結(jié)構(gòu)層厚度和模量對(duì)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響

李小勇，韋金城，徐希忠，胡 超

(1.山東建筑大學(xué)，山東 濟(jì)南 250000；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250000；3.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000)

0 前 言

我國(guó)高等級(jí)公路多采用半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式，這種路面結(jié)構(gòu)具有較高的剛度與承載力，半剛性基層的板體性和擴(kuò)散應(yīng)力能力強(qiáng)且水穩(wěn)定性好。但是半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴(yán)重，唧泥和層間結(jié)合的問(wèn)題一直得不到有效解決，成為目前半剛性基層瀝青路面最常見(jiàn)的問(wèn)題。

相比半剛性基層瀝青路面，全厚式瀝青路面由于柔性基層的加入，可以很好地避免上述問(wèn)題。全厚式瀝青路面是一種直接在路基上鋪筑瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)，其最大特點(diǎn)是能夠確保各類路面損壞控制在表面層頂部較薄的范圍內(nèi)，如自上而下的溫度疲勞開(kāi)裂、車轍、表面磨耗、瀝青老化等，且有效防止出現(xiàn)聯(lián)結(jié)層以下的結(jié)構(gòu)性損壞。而表面層的損壞僅需通過(guò)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)即可得以處治，一旦道路表面損壞達(dá)到臨界水平，其最為經(jīng)濟(jì)的處理方法是對(duì)損壞的表面層進(jìn)行銑刨、罩面或者加鋪。全厚式瀝青路面不僅有效的避免了路面結(jié)構(gòu)性破壞，而且路面厚度較薄，可以節(jié)約大量砂石料等資源。國(guó)外大量實(shí)踐證明，全厚式瀝青路面雖然初期投資較高，但使用壽命更長(zhǎng)，在五十年內(nèi)無(wú)需進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)性大修，在全壽命周期內(nèi)具有顯著的經(jīng)濟(jì)性和結(jié)構(gòu)性優(yōu)勢(shì)。

瀝青混合料的模量和結(jié)構(gòu)層的厚度是進(jìn)行全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要參數(shù)。不同類型的瀝青混合料模量相差較大，在法國(guó)，低標(biāo)號(hào)高模量的瀝青混合料廣泛應(yīng)用于柔性基層，其模量遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料。路面結(jié)構(gòu)層的厚度也是設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)彈性層狀體系理論和“應(yīng)變下限”理論，面層越厚，結(jié)構(gòu)層的層底拉應(yīng)變?cè)叫?，但過(guò)大的厚度不僅會(huì)造成材料的浪費(fèi)，也會(huì)造成施工的困難。因此，研究模量和厚度對(duì)全厚式瀝青路面力學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響，對(duì)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料優(yōu)選具有重要的意義。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了更好地研究結(jié)構(gòu)層模量和厚度變化對(duì)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響規(guī)律，先對(duì)全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)層不同厚度處彎拉應(yīng)變的變化進(jìn)行研究分析。再按法國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)，選擇模量和厚度兩個(gè)結(jié)構(gòu)層參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。選擇模量參數(shù)作變量設(shè)計(jì)時(shí)，先確定路面各結(jié)構(gòu)層厚度，再利用軟件計(jì)算各結(jié)構(gòu)層不同模量下的瀝青混合料層底彎拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變，選擇厚度作為變量設(shè)計(jì)時(shí)，同樣先確定各結(jié)構(gòu)層模量再進(jìn)行計(jì)算。

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及指標(biāo)

法國(guó)路面設(shè)計(jì)理論采用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀理論體系，與我國(guó)路面設(shè)計(jì)不同之處在于參數(shù)的選擇上，法國(guó)以單軸雙輪130 KN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎接地壓強(qiáng)為0.662 MPa，當(dāng)量圓半徑為0.125 m，材料參數(shù)以15 ℃、10 Hz動(dòng)態(tài)復(fù)合模量為瀝青混合料的材料參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

法標(biāo)全厚式瀝青路面設(shè)計(jì)以瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變?chǔ)舤和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變?chǔ)舲為控制指標(biāo)，瀝青混合料的層底彎拉應(yīng)變可以反映材料的疲勞和應(yīng)力應(yīng)變情況，路面承臺(tái)的層頂壓應(yīng)變可以更好的反映路面的總變形量。

1.2 應(yīng)變分析方案

本文采用法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，利用法國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)軟件ALIZE進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析全厚式瀝青混凝土路面不同厚度處的應(yīng)變變化規(guī)律。部分設(shè)計(jì)參數(shù)取自于沾臨高速，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)表

根據(jù)結(jié)構(gòu)路網(wǎng)VRS道路(高速公路)卡片中全厚式瀝青路面的常用材料，磨耗層選擇BBME2瀝青混合料、聯(lián)結(jié)層選擇BBSG3瀝青混合料、基層選擇GB4瀝青混合料、底基層選擇GB3瀝青混合料，材料性能見(jiàn)表2。

表2 材料性能表

1.3 正交試驗(yàn)方案

(1)模量的影響

根據(jù)法國(guó)規(guī)范中的各結(jié)構(gòu)層材料的選擇及各材料的性能參數(shù)，列出各層材料模量參數(shù)表，如表3所示。

表3 模量參數(shù)表

采用正交試驗(yàn)法，各結(jié)構(gòu)層選取其中4組數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，按照3因素4水平的正交試驗(yàn)安排試驗(yàn)表。選取模量時(shí)，為了更直接有效的反映其中關(guān)系，本文選取面層和基層模量時(shí)以整數(shù)單位選取，正交試驗(yàn)表見(jiàn)表4。參考結(jié)構(gòu)性路網(wǎng)所提供的結(jié)構(gòu)，厚度選取磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層12 cm+底基層12 cm。

表4 3因素4水平模量變化正交試驗(yàn)表L16(43)

(2)厚度的影響

法標(biāo)中，各結(jié)構(gòu)層和材料都有一個(gè)厚度范圍，如表5所示。

進(jìn)行正交設(shè)計(jì)時(shí)，將磨耗層、聯(lián)結(jié)層和基層一起組成3因素4水平正交試驗(yàn)表，見(jiàn)表6。參考各結(jié)構(gòu)層材料規(guī)范，選取各結(jié)構(gòu)層模量，磨耗層7 000 MPa+聯(lián)結(jié)層9 000 MPa+基層、底基層11 000 MPa+路面承臺(tái)120 MPa。

表5 材料厚度規(guī)范表

表6 3因素4水平厚度變化正交試驗(yàn)表L16(43)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)變結(jié)果與分析

利用ALIZE軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出瀝青層底拉應(yīng)變?chǔ)舲adm為240.2 με，承臺(tái)層頂壓應(yīng)變?chǔ)舤adm為52.8 με，并確定路面厚度為磨耗層4 cm+聯(lián)結(jié)層6 cm+基層16 cm+底基層16 cm。不同厚度處彎拉應(yīng)變?nèi)鐖D1所示。

圖1 彎拉應(yīng)變沿深度變化圖

從圖1可以看出，初始時(shí)應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，到9 cm深度處開(kāi)始轉(zhuǎn)為壓應(yīng)變，面層和基層的應(yīng)變沿深度變化的變化率近乎相似。在荷載作用下，面層主要為拉應(yīng)變，基層主要為壓應(yīng)變，拉應(yīng)變最大值出現(xiàn)在磨耗層層底位置，壓應(yīng)變最大值出現(xiàn)在路面承臺(tái)頂部。瀝青層的拉應(yīng)變值較小，路面承臺(tái)壓應(yīng)變值較大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮路面承臺(tái)的壓應(yīng)變。

2.2 模量的影響結(jié)果與分析

按照表3的正交試驗(yàn)表，利用ALIZE軟件計(jì)算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表7所示。

表7 拉、壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果采用極差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，求出各個(gè)因素水平下的指標(biāo)之和，計(jì)算平均值然后求極差，極差值越大，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大。分析結(jié)果如表8、表9所示。

表8 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表9 承臺(tái)層頂壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

由表8結(jié)果可以看出，路面承臺(tái)模量的極差值是面層的10倍，是基層的3倍，表明路面承臺(tái)模量是瀝青層層底拉應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量的影響最小。由表9結(jié)果可以看出，路面承臺(tái)模量的極差值是面層的11倍，是基層的5倍，表明路面承臺(tái)模量同樣也是路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變的重要影響因素，其次是基層模量，面層模量對(duì)承臺(tái)層頂壓應(yīng)變的影響最小。模量對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

2.3 厚度的影響結(jié)果與分析

將表5的數(shù)據(jù)輸入軟件，計(jì)算瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變，得出結(jié)果如表10所示。

表10 拉、壓應(yīng)變計(jì)算結(jié)果

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表11、表12所示。

表11 瀝青層層底拉應(yīng)變極差分析結(jié)果

表12 承臺(tái)頂面壓應(yīng)變極差分析結(jié)果

表11和表12結(jié)果顯示，基層厚度的極差值是磨耗層和聯(lián)結(jié)層的1.9倍，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度的極差值幾乎相等，表明基層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響顯著，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響結(jié)果相同。厚度對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。

3 結(jié) 論

(1)全厚式瀝青路面面層和基層應(yīng)變沿深度變化的變化率相近，拉應(yīng)變出現(xiàn)在面層，壓應(yīng)變出現(xiàn)在基層。拉應(yīng)變較小，壓應(yīng)變較大，最大應(yīng)變出現(xiàn)在路面承臺(tái)頂部。

(2)路面承臺(tái)模量是設(shè)計(jì)指標(biāo)的重要影響因素，遠(yuǎn)大于基層模量和面層模量對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響。

(3)基層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響顯著，其次是磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度，磨耗層厚度和聯(lián)結(jié)層厚度對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響結(jié)果相同。

(4)模量和厚度對(duì)瀝青層層底拉應(yīng)變和路面承臺(tái)層頂壓應(yīng)變影響規(guī)律呈現(xiàn)相似性。