011計算彎沉值計算得到的三層瀝青層頂面合格率較為一致，與按照BISAR3.0計算得到的合格率相差較大.根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究成果，認(rèn)為HPDS計算的彎沉偏小、BISAR3.0計算的彎沉值偏大，且文獻(xiàn)[4]研究認(rèn)為結(jié)構(gòu)組合設(shè)計應(yīng)注重結(jié)構(gòu)和材料功能一體化，假設(shè)BISAR3.0計算值很精確，但結(jié)構(gòu)層中仍有級配碎石和ATB彎沉結(jié)構(gòu)組合不合理的弊端.

經(jīng)對比分析，可以認(rèn)為BISAR3.0計算的彎沉值偏大，造成面層彎沉值合格率偏高的假象.如此，進(jìn)一步分析，可得級配碎石層及以上各層頂面彎沉合格率均很低.由此，造成本文研究的全柔性路面結(jié)構(gòu)彎沉普遍不合格的根源在于級配碎石的合格率過低.

2 理論分析

為了驗證全柔性路面結(jié)構(gòu)彎沉普遍不合格的原因，應(yīng)用BISAR3.0計算軟件進(jìn)行對比分析，試圖找到造成彎沉普遍不合格的根源.

因HPDS2011計算軟件無法設(shè)置材料參數(shù)，故不能體現(xiàn)材料參數(shù)的差異對彎沉值的影響，本文采用BISAR3.0計算軟件進(jìn)行計算分析.計算過程假定層間完全連續(xù)，參照文獻(xiàn)[5]之規(guī)定：采用雙輪組單軸載100 kN 作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，當(dāng)量圓半徑為R=10.65 cm，輪胎接地壓強(qiáng)為p=0.7 MPa.

在其他結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值參照表1且保持不變的情況下，級配碎石模量取值范圍為100～400 MPa，變化值間距為50 MPa.提取路表彎沉(輪隙中心)及級配碎石層頂面彎沉值，見圖2a).同時，四層瀝青層模量整體變化幅度范圍為[-400，200] MPa，變化間距為100 MPa.如-400 MPa對應(yīng)四層瀝青層由上至下的模量組合為(1 000,80,600,800 MPa),其中，上面層模量取值計算方法為1 400-400=1 000 MPa，余下類同.提取路表彎沉(輪隙中心)及級配碎石層頂面彎沉值，見圖2b).

表2 根據(jù)各標(biāo)準(zhǔn)值計算的合格率情況

/0.01mm/%HPDS2011/%BISAR3.0/%124.6～217.010010010073.7～162.795958055～1447711ATB-2569.8～146.8000Sap-2530～9121855Sap-1929.5～70807531～600095

圖2 彎沉值隨級配碎石模量和瀝青層模量變化規(guī)律

由圖2a)可得，在路面結(jié)構(gòu)厚度和其他層位剛度不變的情況下，路表彎沉l和級配碎石頂面彎沉l0均隨著級配碎石層模量E1的增加而減小，特別是在E1較小時，下降趨勢較為明顯.在E1增加的過程中，Δl=l-l0變化很小，即減去級配碎石層、水穩(wěn)層、土基三部分產(chǎn)生彎沉后，由瀝青層產(chǎn)生的彎沉值基本上保持不變.如當(dāng)E1=100 MPa時，Δl=0.018 1 mm；當(dāng)E1=400，Δl=0.019 9 mm.

圖2b)可得，在路面結(jié)構(gòu)厚度和其他層位剛度不變的情況下，路表彎沉l和級配碎石頂面彎沉l0均隨著瀝青層模量E2的增加而減小，但下降幅度較小.級配碎石層模量由100 MPa增加至400 MPa時，路表彎沉下降了14.45(0.01 mm)，下降幅度為24.8%；瀝青層模量整體提高了600 MPa，路表彎沉下降了5.88(0.01 mm)，下降幅度為11.6%.

綜上分析可得，級配碎石層模量的變化對路表彎沉的影響遠(yuǎn)大于瀝青層，級配碎石層模量較低時，雖瀝青層模量較高，但仍會造成路表彎沉較大.

3 彎沉修正及驗證

3.1 基于95%可靠度的彎沉修正

參考文獻(xiàn)[7]中可靠度的概念，以大量實測彎沉值為依據(jù)，考慮修正后的彎沉值大于實測值的可靠度為95%， 即假設(shè)廣河高速設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)方案正確的前提下，根據(jù)實測值對彎沉計算方法加以修正.

根據(jù)文獻(xiàn)[8]所提出的三層路面結(jié)構(gòu)的路表輪隙彎沉值為

(1)

(2)

其中：p為標(biāo)準(zhǔn)軸載的輪胎接地壓強(qiáng)，MPa；δ為標(biāo)準(zhǔn)荷載圓半徑，δ=10.65 cm；E1為第一層材料回彈模量，MPa；E2為第二層材料回彈模量，MPa；E3為土基回彈模量值，MPa.

由文獻(xiàn)[9]可知：

(3)

(4)

將式(4)帶入式(3)可知：

ls=2 000δ×(1.63w)1.613×(p/E0)1.032

(5)

采用式(1)計算級配碎石層頂面的彎沉?xí)r，第一層為級配碎石層，第二層為水穩(wěn)材料層，第三層為土基，材料參數(shù)取值參照表1.

根據(jù)前文分析得到級配碎石層彎沉合格率普遍偏低的現(xiàn)象，綜合式(3)～(5)可知，我國規(guī)范中的彎沉計算公式不適用于全柔性瀝青路面，根據(jù)現(xiàn)行公式計算造成全柔性路面的驗收標(biāo)準(zhǔn)過高，以致于合格率低,因此，可以考慮對現(xiàn)行規(guī)范的彎沉計算公式進(jìn)行系數(shù)修正.以ls為因變量，則自變量中可以調(diào)整的有系數(shù)1.63、冪次項0.38和冪次項0.36.為了保證和現(xiàn)行規(guī)范公式的一致性，維持式(4)中冪次項0.38和冪次項0.36不變，對系數(shù)1.63進(jìn)行修正.

應(yīng)用SPSS進(jìn)行線性回歸，將公式中的系數(shù)由1.63修正為2.363 5時，計算公式與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合較好，且能滿足95%可靠度的要求.修正后的F值計算公式及彎沉值計算公式為

(6)

ls=2000δ×(2.363 5w)1.613×(p/E0)1.032

(7)

級配碎石層頂面和路表彎沉修正圖見圖3.修正后的路表彎沉值為43.5(0.01mm)，20個實測路段的彎沉代表值，有19個路段滿足，可靠度為95%.

圖3 彎沉修正

3.2 廣河高速惠州段交工驗收彎沉標(biāo)準(zhǔn)

為了驗證路表彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)的合理性，于2011年11月22—25日到現(xiàn)場采用貝克曼梁彎沉儀對廣河高速柔性路面路表彎沉進(jìn)行了測試，結(jié)果見表3.

表3 廣河高速惠州段路表彎沉檢測結(jié)果

按照文獻(xiàn)[9]對表3中的彎沉代表值進(jìn)行了溫度修正，根據(jù)修正后的彎沉值，現(xiàn)場測定的12個路段的代表彎沉值合格為11/12=92%.

4 使用效果

廣河高速于2011年底通車，運(yùn)營至今將近7年，根據(jù)歷年對瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、破損、平整度、車轍、路表彎沉及滲水系數(shù)的跟蹤觀測，歷年的檢測結(jié)果表明廣河高速在運(yùn)營期內(nèi)并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，僅出現(xiàn)柔性路面較為常見的坑槽、裂縫等病害.表明文中關(guān)于廣河高速設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)方案正確的假設(shè)在合理范圍內(nèi).

由廣河高速實際營運(yùn)情況可見，本文提出的基于可靠度的彎沉修正標(biāo)準(zhǔn)值合理，可以指導(dǎo)柔性路面的彎沉驗收工作.

5 結(jié) 束 語

針對廣河高速全柔性瀝青路面彎沉實測值較設(shè)計值普遍偏大、合格率低的現(xiàn)狀，對各結(jié)構(gòu)層頂面實測值進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)合理論分析結(jié)果，表明全柔性路面結(jié)構(gòu)彎沉普遍不合格的根源在于級配碎石的合格率過低.

根據(jù)三層路面結(jié)構(gòu)的路表輪隙彎沉值計算簡化公式，并基于可靠度理論，分析得到了滿足95%可靠度的F修正系數(shù)，以此確定了廣河全柔性瀝青路面的彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)值.

廣河高速通車七年之久，并未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)型破壞，驗證了本文提出的彎沉修正方法及彎沉驗收標(biāo)準(zhǔn)合理.