瀝青路面中瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算問(wèn)題與分析

陳新富

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510507)

0 概述

車(chē)轍是指行車(chē)道上出現(xiàn)的轍槽，車(chē)轍變形的內(nèi)因是瀝青砼的高溫穩(wěn)定性和抗變形能力差，在車(chē)輛荷載的重復(fù)作用下，產(chǎn)生橫向剪切變形。廣東省內(nèi)高速公路由于氣溫較高，高溫天氣時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)，而且交通量較大，重載車(chē)比例高，瀝青路面較易出現(xiàn)車(chē)轍病害，嚴(yán)重影響行車(chē)質(zhì)量及安全。

《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“新規(guī)范”)于2017年9月1日開(kāi)始實(shí)施，新規(guī)范在驗(yàn)算路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的選擇上較原規(guī)范有較大調(diào)整[1]，其中增加了瀝青混合料層永久變形量設(shè)計(jì)指標(biāo)?？刂茷r青層的永久變形是控制瀝青路面車(chē)轍量的關(guān)鍵，特別是對(duì)于無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)基層、底基層的瀝青路面，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層和路基由于荷載重復(fù)作用而產(chǎn)生的永久變形累積量不大，在路表的車(chē)轍總量中僅占很小的比重，可認(rèn)為不產(chǎn)生永久變形，這類(lèi)路面車(chē)轍主要由瀝青混合料層永久變形產(chǎn)生，因此新規(guī)范3.0.6條[1]無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)基層、底基層的瀝青路面瀝青混合料層的容許永久變形量與路面容許車(chē)轍相同，為15mm。

近期筆者在廣東省幾條采用水泥穩(wěn)定碎石基層、底基層的半剛性高速公路瀝青路面設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)使用年限為15年時(shí)，采用通常的材料設(shè)計(jì)參數(shù)驗(yàn)算得出的瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)難以滿(mǎn)足新規(guī)范要求，或者計(jì)算得出的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值特別大，而在工程實(shí)際應(yīng)用中瀝青混合料的質(zhì)量要求和施工控制均較難實(shí)現(xiàn)。

但新規(guī)范附錄B.3.2計(jì)算瀝青混合料層永久變形量公式中[1]：設(shè)計(jì)車(chē)道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)是指設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)或通車(chē)至首次針對(duì)車(chē)轍維修的期限內(nèi)，條文說(shuō)明中指出[1]“結(jié)構(gòu)分析需綜合考慮路面的養(yǎng)護(hù)、維修工作。對(duì)交通量大、重載比例高的項(xiàng)目，路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)有時(shí)需要針對(duì)車(chē)轍進(jìn)行一次或一次以上的維修，此時(shí)Ne3采用通車(chē)至首次維修的期限內(nèi)當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)”。結(jié)合廣東省內(nèi)高速公路營(yíng)運(yùn)期路面實(shí)際養(yǎng)護(hù)維修情況，一般針對(duì)路面車(chē)轍等病害在通車(chē)后8～10年進(jìn)行一次大修，因此筆者通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)期取通車(chē)至針對(duì)路面車(chē)轍維修所對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，得到合理的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度要求，以用作瀝青混合料的質(zhì)量要求和施工控制指標(biāo)。

本文結(jié)合廣東省懷集至陽(yáng)江港高速公路懷集至郁南段(以下簡(jiǎn)稱(chēng)懷郁高速公路)的路面工程中瀝青混合料層永久變形量設(shè)計(jì)驗(yàn)算情況，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 交通量

1.1 交通量預(yù)測(cè)

懷郁高速公路通車(chē)年為2021年，各路段、各特征年車(chē)型交通量分布情況及年平均交通量見(jiàn)表1[4]。

表1 交通量預(yù)測(cè)結(jié)果 (單位：Pcu/d)

懷郁高速公路各特征年車(chē)型比例見(jiàn)表2[4]。

表2 特征年份車(chē)型比例 (單位：%)

1.2 累計(jì)交通量

根據(jù)交通量OD調(diào)查分析，懷郁高速公路建成通車(chē)2021年的雙向大型客車(chē)和貨車(chē)交通量為5 320輛/d，計(jì)算得到交通量年平均增長(zhǎng)率為7.4%，方向系數(shù)選取0.55，車(chē)道系數(shù)取0.7。根據(jù)新規(guī)范計(jì)算得到其設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)(15年)設(shè)計(jì)車(chē)道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)為41 123 820次，設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車(chē)道累計(jì)大型客車(chē)和貨車(chē)交通量為17 664 380，設(shè)計(jì)交通荷載等級(jí)屬于重交通。

2 路面材料參數(shù)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

2.1 參數(shù)設(shè)計(jì)水平

新規(guī)范規(guī)定路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)的確定分為下列三個(gè)水平[1]：水平一，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)試確定；水平二，利用部分已有的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式確定；水平三，參照規(guī)范推薦或常用的典型數(shù)值確定。具體如表3所示。

表3 路面結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)參數(shù)確定水平情況[1]

對(duì)應(yīng)參數(shù)水平的確定，新規(guī)范在5.1.4章節(jié)中規(guī)定如下[1]：“高速公路和一級(jí)公路的施工圖設(shè)計(jì)階段宜采用水平一，其他設(shè)計(jì)階段可采用水平二或水平三；二級(jí)及二級(jí)以下公路可采用水平二或水平三。”

本文結(jié)合懷郁高速公路路面工程情況，參數(shù)設(shè)計(jì)采用水平三，即參照典型數(shù)值確定。主要基于以下三個(gè)方面：(1)新規(guī)范用的是“宜”，并非強(qiáng)制性要求采用水平一；(2)考慮到懷郁高速公路路面施工圖設(shè)計(jì)正好位于新舊規(guī)范交替的特殊時(shí)期，如采用水平一，周期長(zhǎng)，影響工程進(jìn)度；(3)對(duì)新建高速公路兩階段施工圖設(shè)計(jì)，材料參數(shù)的確定可先采用水平三，待施工過(guò)程中原材料確定且具備室內(nèi)試驗(yàn)條件時(shí)，再采用水平一確定設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

2.2 初擬路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

懷郁高速公路初擬路面結(jié)構(gòu)方案見(jiàn)表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)方案

3 瀝青混合料層永久變形量驗(yàn)算分析

根據(jù)新規(guī)范[1]“表G.1.2 各地氣溫統(tǒng)計(jì)資料及相應(yīng)的基準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)溫度調(diào)整系數(shù)和等效溫度”，查出項(xiàng)目區(qū)基準(zhǔn)等效溫度為26.3℃，由公式(G.2.1)計(jì)算得到對(duì)應(yīng)瀝青混合料層永久變形的等效溫度為29.3℃。

3.1 正常情況下，設(shè)計(jì)使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

根據(jù)新規(guī)范附錄B.3.1條[1]規(guī)定的分層方法，需將本項(xiàng)目瀝青混合料層分為7個(gè)分層，各分層厚度(hi)如表5所示。利用彈性層狀體系理論，分別計(jì)算設(shè)計(jì)荷載作用下各分層頂部的豎向壓應(yīng)力(Pi)。根據(jù)新規(guī)范[1]公式(B.3.2-3)和公式(B.3.2-4)，計(jì)算得到d1=-4.15，d2=0.66。將d1和d2的計(jì)算結(jié)果代入公式(B.3.2-2)，可得到各分層的永久變形綜合修正系數(shù)(kRi)，并進(jìn)而利用公式(B.3.2-1)計(jì)算各分層永久變形量(Rai)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 瀝青層永久變形量計(jì)算結(jié)果

根據(jù)附錄B公式(B.3.4)

DS=9 365R0-1.48

式中：DS—瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度。

進(jìn)而計(jì)算得出車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度要求：

第1層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 351次/mm；

第2層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 351次/mm；

第3層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為2 276次/mm。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，本項(xiàng)目瀝青混合料層永久變形量Ra=18.37mm，根據(jù)新規(guī)范[1]表3.0.6-1，無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類(lèi)基層、底基層瀝青路面的瀝青混合料層容許永久變形量為15.0mm，因此擬定的路面結(jié)構(gòu)不滿(mǎn)足新規(guī)范瀝青混合料層永久變形量的要求，而且要求的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值也較大。

3.2 試算設(shè)計(jì)使用年限為15年且滿(mǎn)足新規(guī)范要求的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

正常情況下，設(shè)計(jì)使用年限為15年的瀝青混合料層永久變形量結(jié)果經(jīng)過(guò)驗(yàn)算不滿(mǎn)足規(guī)范要求，而假定設(shè)計(jì)使用年限為15年且瀝青混合料各層總永久變形量為15mm臨界值時(shí)，通過(guò)附錄B公式(B.3.4)試算得出車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度。試算總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量詳見(jiàn)表6。

表6 總永久變形量為15mm的瀝青層永久變形量

進(jìn)而由附錄B公式(B.3.2-1)和(B.3.4)得出對(duì)應(yīng)的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果：

第1層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為12 122次/mm；

第2層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為11 911次/mm；

第3層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為4 196次/mm。

由上述可知，設(shè)計(jì)使用年限為15年且滿(mǎn)足新規(guī)范要求的瀝青混合料層永久變形量要求后，瀝青混合料的車(chē)轍動(dòng)穩(wěn)定度值很大，實(shí)際瀝青混合料的質(zhì)量及施工控制很難達(dá)到要求。

3.3 調(diào)整設(shè)計(jì)期為10年時(shí)的瀝青混合料層永久變形量計(jì)算分析

根據(jù)新規(guī)范附錄B條文說(shuō)明[1]，允許路面設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)針對(duì)車(chē)轍進(jìn)行一次或一次以上的維修，將本項(xiàng)目通車(chē)至首次針對(duì)車(chē)轍維修的期限取為10年，對(duì)應(yīng)于瀝青混合料層永久變形的設(shè)計(jì)車(chē)道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)次數(shù)為23 083 950，進(jìn)而計(jì)算得出永久變形量結(jié)果(表7)。

表7 設(shè)計(jì)期為10年時(shí)瀝青層永久變形量計(jì)算結(jié)果

由表7可知，將通車(chē)至首次針對(duì)車(chē)轍維修的期限取為10年后，擬定的路面結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足新規(guī)范瀝青混合料層永久變形量的要求。

根據(jù)附錄B公式(B.3.4)，進(jìn)而計(jì)算得出車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度：

第1層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為6 006次/mm；

第2層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為5 691次/mm；

第3層瀝青混合料車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度技術(shù)要求為1 937次/mm。

以上瀝青混合料的車(chē)轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度要求，在目前的材料和施工工藝條件下可以達(dá)到。

4 結(jié)論

(1)在廣東大部分地區(qū)氣溫較高、交通量較大和重載比例高的情況下，按照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)，若設(shè)計(jì)車(chē)道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)采用路面設(shè)計(jì)使用年限15年時(shí)，瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，或者計(jì)算得出的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度值特別大，但在實(shí)際工程中瀝青混合料的質(zhì)量及施工控制很難達(dá)到要求。

(2)規(guī)范附錄B.3.2計(jì)算瀝青混合料層永久變形量公式中：設(shè)計(jì)車(chē)道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)是指設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)或通車(chē)至首次針對(duì)車(chē)轍維修的期限內(nèi)，因此通過(guò)調(diào)整設(shè)計(jì)期取通車(chē)至針對(duì)路面車(chē)轍維修所對(duì)應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)(一般8～10年)進(jìn)行計(jì)算，瀝青混合料層永久變形量指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，且得到的瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度要求符合實(shí)際工程情況。

(3)以上調(diào)整設(shè)計(jì)期計(jì)算瀝青混合料層永久變形量的方法，符合廣東省內(nèi)高速公路營(yíng)運(yùn)期一般針對(duì)路面車(chē)轍等病害在通車(chē)后8～10年進(jìn)行一次大修的實(shí)際情況，也可供類(lèi)似工程參考。