城市道路柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)分析

趙昌勝

（商洛市交通設(shè)計(jì)院，陜西商洛726000）

0 引言

考慮到我國(guó)當(dāng)前路面結(jié)構(gòu)中無(wú)機(jī)結(jié)合材料分布廣泛、優(yōu)質(zhì)瀝青缺乏的實(shí)際，大多數(shù)高等級(jí)公路均采用半剛性基層瀝青路面。但是隨著使用年限的延長(zhǎng)，高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面先后出現(xiàn)各類病害，并逐漸進(jìn)入大修期，無(wú)法保證路用功能的順利發(fā)揮。半剛性基層瀝青路面很難避免因半剛性材料收縮開裂而引發(fā)的路面反射裂縫，結(jié)構(gòu)透水性差而造成表面嚴(yán)重積水，基層和瀝青面層結(jié)合薄弱[1]。此外，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式單一，難以適應(yīng)各地不同的施工技術(shù)水平、原材料質(zhì)量及交通量差異。近年來(lái)，柔性基層瀝青路面在我國(guó)高等級(jí)公路中開始應(yīng)用，并表現(xiàn)出較好的路用性能，也為我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面早期病害問(wèn)題提供了解決思路。由于出現(xiàn)時(shí)間較短，我國(guó)當(dāng)前有關(guān)柔性路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)缺乏，工程實(shí)踐中也主要參照國(guó)外已有規(guī)范和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。本文主要通過(guò)正交分析，對(duì)城市道路柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度、級(jí)配碎石、土基模量等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)此類參數(shù)對(duì)柔性路面結(jié)構(gòu)性能的影響進(jìn)行分析，為我國(guó)城市道路柔性基層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

1 工程概況

某城市道路位于我國(guó)南方地區(qū)，高溫多雨，年降水量均值1250～1600mm，該道路段交通量巨大，如果采用常規(guī)的半剛性基層瀝青路面，則會(huì)在交通荷載及運(yùn)行環(huán)境等的綜合影響下，很容易出現(xiàn)裂縫、坑槽、沉陷等病害。結(jié)合國(guó)際上常見的柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)形式及國(guó)內(nèi)已經(jīng)鋪筑完成的柔性基層路面結(jié)構(gòu)，該城市道路試驗(yàn)段柔性基層瀝青面層采用厚度9cm 的中粒式或細(xì)粒式瀝青混凝土，基層為10～25cm 厚的ATB30 型瀝青穩(wěn)定碎石層，底基層為10～40cm 厚的級(jí)配碎石層。瀝青混凝土以及瀝青穩(wěn)定基層均采取平均模量控制，級(jí)配碎石層則應(yīng)加強(qiáng)彈性模量控制；考慮到土基模量受不同類型填料的影響，將土基模量范圍控制在30～120MPa。

2 柔性基層路面結(jié)構(gòu)性能

2.1 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的主要是確保路面使用性能。結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，瀝青路面結(jié)構(gòu)破壞形式主要有車轍、溫度開裂、疲勞開裂等，有些病害形式與結(jié)構(gòu)參數(shù)無(wú)關(guān)，只能通過(guò)材料性能設(shè)計(jì)進(jìn)行防治。本文針對(duì)具體工程路面結(jié)構(gòu)性能，選擇層底拉應(yīng)力、路表回彈彎沉兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

瀝青層在反復(fù)的行車荷載作用下，容易出現(xiàn)疲勞裂縫，在該城市道路工程路面結(jié)構(gòu)中，瀝青穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)力比面層層底拉應(yīng)力大；因?yàn)r青穩(wěn)定碎石的作用，中粒式瀝青混凝土疲勞裂縫會(huì)首先出現(xiàn)在瀝青穩(wěn)定基層底部，再由下至上擴(kuò)展，所以以瀝青穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)力為路面疲勞開裂的主要控制指標(biāo)。此外，路表回彈彎沉是路面受到行車荷載影響后豎向彈性位移量，是路面結(jié)構(gòu)整體剛度的表征。借鑒工程經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，路表回彈彎沉值與路面使用壽命存在直接關(guān)系，回彈彎沉值越大，路面結(jié)構(gòu)所成承受的荷載重復(fù)作用次數(shù)越小。

2.2 性能影響因素

影響城市道路瀝青路面路表回彈彎沉及瀝青層層底拉應(yīng)力的主要參數(shù)有瀝青穩(wěn)定基層厚度和模量、面層厚度、面層模量、級(jí)配碎石層厚、土基模量等。對(duì)于相同的溫度條件，以上參數(shù)中瀝青穩(wěn)定碎石、級(jí)配碎石及瀝青混凝土彈性模量均較為穩(wěn)定；而路面結(jié)構(gòu)層厚度、土基模量等參數(shù)會(huì)隨運(yùn)行條件的改變而發(fā)生較大變動(dòng)。本文的正交分析主要以這些變動(dòng)較大的因素為重點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)正交分析

3.1 正交表的選用

參考國(guó)外瀝青柔性基層路面結(jié)構(gòu)層參數(shù)設(shè)置，以瀝青穩(wěn)定基層厚度、級(jí)配碎石厚度及土基模量等三個(gè)因素為正交分析主要選用因素，各因素均設(shè)置4 個(gè)水平，選擇L16(45)正交表。結(jié)合工程實(shí)際，以瀝青層層底拉應(yīng)力及路表回彈彎沉為兩個(gè)考核指標(biāo)。在確定出正交試驗(yàn)方案的基礎(chǔ)上，通過(guò)BISAR 彈性層狀體系理論計(jì)算程序進(jìn)行該城市道路工程瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青層層底拉應(yīng)力及路表回彈彎沉值的計(jì)算，試驗(yàn)參數(shù)取值情況及計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)取值

3.2 結(jié)果分析

采用直觀分析法分析所得到的試驗(yàn)結(jié)果，并比較本文所提出的各影響因素對(duì)指標(biāo)的具體影響程度，根據(jù)分析結(jié)果，在影響路表回彈彎沉的因素中土基模量影響程度最大，瀝青穩(wěn)定基層厚度和級(jí)配碎石厚度的影響程度較為接近。通過(guò)分析原因發(fā)現(xiàn)，在行車荷載的作用下，80%及以上的豎向彈性位移均出現(xiàn)在土基結(jié)構(gòu)，故與半剛性基層瀝青路面所不同，柔性基層路面?zhèn)鬟f至路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力更大。這就對(duì)柔性基層路面路基填料選擇及壓實(shí)度控制提出了更高要求，尤其對(duì)于土基結(jié)構(gòu)較弱的情況，通過(guò)土基模量的提高能有效控制路表彎沉。但當(dāng)瀝青穩(wěn)定基層厚度和級(jí)配碎石厚度分別超出15cm 和20cm 后，通過(guò)增大土基模量控制路表彎沉的效果將大大弱化[2]。

在影響瀝青層底拉應(yīng)力的因素中，影響程度最大的是瀝青穩(wěn)定基層厚度，其次為級(jí)配碎石厚度，影響最小的是土基模量。可見，為減小瀝青層層底拉應(yīng)力、延長(zhǎng)瀝青路面使用壽命，仍應(yīng)通過(guò)增大瀝青層厚度的方式；但是當(dāng)瀝青穩(wěn)定層厚度超出15cm 后，通過(guò)增大其層厚以減小層底拉應(yīng)力的作用將大大減弱。具體如圖1所示。

圖1 瀝青層底拉應(yīng)力變化率

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文分析可知，與其他因素相比，土基模量對(duì)柔性基層路面路表回彈彎沉的影響更顯著，所以柔性基層瀝青路面對(duì)路基填料和壓實(shí)度要求更高。瀝青穩(wěn)定層厚度對(duì)瀝青層底拉應(yīng)力影響最大，所以應(yīng)主要通過(guò)增大瀝青層厚度以降低層底拉應(yīng)力，延長(zhǎng)柔性路面使用壽命。但是以上措施均只適用于瀝青穩(wěn)定基層厚度及瀝青層總厚度分別在15cm 和25cm 以內(nèi)的情況，所以從技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，該城市道路柔性路面瀝青穩(wěn)定基層厚度應(yīng)控制在15cm左右。