永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)在佛清從高速公路中的應(yīng)用

李興榮，常榮華

(1.佛山市佛清從高速公路有限公司，廣東佛山 528144；2.佛山市公路橋梁工程監(jiān)測站有限公司，廣東佛山 528041)

0 引言

針對半剛性基層瀝青路面易出現(xiàn)開裂等早期病害問題，科技人員在不斷摸索不同結(jié)構(gòu)型式瀝青路面的推廣和應(yīng)用，以期從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上有效緩解我國瀝青路面頻發(fā)的早期病害問題[1]。

在倒裝式組合基層的研究和應(yīng)用方面，福建省主要采用厚瀝青路面結(jié)構(gòu)層+級配碎石下基層+半剛性底基層的結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)用工程有2005年的邵武高速公路及2006年的機(jī)場高速公路，瀝青面層總厚度一般為26cm，部分重載交通高速公路采用28cm[2]。在全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)方面，山東省在路面結(jié)構(gòu)中采用大粒徑碎石增加整體結(jié)構(gòu)層的抗裂性能，抗裂層一般采用10～15cm[3]。在復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)[4]和碾壓混凝土路面結(jié)構(gòu)[5]方面，廣東省有較多工程應(yīng)用，其特點(diǎn)在于基層強(qiáng)度高、承載能力強(qiáng)。廣深高速公路作為我國較早應(yīng)用柔性路面結(jié)構(gòu)型式的工程案例，在大交通量的條件下，通過后期有效的養(yǎng)護(hù)措施，較好地緩解了瀝青路面的早期病害[6]。在組合式基層結(jié)構(gòu)方面，江西、湖南、廣西等省(自治區(qū))采用ATPB-25或者ATB-25替換半剛性上基層[7-9]，進(jìn)一步增加瀝青層厚度的同時(shí)，通過減小半剛性基層厚度來增加路面使用壽命，如江西省的武吉、景鷹高速公路，湖南省的常張、韶山高速公路等。在加強(qiáng)型半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)方面，王旭東通過提高半剛性基層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗裂性能的同時(shí)，下面層同時(shí)采用低標(biāo)號50#基質(zhì)瀝青，以增加路面的抗車轍性能[10]?？梢姡谔剿饔谰眯詾r青路面結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方面，取得了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但還未形成用以指導(dǎo)永久性瀝青路面的設(shè)計(jì)和鋪筑的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

本文依托佛清從高速公路全厚式瀝青路面試驗(yàn)路段，在永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用方面開展探索研究，旨在為我國永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

佛清從高速主線路面結(jié)構(gòu)見表1。鑒于南方濕熱地區(qū)特殊的氣候條件，在路基及路面結(jié)構(gòu)之間增設(shè)15cm級配碎石墊層，以改善路基濕度條件。

全厚式瀝青路面試驗(yàn)路段位于佛清從高速公路K7+400～+900，長度為500m，其路面結(jié)構(gòu)見表1。該試驗(yàn)路段為柔性路面結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)層功能劃分明確。路床頂面以下40cm內(nèi)采用水泥穩(wěn)定風(fēng)化砂(土)處理以提高土基的抗變形能力；瀝青最底層設(shè)置一層FAC-13作為抗疲勞層；在抗疲勞層上設(shè)置一層大粒徑碎石抗裂層LSPM-25；瀝青層總厚度為36cm。

表1 佛清從高速路公路面結(jié)構(gòu)型式

2 測試數(shù)據(jù)分析

永久性瀝青路面各層施工完后，逐層進(jìn)行厚度、壓實(shí)度、彎沉及回彈模量等指標(biāo)的檢測。厚度、壓實(shí)度等均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[11]及《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊 土建工程》(JTG F80/1-2017)[12]要求。

改善土基頂面回彈模量至少達(dá)到《廣東省公路路面典型結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)指南》[8]S3等級要求，承載板測得的靜壓回彈模量不小于90MPa，驗(yàn)收彎沉代表值不大于120(0.01mm)。參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51-2009)[12]，采用承載板法測定土基表面回彈模量，主要結(jié)構(gòu)層頂面回彈模量測試值見表2。

表2 主要結(jié)構(gòu)層頂面回彈模量測試結(jié)果

在各層加鋪完并養(yǎng)生后，采用FWD進(jìn)行彎沉測試，測試間距40m，測試之前在車道旁路緣石噴漆，做好標(biāo)記，保證逐層測試的點(diǎn)位為同一位置。各層頂面FWD彎沉測試結(jié)果見表3。

表3 各層頂面彎沉測試結(jié)果 (單位：0.01mm)

由表2和表3可見，改善土回彈模量及彎沉均滿足設(shè)計(jì)要求。隨著路面逐層鋪筑，各結(jié)構(gòu)層頂面回彈模量及彎沉值總體上逐層減小，表明結(jié)構(gòu)剛度越來越大。由于FAC-13為抗疲勞層，瀝青用量較大，集料最大公稱粒徑小剛度低，在其上加鋪瀝青層會造成回彈模量及彎沉的變大，這與抗疲勞層的材料組成特性有關(guān)。

3 力學(xué)分析及疲勞壽命預(yù)估

3.1 模型校準(zhǔn)及材料參數(shù)確定

3.1.1 建立模型

采用三維有限元軟件ABAQUS2017進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算。假設(shè)層間完全連續(xù)，網(wǎng)格采用C3D8R單元，行車方向和橫斷面方向設(shè)置為6m，土基深度設(shè)置為6m，路面結(jié)構(gòu)層厚度按照試驗(yàn)段實(shí)際路面結(jié)構(gòu)層厚度。荷載作用區(qū)域網(wǎng)格加密，最小尺寸劃分為5cm，荷載區(qū)域外側(cè)網(wǎng)格逐步變疏。為確保計(jì)算的精度，相鄰網(wǎng)格尺寸比例不超過1：3。此外，約束行車方向和橫斷面方向的位移，土基底部約束豎向位移。

圖1 三維有限元模型

3.1.2 材料參數(shù)

(1)根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)[10]，材料參數(shù)見表4。

(2)永久性路面結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)見表4，表中均為單層材料的初始值。

(3)根據(jù)試驗(yàn)段彎沉逐層測試結(jié)果，反復(fù)調(diào)試材料參數(shù)，確保調(diào)試后的材料參數(shù)在雙圓均布荷載作用下路表最大彎沉與彎沉測試代表值誤差在±5%之內(nèi)。調(diào)試過程為由下至上，逐層調(diào)試。先將土基的初始模量值代入模型，根據(jù)雙圓均布荷載作用下路表最大彎沉值與實(shí)測值的差異，調(diào)試土基回彈模量，直至路表最大彎沉與測試值誤差在±5%之內(nèi)。確定土基回彈模量之后，將改善土初始彈性模量代入，采用同樣的方法和同樣的原則進(jìn)行調(diào)試，確定改善土的彈性模量，依次確定各層的材料參數(shù)。

經(jīng)調(diào)試后的各層真實(shí)模量見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

3.1.3 提取點(diǎn)位

參照《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2006)[14](以下簡稱06版規(guī)范)及《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)[15](以下簡稱17版規(guī)范)，路表彎沉點(diǎn)位為雙圓荷載輪隙處，瀝青層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變?yōu)殡p圓均布荷載輪系下方沿行車方向的水平拉應(yīng)力及拉應(yīng)變，瀝青混合料層永久變形量為混合料層各層的豎向應(yīng)力加權(quán)求和，路基頂面豎向壓應(yīng)變?yōu)殡p圓均布荷載輪隙正下方處。

3.2 力學(xué)響應(yīng)

原路面結(jié)構(gòu)為我國典型的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)型式，其路面結(jié)構(gòu)模型及參數(shù)按照06版規(guī)范確定。

06版規(guī)范對半剛性基層瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)為路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力及基層層底拉應(yīng)力；17版規(guī)范對半剛性基層瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層層底拉應(yīng)力和瀝青混合料層永久變形量，對全厚式瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變、瀝青混合料層永久變形量及路基頂面豎向壓應(yīng)變。

兩種結(jié)構(gòu)型式路面結(jié)構(gòu)的路表最大彎沉值、瀝青層底最大應(yīng)力應(yīng)變、基層底最大應(yīng)力、土基頂面壓應(yīng)變見表5。參照17版規(guī)范各分層的原則，計(jì)算兩種路面結(jié)構(gòu)瀝青層的永久變形量，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 兩種結(jié)構(gòu)型式路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)指標(biāo)對比

由表5可知：永久性路面結(jié)構(gòu)為瀝青結(jié)合料類基層類型，彎沉、瀝青層底的拉應(yīng)變、應(yīng)力值、土基頂面最大壓應(yīng)變要大于半剛性基層路面結(jié)構(gòu)類型；半剛性基層路面結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)力為負(fù)值，表明瀝青層底不受拉，為壓應(yīng)力；永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)FAC-13和LSPM-25層底均為拉應(yīng)力，F(xiàn)AC-13層的拉應(yīng)力要大于LSPM-25層；永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)通過采用多層改性瀝青及土基加強(qiáng)的措施，可以使瀝青層的永久變形量小于半剛性基層。

3.3 疲勞壽命預(yù)估

3.3.1 原路面結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估

根據(jù)原路面結(jié)構(gòu)的路表彎沉值和水穩(wěn)基層層底最大拉應(yīng)力，按照06版規(guī)范預(yù)估公式，得到的疲勞壽命為7.21×107(次/車道)。

根據(jù)原路面結(jié)構(gòu)半剛性基層底拉應(yīng)力，按照17版疲勞壽命預(yù)估公式，得到疲勞壽命為6.11×107(次/車道)。

3.3.2 永久性路面結(jié)構(gòu)壽命預(yù)估

根據(jù)永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)瀝青層底拉應(yīng)變及路基頂面豎向壓應(yīng)變，按照17版疲勞壽命預(yù)估公式，分別得到預(yù)估的疲勞壽命為7.88×109(次/車道)、6.87×109(次/車道)。疲勞壽命取值為6.87×109(次/車道)。

可見，永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命遠(yuǎn)大于原路面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

(1)永久性瀝青路面結(jié)構(gòu)的實(shí)測回彈模量和彎沉結(jié)果表明：隨著路面逐層鋪筑，各結(jié)構(gòu)層頂面回彈模量及彎沉值總體上逐層減?。坏獿SPM-25抗裂層彎沉值及回彈模量會增加。

(2)相比于典型的半剛性基層瀝青路面，永久性瀝青路面路表彎沉、瀝青層底拉應(yīng)力應(yīng)變、土基頂面壓應(yīng)變更大。但是，通過土基改善處理、抗疲勞層和抗裂層的設(shè)置及多層改性瀝青的使用，可提高疲勞壽命，減小路面永久變形量。