行車荷載下不同瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試分析

黃晚清，曹明明，游 宏

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041)

0 引言

半剛性基層瀝青路面在我國應(yīng)用極為廣泛，眾多學者和技術(shù)人員也進行了大量研究和工程實踐，但半剛性基層瀝青路面裂縫難以有效解決，裂縫本身對路面性能影響不大，但在多雨地區(qū)，雨水一旦滲入，在行車荷載反復作用下極易出現(xiàn)唧漿等病害，特別是當裂縫貫穿整個路面結(jié)構(gòu)層導致路基頂部產(chǎn)生唧漿病害的維修極為棘手。20世紀80年代末，國外開始采用在半剛性基層與瀝青層之間設(shè)置級配碎石過渡層的倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)[1]，該結(jié)構(gòu)充分利用了級配碎石過渡層良好的抗反射裂縫和排水性能。我國早期在一些高速公路進行了倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)試驗研究[2]。2000年以后安徽、福建省已經(jīng)提出了各自的倒裝式瀝青路面典型結(jié)構(gòu)。

瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)對路面設(shè)計和性能評估具有重要的指導作用，文獻[3-4]介紹了我國RIOHTRACK環(huán)道路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計、試驗概況和初步成果；文獻[5]對半剛性基層瀝青路面現(xiàn)場測試表明，瀝青層層底應(yīng)變峰值隨車速增加逐漸減?。晃墨I[6]對半剛性瀝青路面基層頂面豎向應(yīng)力和瀝青層底拉應(yīng)變的仿真分析和試驗測試表明，二者隨車速提高不斷減小。文獻[7]研究柔性路面結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，車速增大，內(nèi)部應(yīng)力增加，但增幅與AASHTO的相差較大；而柔性路面的現(xiàn)場測試則表明[8]，車速增大，瀝青層層底應(yīng)變大幅減??；文獻[9]現(xiàn)場實測了車速對柔性路面瀝青層層底應(yīng)變、基層和路基頂面豎向應(yīng)力的影響，結(jié)果表明瀝青層層底應(yīng)變受其影響顯著，而對基層和路基頂?shù)呢Q向應(yīng)力幾乎無影響；美國環(huán)道試驗表明，溫度也會影響行車速度與路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的關(guān)系[10]。

上述研究結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)瀝青路面在行車荷載作用下動力響應(yīng)表現(xiàn)不一，文獻[11]的數(shù)值計算結(jié)果表明，路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)隨軸重增加而增加, 隨車速增加而減小, 但軸重和車速對不同動力響應(yīng)參數(shù)的影響不同；文獻[12]的有限元計算結(jié)果表明，倒裝式瀝青路面面層層底拉應(yīng)力隨軸載增加近似呈線性遞增，且面層層底拉應(yīng)力明顯小于傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面面層層底拉應(yīng)力。國內(nèi)對倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)研究很少，現(xiàn)場動力響應(yīng)測試更是鮮有報道。依托四川遂寧至廣安高速公路試驗段，以瀝青層層底應(yīng)變、級配碎石過渡層和路基頂部豎向壓應(yīng)力為主要指標，現(xiàn)場測試分析不同基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在不同行車速度下的動力響應(yīng)。

1 試驗段路面結(jié)構(gòu)形式及測試方案

1.1 試驗段路面結(jié)構(gòu)形式

3種試驗段路面結(jié)構(gòu)如表1所示，結(jié)構(gòu)總厚度均為89 cm。

表1 試驗段路面結(jié)構(gòu)(單位：cm)Tab.1 Pavement structure of test section(unit：cm)

1.2 測試元件布置

選用的測試元件類型、測試指標和埋設(shè)層位如表2所示，其平面布置，如圖1所示(以結(jié)構(gòu)S2為例)；其中結(jié)構(gòu)S2和結(jié)構(gòu)S3傳感器布設(shè)位置一致，結(jié)構(gòu)S1無級配碎石過渡層，則該結(jié)構(gòu)內(nèi)未布置垂直大變形應(yīng)變計和土壓力計。

表2 測試元件類型、指標和埋設(shè)層位Tab.2 Types, indicators and embedding positions of sensing elements

圖1 結(jié)構(gòu)S2測試元件布設(shè)圖(單位：cm)Fig.1 Layout of sensing elements in structure S2 (unit: cm)

1.3 測試方案

本次測試采用單后軸貨車(圖2)，前軸胎壓0.7 MPa，后軸胎壓1.1 MPa。測試采用最大行車速度為40 km/h，部分工況下最大行駛速度為60 km/h，采樣頻率為1 kHz。

圖2 單后軸貨車示意圖(單位：cm)Fig.2 Schematic diagram of single rear axle truck (unit: cm)

2 路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試分析

2.1 瀝青層層底動應(yīng)變響應(yīng)分析

瀝青層層底應(yīng)變是評價瀝青路面結(jié)構(gòu)性能的最主要指標之一，現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范[13]以瀝青層層底拉應(yīng)變?yōu)槁访娼Y(jié)構(gòu)疲勞驗算指標。圖3～圖4為S1,S2 和S3瀝青層層底縱向應(yīng)變(行車方向)實測曲線?？煽闯?，行車速度對瀝青層層底縱向應(yīng)變影響顯著：速度增大，3種結(jié)構(gòu)瀝青層層底縱向拉、壓應(yīng)變值均減小。不同結(jié)構(gòu)的荷載動力響應(yīng)變化趨勢相同，但拉應(yīng)變與壓應(yīng)變隨速度的變化梯度不同，3種結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)變變化梯度均較壓應(yīng)變大，該結(jié)果與文獻[14]基于柔性瀝青路面類似的現(xiàn)場測試結(jié)果相吻合。

圖3 瀝青層層底縱向應(yīng)變與車速關(guān)系Fig.3 Relation between longitudinal strain at bottom of asphalt layer and speed

圖4 瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值與車速關(guān)系Fig.4 Relation between longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer and speed

從應(yīng)變循環(huán)幅值(拉、壓應(yīng)變峰值之差)指標看，3種結(jié)構(gòu)瀝青層層底應(yīng)變循環(huán)幅值均隨行車速度增大而減小，但不同結(jié)構(gòu)的應(yīng)變循環(huán)幅值變化梯度不同。當車速由5 km/h提高到40 km/h時，倒裝結(jié)構(gòu)S2、S3的瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值降低48%～57%和27%～53%，而半剛性基層結(jié)構(gòu)S1卻降低70%～90%，遠大于倒裝結(jié)構(gòu)，表明就瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值指標而言，半剛性基層結(jié)構(gòu)對車速的敏感性大于倒裝式結(jié)構(gòu)。進一步比較同屬倒裝結(jié)構(gòu)S2和S3，瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值對行車速度的敏感性總體大于S3，這主要因S2結(jié)構(gòu)瀝青層較薄。

圖5 瀝青層層底橫向應(yīng)變與車速關(guān)系Fig.5 Relation between transverse strain at bottom of asphalt layer and speed

如圖5所示，3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底橫向應(yīng)變與車速均呈現(xiàn)相同變化趨勢，即車速增加，應(yīng)變峰值減小。該變化規(guī)律與縱向應(yīng)變類似，且橫向應(yīng)變受車速影響的敏感程度與路面結(jié)構(gòu)有關(guān)。但與縱向應(yīng)變不同的是，行車荷載下的橫向壓應(yīng)變值很小，表明對橫向(垂直行車方向)而言，瀝青層層底拉應(yīng)變(非拉、壓循環(huán))是導致瀝青層開裂的主要原因。

2.2 路基頂面動力響應(yīng)分析

由圖6所示的路基頂面豎向壓應(yīng)力與車速的關(guān)系曲線可知，在測試荷載作用下，路基頂面土壓力總體均較小，表明試驗段3種路面結(jié)構(gòu)均具有較強的結(jié)構(gòu)承載能力。相同軸重和速度下，結(jié)構(gòu)S1路基頂面的壓應(yīng)力遠小于S2和S3，表明結(jié)構(gòu)S1對荷載的擴散能力大于S2和S3。究其原因，盡管3種路面結(jié)構(gòu)總厚度相同，但結(jié)構(gòu)S1的水泥穩(wěn)定碎石層相對較厚，由于水泥穩(wěn)定碎石層的擴散角相對較大，結(jié)構(gòu)S1在路基頂面的荷載擴散范圍相對較大(見表3)，從而使得其下路基頂面壓應(yīng)力相對較小。其中，水泥穩(wěn)定碎石、級配碎石和瀝青混凝土擴散角分別選用45°,35°和26.5°[15-17]。取值主要考慮水泥穩(wěn)定碎石成型后為板體結(jié)構(gòu)，荷載擴散能力較強；級配碎石顆粒間無黏結(jié)材料，具有消散應(yīng)力的作用；瀝青混合料具有明顯的黏滯阻尼特性，尤其在高溫條件下，荷載擴散能力較前二者差。

動土壓力的測試結(jié)果表明設(shè)置級配碎石過渡層的路面結(jié)構(gòu)需要更高的路基強度，這正是倒裝結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的根本原因之一，即為補償路基強度不足，避免在重交通荷載作用下路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，需在級配碎石過渡層下設(shè)置水泥穩(wěn)定碎石層。但另一方面，在路面結(jié)構(gòu)實際服役過程中，由于半剛性基層瀝青路面不可避免出現(xiàn)裂縫，路面一旦開裂特別是裂縫貫穿整個路面結(jié)構(gòu)層，在南方多雨地區(qū)大量雨水將會滲入滯留在路基頂面、軟化路基，在行車荷載引起動水壓力的反復作用下，細粒土被擠出，進一步惡化路基支撐條件，大大降低路面結(jié)構(gòu)的承載能力；而倒裝式路面結(jié)構(gòu)S2和S3，由于級配碎石過渡層的排水和抗反射裂縫作用，會有效避免這一現(xiàn)象，從而保證了路面結(jié)構(gòu)服役過程中的承載穩(wěn)定性。

圖6 路基頂面豎向壓應(yīng)力與車速關(guān)系Fig.6 Relation between vertical compressive stresses at top of subgrade and speed

表3 3種瀝青路面結(jié)構(gòu)荷載擴散范圍Tab.3 Load disperse range of 3 asphalt pavement structures

3種路面結(jié)構(gòu)下路基頂面土壓力隨車速的變化似乎與軸重有關(guān)，即在較小軸重作用下，路基頂面土壓力隨車速變化不明顯或總體不變，重荷載作用下，路基頂面土壓力隨速度提高略有增大。通常將5 km/h 速度視作靜載，隨測試速度提高動載效應(yīng)增加，表現(xiàn)為土壓力增大；由于路面結(jié)構(gòu)厚度較大，荷載經(jīng)路面結(jié)構(gòu)層擴散，加之土壓力傳感器分辨率有限，當軸載較小時，難以捕捉到路基土壓力的細微變化，表現(xiàn)為總體不變。

2.3 過渡層動力響應(yīng)分析

以倒裝式結(jié)構(gòu)S3為例，研究過渡層底部豎向壓應(yīng)力和過渡層豎向位移隨車速的變化關(guān)系，見圖7和圖8?？芍^渡層豎向壓應(yīng)力和豎向位移均隨行車速度的提高而減小。由于級配碎石過渡層緊鄰瀝青層下，瀝青混合料的黏彈塑性及碎石散粒體材料復雜的非線性特征使過渡層豎向壓應(yīng)力和應(yīng)變出現(xiàn)這一變化規(guī)律。

圖7 結(jié)構(gòu)S3過渡層底部豎向壓應(yīng)力與車速關(guān)系Fig.7 Relation between vertical compressive stresses at bottom of transition layer of structure S3 and speed

圖8 結(jié)構(gòu)S3過渡層豎向位移與車速關(guān)系Fig.8 Relation between vertical displacement of transition layer of structure S3 and speed

2.4 軸重對動力響應(yīng)影響分析

各車速下不同軸重荷載作用的瀝青層層底縱向應(yīng)變幅值和路基頂土壓力如圖9和圖10所示。相同車速下，3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值和路基頂土壓力隨軸重增加而增大，且半剛性基層瀝青路面的增幅相對更大，表明半剛性基層瀝青路面對荷載更為敏感，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)對荷載的適應(yīng)性更強。

圖9 軸重對瀝青層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值的影響Fig.9 Influence of axial load on longitudinal strain cyclic amplitude at bottom of asphalt layer

圖10 軸重對路基土壓力的影響Fig.10 Influence of axial load on soil pressure of subgrade

3 車輛制動下的動態(tài)響應(yīng)分析

公路瀝青路面結(jié)構(gòu)驗算不考慮水平荷載，主要因車輛正常行駛時路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水平作用遠遠小于豎向作用。但在車輛頻繁制動、減速或起步、加速路段，路面易出現(xiàn)波浪、擁包和車轍等病害。采用單后軸貨車(后軸重11.48 t)荷載，在結(jié)構(gòu)S3路段以點剎方式減速進行現(xiàn)場測試。采用文獻[18]的簡化方式，不考慮制動過程中車速變化對動態(tài)響應(yīng)的影響，實測路面動力響應(yīng)見表4和表5。

表4 車輛制動對瀝青層層底應(yīng)變影響Tab.4 Influence of vehicle braking on strain at bottom of asphalt layer

表5 車輛制動對豎向力學指標響應(yīng)影響Tab.5 Influence of vehicle braking on response of vertical mechanical indicator

表4和表5結(jié)果表明，相對正常行駛，車輛制動會引起瀝青層層底縱(橫)向應(yīng)變峰值大幅增加，層底應(yīng)變循環(huán)幅值大幅增加，由此可推斷，頻繁制動剎車會加快瀝青層的疲勞破壞；考察殘余應(yīng)變指標發(fā)現(xiàn)，制動同時引起瀝青層底縱(橫)向殘余應(yīng)變發(fā)生劇變，表明制動剎車極大增加了路面車轍、推移和擁包等變形病害發(fā)生的幾率；與瀝青層不同的是，車輛制動對路基頂壓應(yīng)力、級配碎石過渡層豎向位移和底部豎向壓應(yīng)力的影響相對較小。

4 基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)疲勞壽命預估

鑒于目前沒有倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞模型，故借鑒文獻[15]的疲勞方程，以不同荷載工況下現(xiàn)場實測瀝青層層底拉應(yīng)變預估瀝青層疲勞壽命，并以此作為各路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。室內(nèi)試驗確定結(jié)構(gòu)S1，S2和S3下面層的瀝青飽和度分別為71.6%，70.5%和62.8%。動態(tài)模量(46 ℃)分別取1 447，1 212 MPa和992 MPa。溫度調(diào)整系數(shù)取1.46。該高速公路沿線季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)取1.0。不同工況下預估S1，S2和S3的疲勞壽命見表6?？煽闯觯S重減小和車速增加均有利于延長瀝青路面的疲勞壽命，半剛性基層瀝青路面疲勞壽命對軸重和行車速度的敏感性大于倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)。值得指出的是，該預估壽命沒有考慮路面結(jié)構(gòu)的差異，也沒有充分考慮半剛性基層瀝青路面開裂后雨水浸入加速結(jié)構(gòu)破壞的影響。

表6 瀝青層疲勞壽命預估Tab.6 Prediction of asphalt layer fatigue life

5 結(jié)論

(1)3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底應(yīng)變均隨行車速度增加而減小，但縱向拉應(yīng)變相對壓應(yīng)變下降更快；縱向循壞應(yīng)變幅值隨車速增加而減小的敏感程度受路面結(jié)構(gòu)特征影響顯著，傳統(tǒng)半剛性基層結(jié)構(gòu)S1較倒裝結(jié)構(gòu)S2和S3更敏感。

(2)路基頂面土壓力總體均較小，相同軸重和速度下結(jié)構(gòu)S1的路基頂面壓應(yīng)力遠小于S2和S3，表明3種路面結(jié)構(gòu)均具有較強的結(jié)構(gòu)承載能力，且結(jié)構(gòu)S1對荷載的擴散能力優(yōu)于S2和S3。路基頂面土壓力隨車速的變化似乎與軸重有關(guān)，即在較小軸重作用下，路基頂面土壓力隨車速變化不明顯或總體不變，重荷載作用下，路基頂面土壓力隨速度提高略有增大。

(3)受瀝青混合料黏彈塑性和級配碎石材料非線性影響，緊鄰瀝青層下的級配碎石過渡層的底部豎向壓應(yīng)力和過渡層豎向位移均隨行車速度的增加而減小。

(4)相同車速下，3種路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底縱向應(yīng)變循環(huán)幅值和路基頂土壓力均隨軸重增加而增大，且半剛性基層瀝青路面的增幅相對更大，表明半剛性基層瀝青路面對荷載更為敏感，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)對荷載的適應(yīng)性更強；在疲勞壽命方面，倒裝式瀝青路面結(jié)構(gòu)對荷載敏感性遠小于半剛性基層瀝青路面。

(5)制動剎車導致瀝青層層底殘余應(yīng)變急劇增大，驗證了頻繁制動剎車會引起路面車轍、推移和擁包等變形病害發(fā)生的現(xiàn)象；車輛制動還會導致瀝青層層底縱、橫向應(yīng)變大幅增加、應(yīng)變循環(huán)幅值大幅增加，表明頻繁制動剎車將加速路面瀝青層疲勞破壞。