基于正交試驗的瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)研究

蔡燕霞，金生斌，侯蕓，趙賓，臧芝樹

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究院，北京市 100088； 2.中路高科(北京)公路技術(shù)有限公司； 3.中國公路工程咨詢集團有限公司)

瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)是一種在瀝青層和半剛性基層之間加入柔性材料(如級配碎石)的結(jié)構(gòu)形式，可延緩或抑制down-top反射裂縫。同時使半剛性基層下臥更深，改善了路面受力特征，因此，該結(jié)構(gòu)在中國道路工程中已得到初步應(yīng)用，且受到了不少關(guān)注。

吳善周等采用Bisar3.0對倒裝結(jié)構(gòu)基于厚度設(shè)計的應(yīng)力特性進行了研究，提出了倒裝結(jié)構(gòu)在中國高速公路上的應(yīng)用條件；劉嬌蕾對級配碎石的非線性特征進行了研究，回歸得到了回彈模量模型，并對倒裝結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計；吳玉等分析比較了半剛性基層、倒裝式和組合式3種典型結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)倒裝式結(jié)構(gòu)對軸重敏感度最低，適當(dāng)增加瀝青碎石厚度可改善其受力狀況。以往對倒裝式結(jié)構(gòu)的研究主要集中于級配碎石材料特性上，結(jié)構(gòu)組合設(shè)計上考慮因素較少，尤其是針對各參數(shù)對國外瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)受力的影響方面，尚未進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

該文依托西非某國實體工程，采用法國路面設(shè)計軟件Alizé，通過設(shè)計正交試驗方案，研究各結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)對倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面力學(xué)行為影響的變化規(guī)律，推薦經(jīng)濟合理的倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面設(shè)計方案，以期為該路面結(jié)構(gòu)形式的推廣應(yīng)用提供參考。

1 項目概況

項目位于西非某國首都，道路全長約61 km，其路面結(jié)構(gòu)嚴格按照法規(guī)(文獻[5]、[6])進行設(shè)計，倒裝結(jié)構(gòu)路面方案為：5 cm瀝青混凝土(BBSG)+8 cm瀝青碎石(GB)+12 cm級配碎石(GNT)+30 cm水穩(wěn)砂土(GLC)，計算年限為20年，道路類型為VRNS，重型荷載總數(shù)(總質(zhì)量大于35 kN的車輛)為3.55×106，交通等級為TC5，根據(jù)彎沉試驗，換算土基回彈模量為175 MPa，相應(yīng)承載等級為PF3+。

2 試驗方案設(shè)計

考慮到影響瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)的因素眾多，如厚度、模量、泊松比、溫度、交通量、計算風(fēng)險等，因此需要選取主要的影響因素進行試驗研究，該文將各層位厚度和模量作為主要考慮對象，在該項目路面結(jié)構(gòu)厚度和模量的基礎(chǔ)上展開正交分析。

同時根據(jù)《Conception et Dimensionnement des Structures de Chaussée(1998 SETRA/LCPC)》規(guī)定，選取瀝青層底拉應(yīng)變、水硬性材料層底拉應(yīng)力和土基頂面豎向壓應(yīng)變作為評價指標(biāo)，同時結(jié)合中國JTG D50-2017《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》，將彎沉作為輔助評價指標(biāo)進行分析，借助正交試驗方法[四因素四水平L16(44)和五因素四水平L16(45)]，評價各因素對瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響程度。

正交試驗設(shè)計表及相關(guān)結(jié)果如表1、2所示。

表1 基于厚度參數(shù)的力學(xué)響應(yīng)正交試驗方案及試驗結(jié)果

表2 基于模量參數(shù)的力學(xué)響應(yīng)正交試驗方案及試驗結(jié)果

3 基于法規(guī)力學(xué)響應(yīng)的倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面計算結(jié)果分析

針對正交試驗結(jié)果，借助統(tǒng)計學(xué)手段(直觀+方差)，基于法規(guī)(法國規(guī)范)力學(xué)響應(yīng)，研究不同參數(shù)對倒裝類結(jié)構(gòu)受力的影響規(guī)律。對每一層位相同影響因素水平下的試驗結(jié)果分別求取平均值，通過改變不同層位以及不同因素的試驗水平，以此研究法規(guī)體系下各力學(xué)響應(yīng)隨不同層位不同因素水平的變化趨勢；同時，基于方差分析的顯著性檢驗，最終可得到倒裝類結(jié)構(gòu)各層位各影響因素的顯著性差異，為設(shè)計經(jīng)濟合理的倒裝類瀝青路面結(jié)構(gòu)提供理論及數(shù)據(jù)支持。

3.1 厚度參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響

圖1、2分別為不同瀝青層底拉應(yīng)變、拉應(yīng)力隨厚度的變化規(guī)律。

圖1 瀝青層底拉應(yīng)變隨厚度變化規(guī)律

圖2 瀝青層底拉應(yīng)力隨厚度變化規(guī)律

從圖1可以看出：瀝青層底拉應(yīng)變隨不同層位厚度的變化而呈現(xiàn)不同的顯著特性，具體為：GB>BBSG>GNT>GLC，其中瀝青層底拉應(yīng)變隨GB、BBSG和GLC厚度的增加而減小，隨GNT厚度增加而增大。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因主要是由瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)特點決定的，GNT“薄弱層”處于剛度均較大的兩個層位之間，GNT層模量較小使得支撐GB層的剛度較小，導(dǎo)致GB層變形較大，同時GNT層下面的GLC層模量較高又約束了GNT層的形變，若要減小瀝青層底拉應(yīng)變，防止出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象，宜增加GB層的厚度，通過增加GLC厚度不能抑制疲勞破壞的產(chǎn)生。

由圖2可知：隨著各結(jié)構(gòu)層厚度的增加，水硬性材料層底拉應(yīng)力逐漸減小，且GLC層厚度的影響最大，波動范圍為0.095～0.144 MPa，漲幅34%，這表明水硬性材料GLC層厚度增加，其下臥越深，應(yīng)力擴散作用越小，使得層底拉應(yīng)力減小。

為有效控制路基的過量變形和保證路基路面整體的強度，防止瀝青路面出現(xiàn)沉陷和車轍變形，需展開土基頂面壓應(yīng)變和彎沉特性研究(圖3、4)。

圖3 土基頂面壓應(yīng)變隨厚度變化規(guī)律

圖4 彎沉隨厚度變化規(guī)律

從圖3、4可知：隨著各層位材料厚度的增加，土基頂面壓應(yīng)變和彎沉均逐漸減小，且厚度對土基頂面壓應(yīng)變和彎沉的影響程度分別為：GLC>GB≈GNT>BBSG和GLC≈GB>BBSG>GNT。上述規(guī)律顯示，適當(dāng)增大GLC層的厚度，可有效降低土基頂面壓應(yīng)變和彎沉指標(biāo)，使其滿足法規(guī)要求，從而保證路基路面的整體強度；同時控制彎沉指標(biāo)的另一途徑為適當(dāng)增加GB層的厚度，亦可達到彎沉降低的目的。

另外，GNT層厚度的增加，雖使彎沉有一定程度的降低，但超過某一厚度后，彎沉基本保持不變，由此可見，若要控制彎沉指標(biāo)，增加GNT層厚度起到的作用是有限的。

3.2 模量參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力的影響

圖5、6分別為瀝青層底拉應(yīng)變、彎拉應(yīng)力隨各層模量的變化規(guī)律。

圖5 瀝青層底拉應(yīng)變隨模量變化規(guī)律

圖6 瀝青層底彎拉應(yīng)力隨模量變化規(guī)律

從圖5可知：隨著各層位模量的增加，瀝青層底拉應(yīng)變逐漸減小，其中GNT的影響最顯著，當(dāng)該層模量較小時層底拉應(yīng)變在各層位中最大，而模量較高時，瀝青層底拉應(yīng)變又降到最低；而瀝青層底拉應(yīng)變隨土基模量的變化微乎其微。造成該現(xiàn)象的原因類同于GNT厚度對瀝青層底拉應(yīng)變的影響，GNT層模量較小時是一“薄弱層”，會使得GB層失去支撐，導(dǎo)致變形過大，可當(dāng)模量較高時，會有效地降低瀝青層底拉應(yīng)變，由此可見，提高GNT的模量是控制瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)疲勞開裂的重要措施，對原材料特性、級配以及壓實度均應(yīng)采取嚴格的控制措施以保證GNT的高模量及高質(zhì)量。

由圖6可知：GLC模量和土基模量對層底彎拉應(yīng)力的影響最大，其余層位的模量對該指標(biāo)影響不大，基本保持為0.13 MPa，其主要原因就是模量突變造成的。GNT模量和土基的模量遠小于GLC模量，加之GNT層不承受拉應(yīng)力，增加了其下面GLC層的彎拉應(yīng)力，而土基模量變化敏感時會使GLC層失去底部支撐從而增加層底彎拉應(yīng)力。

圖7、8分別為土基頂面壓應(yīng)變、彎沉隨各層模量的變化規(guī)律。

從圖7可以看出：當(dāng)BBSG、GNT、GLC和土基模量增大時，土基頂面壓應(yīng)變降低，而GB模量增大時土基頂面壓應(yīng)變先減小后增大，臨界點為模量水平3(即3 980 MPa)，另外，土基頂面壓應(yīng)變隨不同層位模量的顯著性程度為：土基>GLC>GNT>BBSG>GB。結(jié)合圖6可知：通過增加土基模量、提高路基承載等級，可實現(xiàn)土基頂面壓應(yīng)變和層底彎拉應(yīng)力的降低，有效控制路基沉陷和反射裂縫等病害的產(chǎn)生。而對于土基頂面壓應(yīng)變隨GB模量的變化規(guī)律，其原因是模量較小時，隨模量的增加，GB層剛度增加，產(chǎn)生的變形減小，使得最終的頂面壓應(yīng)變減小，而當(dāng)模量增加到一定程度后，可能是因為GB層已接近板體，與其下面GNT層模量差別較大導(dǎo)致的。

圖7 土基頂面壓應(yīng)變隨模量變化規(guī)律

圖8 彎沉隨模量變化規(guī)律

由圖8可知：層位下臥越深對彎沉指標(biāo)的影響越大，顯著性程度為：土基>GLC≈GNT>GB≈BBSG，其中土基模量的影響最大，而面層BBSG和GB模量的影響最小。該規(guī)律顯示，為有效控制不同層位模量對彎沉指標(biāo)的影響，需重視土基影響區(qū)和GNT影響區(qū)(該影響區(qū)指土基和GNT模量變化時彎沉指標(biāo)變化較大)，提高土基和GNT模量，從而保證路基路面的整體強度。

3.3 試驗結(jié)果正交分析

通過方差分析對表1、2的正交試驗結(jié)果進行基于厚度和模量的力學(xué)響應(yīng)影響探討，尋找影響瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)的最敏感因素，其結(jié)果如表3、4所示。

表3 不同層位厚度對設(shè)計指標(biāo)的影響結(jié)果

注：*代表該層位厚度對設(shè)計指標(biāo)影響顯著；各厚度臨界值為9.28 mm。

表4 不同層位模量對設(shè)計指標(biāo)的方差分析

注：*代表該層位模量對設(shè)計指標(biāo)影響顯著；各厚度臨界值為3.29 mm。

由表3、4可知：影響倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面力學(xué)指標(biāo)變化的厚度因素顯然大于模量因素，因此，在進行倒裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計時可優(yōu)先考慮調(diào)整各層位厚度，通過不斷優(yōu)化厚度因素，從而達到既滿足法規(guī)設(shè)計要求又經(jīng)濟合理的目的。

同時在厚度調(diào)整有限的情況下，也可加強GNT和土基的材料組合設(shè)計，提高施工質(zhì)量，以有效抑制或延緩瀝青路面疲勞開裂和路基沉陷等病害的產(chǎn)生。除此以外，為防止水硬性材料出現(xiàn)反射裂縫，不可一味追求水硬性材料的高模量，以保證其強度符合法規(guī)要求即可。

4 倒裝類瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計建議

經(jīng)過上述對該國瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)的正交分析發(fā)現(xiàn)，在驗算倒裝結(jié)構(gòu)時，并不是一味追求高厚度、高模量，應(yīng)合理進行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)厚度和模量，從而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。在該項目路面結(jié)構(gòu)、材料、交通、環(huán)境等參數(shù)確定的情況下，通過法規(guī)路面結(jié)構(gòu)驗算獲得的各設(shè)計指標(biāo)容許值[其中εt,ad(GB3)=152×10-6、σt,ad(GLC)=0.261 MPa和土基頂面壓應(yīng)變εz,ad=421.7×10-6]進行該地區(qū)此類路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，以提出優(yōu)化設(shè)計建議值，其結(jié)果如表5所示。

表5 基于厚度和模量參數(shù)的倒裝類瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計建議

5 結(jié)論

(1) 在瀝青路面倒裝結(jié)構(gòu)中，GNT是“薄弱層”，應(yīng)嚴格控制原材料、級配設(shè)計及施工工藝等；通過增加GB層厚度，或提高GNT層模量的措施，一方面可有效抑制或延緩倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面疲勞裂縫的產(chǎn)生；另一方面可有效降低彎沉，增強路面結(jié)構(gòu)整體強度。

(2) 對于瀝青層底拉應(yīng)變而言，GB厚度和GNT模量對路面結(jié)構(gòu)受力影響顯著；而GLC模量是影響水硬性材料層底彎拉應(yīng)力的主要因素；另外，對土基頂面壓應(yīng)變和彎沉指標(biāo)影響顯著的因素為GLC厚度和土基模量。

(3) 為有效控制不同層位模量對彎沉的影響，需嚴格控制土基影響區(qū)和GNT影響區(qū)，提高土基和GNT模量，從而保證路基路面的整體強度。

(4) 在進行法規(guī)倒裝結(jié)構(gòu)瀝青路面優(yōu)化設(shè)計時，可優(yōu)先考慮調(diào)整各層位厚度，通過不斷優(yōu)化厚度，從而達到既滿足法規(guī)要求又經(jīng)濟合理的目的。