基于力學分析的瀝青路面單面層與雙面層結(jié)構(gòu)研究

魯 高 群

(中國三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

涼山州雷波S307復(fù)建公路是溪洛渡水電站庫區(qū)的一條山區(qū)三級公路，是雷波縣通往西昌的主干道，常年經(jīng)受重型礦車碾壓。該段道路自2013年5月通車至今，除少部分路面受地質(zhì)災(zāi)害影響進行了修復(fù)外，其余路面運行良好。本文相關(guān)設(shè)計參數(shù)選自第一標段土方路基段，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為5 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C單面層+25 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 3%水泥穩(wěn)定碎石底基層(底基層在巖石路基段取消)。根據(jù)JTG D50—2017公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范(以下簡稱《規(guī)范》)中關(guān)于路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計的要求，本文基于雷波S307復(fù)建公路工程實例，在基層厚度和強度足夠的情況下，路面作用荷載相同，層間接觸條件均按連續(xù)考慮，按照彈性層狀理論對瀝青路面單面層與雙面層結(jié)構(gòu)進行了如下力學分析和探討。

1 擬定路面結(jié)構(gòu)模型

本文擬定的兩種路面結(jié)構(gòu)方案均采用半剛性基層，具有足夠的強度和厚度，瀝青面層下設(shè)置下封層，基層上設(shè)置透層?；鶎颖砻鎳姙⑼笇佑蜐B入基層的深度宜不小于5 mm，再設(shè)置稀漿封層防水，提高了基層的整體性和穩(wěn)定性，同時保證了面層與基層緊密結(jié)合，兩種路面結(jié)構(gòu)層層間接觸條件均按連續(xù)考慮。

1)方案A(設(shè)計方案)：5 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C單面層+1 cm ES-3貫入式稀漿封層+25 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 3%水泥穩(wěn)定碎石底基層。

2)方案B(比較方案)：3 cm熱拌瀝青混凝土AC-10C表面層+4 cm熱拌瀝青混凝土AC-16C下面層+1 cm ES-3貫入式稀漿封層+25 cm 5%水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm 3%水泥穩(wěn)定碎石底基層。

下封層設(shè)置的目的是為了保護基層不被施工車輛破壞，利于半剛性材料養(yǎng)生，同時也為了防止雨水下滲到基層以下結(jié)構(gòu)層內(nèi)，以及加強層間結(jié)合而設(shè)置的結(jié)構(gòu)層。由于下封層厚度較薄，方案A，B在進行結(jié)構(gòu)層力學分析時均不考慮。

2 確定路面設(shè)計參數(shù)

2.1 交通量分析

根據(jù)《溪洛渡水電站S307瀘鹽路南田至坪頭段復(fù)建公路工程可行性研究報告》提出的預(yù)測交通量如表1所示。

表1 年日平均交通量預(yù)測表

根據(jù)表1計算可知，前5年平均增長率為5.3%，后3年平均增長率為4.5%，交通量年預(yù)測平均增長率γ取5%。根據(jù)《規(guī)范》要求，雷波S307瀝青混凝土路面的設(shè)計年限為8年，設(shè)計年限內(nèi)一個車道上的累計標準軸載(100 kN)作用次數(shù)為Ne=597.857 3萬次，屬中型交通量。

2.2 路面材料設(shè)計參數(shù)確定

根據(jù)《規(guī)范》要求，結(jié)合《金沙江溪洛渡水電站S307線瀘鹽路南田至坪頭段復(fù)建公路施工圖設(shè)計》(審定本)，選取本路段路面材料設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 雷波S307復(fù)建公路路面材料設(shè)計參數(shù)

2.3 土基回彈模量選定

由全國公路自然區(qū)規(guī)劃圖，路線所經(jīng)地區(qū)屬公路自然區(qū)劃為Ⅴ4區(qū)，即川滇黔高原干濕交替區(qū)，填土高度一般大于2.0 m，路基填料一般為砂性土及碎石土。本線路基一般處于中濕～干燥狀態(tài)，根據(jù)《規(guī)范》要求，設(shè)計采用土基回彈模量E0=34 MPa～45 MPa，本文計算取E0=40 MPa。

2.4 路表面設(shè)計彎沉Ld計算

方案A與方案B的基層均為半剛性基層，根據(jù)《規(guī)范》要求，公路等級系數(shù)取1.2，面層類型系數(shù)取1.0，路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)取1.0，兩方案路表面設(shè)計彎沉相同。路表面設(shè)計彎沉Ld=600Ne-0.2AcASAb=31.8(0.01 mm)。

2.5 各層材料容許層底拉應(yīng)力計算

各層材料容許層底拉應(yīng)力計算見表3。

σR=σSP/KS。

其中，σR為路面結(jié)構(gòu)層材料的容許拉應(yīng)力，MPa；σSP為結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強度，MPa，規(guī)范采用15 ℃極限劈裂強度；KS為抗拉強度結(jié)構(gòu)系數(shù)。

表3 各層材料容許層底拉應(yīng)力計算

3 路面結(jié)構(gòu)層施工厚度分析

方案A和方案B瀝青混凝土面層均滿足《規(guī)范》中 “瀝青混合料的壓實最小厚度與適宜厚度”規(guī)定。根據(jù)《規(guī)范》中規(guī)定：水泥穩(wěn)定類基層壓實最小厚度為150 mm，適宜厚度為180 mm～200 mm。

以上分析表明：本文擬定的單面層和雙面層厚度均滿足規(guī)范要求，路面底基層厚度適宜，基層厚度偏大，進一步表明，方案A符合沙慶林院士提出的“強基薄面”建設(shè)理論，通過認真處治路基病害，合理選擇基層結(jié)構(gòu)，適當增加基層厚度，切實做好基層封水，提高基層的整體強度和穩(wěn)定性，同時采用技術(shù)措施保障面層與基層緊密結(jié)合，能減少瀝青面層厚度，提高投資效益[1,2]。

4 瀝青路面路表彎沉比較

研究表明：瀝青路面路表彎沉值與面層和基層厚度、路基模量及層間結(jié)合程度有顯著關(guān)系[3]。本文采用路面結(jié)構(gòu)設(shè)計程序HPDS計算出各方案的結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值如表4，表5所示。

表4 方案A各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值

表5 方案B各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值

由表4,表5中各結(jié)構(gòu)層頂面彎沉值計算結(jié)果可知：

1)方案A路表計算彎沉為27.4(0.01 mm)，方案B路表計算彎沉為25.9(0.01 mm)，均小于路表設(shè)計彎沉值31.8(0.01 mm)，滿足規(guī)范要求。

2)相比方案A而言，方案B路表計算彎沉值更小，路面結(jié)構(gòu)層抵抗垂直變形的能力更強，能夠更好的承受車輛荷載重復(fù)作用。

5 比較路面結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力

采用路面結(jié)構(gòu)設(shè)計程序HPDS計算出各方案的結(jié)構(gòu)層層底最大拉應(yīng)力如表6，表7(未考慮綜合影響系數(shù))所示。

表6 方案A結(jié)構(gòu)層層底最大拉應(yīng)力σm

表7 方案B結(jié)構(gòu)層層底最大拉應(yīng)力σm

由表6,表7中計算結(jié)果可知：

1)方案A和方案B各層層底最大拉應(yīng)力σm小于相應(yīng)各層層底容許拉應(yīng)力σR，滿足規(guī)范要求。

2)與方案A相比，方案B表面層層底最大拉應(yīng)力減小，下面層層底最大拉應(yīng)力值增大，表明：增加瀝青層厚度，瀝青表面層彎拉應(yīng)變減小，能夠更好的減少車輛荷載作用下產(chǎn)生的彎拉開裂，提高路面疲勞壽命可靠度[4]。

6 路面結(jié)構(gòu)層抗剪切強度比較

研究表明：當路面結(jié)構(gòu)中層間接觸條件為完全連續(xù)狀態(tài)條件下，瀝青路面結(jié)構(gòu)不易遭受剪切破壞[5]。對于單面層與雙面層抗剪強度的比較，本文采用雙圓均布垂直荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系理論進行多層體系厚度路表彎沉等效換算，查彈性三層體系表面最大剪應(yīng)力諾模圖計算如圖1，圖2，表8所示。

表8 路表最大剪應(yīng)力計算

方案參數(shù)等效厚度H/cm車輛緩慢制動時路表最大剪應(yīng)力τm0.2/MPa車輛緊急制動時路表最大剪應(yīng)力τm0.5/MPaA43.20.1590.549B58.40.1580.548

以上計算結(jié)果表明：方案A路表最大剪應(yīng)力大于方案B路表最大剪應(yīng)力，進一步表明：在高溫穩(wěn)定性方面，方案A優(yōu)于方案B，在相同的車輪垂直荷載與水平荷載共同作用下，方案A對壅包、推移、波浪剪裂等破壞的抵抗能力更好一些。

7 結(jié)論

根據(jù)分析結(jié)果可知，在相同的車輪垂直荷載與水平荷載共同作用下，最大剪應(yīng)力隨面層或鋪裝層厚度、模量的增加而相應(yīng)地變小，隨著半剛性基層厚度與模量的增加而變大[6,7]。方案A對壅包、推移、波浪剪裂等破壞的抵抗能力更好一些，另外，方案A更經(jīng)濟、更節(jié)能環(huán)保。方案B路面結(jié)構(gòu)層抵抗垂直變形的能力更強，能夠更好的承受車輛荷載重復(fù)作用，隨著瀝青層厚度增加，瀝青表面層彎拉應(yīng)變減小，方案B能夠更好的減少車輛荷載作用下產(chǎn)生的彎拉開裂。

實踐表明：雷波S307三級公路項目按照“強基薄面”建設(shè)理論，采用5 cm厚AC-16C瀝青混凝土面層+25 cm厚水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm厚水泥穩(wěn)定碎石底基層(底基層在巖石路基段取消)的路面結(jié)構(gòu)組合經(jīng)濟合理，在抵抗車輛垂直荷載重復(fù)作用及抗拉裂能力等方面較差，但在水平抗剪能力方面更好，符合本項目為庫區(qū)復(fù)建公路主要通行地方中小型車輛的功能定位，在今后中、小交通量公路項目中的應(yīng)用值得借鑒。