基于彎沉等效原理的瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力評價研究

吳小戀

(廣東省交通運輸建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心， 廣東 廣州 510420)

準(zhǔn)確、有效地掌握瀝青路面結(jié)構(gòu)的承載力并預(yù)測其變化規(guī)律，對路面設(shè)計、施工和養(yǎng)護具有重大的意義。JTG H20—2007《公路技術(shù)狀況評價標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)路面結(jié)構(gòu)強度指數(shù)這一綜合指標(biāo)來評價瀝青路面結(jié)構(gòu)強度，而該指標(biāo)與路面整體或各結(jié)構(gòu)層的承載力相關(guān)性差。在落錘式彎沉儀(FWD)誕生后，通過彎沉盆反算路面結(jié)構(gòu)層模量的方法，為瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的評價開辟了一條路徑。

FHScrivner(1968)首次將FWD彎沉盆應(yīng)用到路面結(jié)構(gòu)力學(xué)的反問題中，并編制了諾模圖；隨后學(xué)者們又相繼開發(fā)了MODCOMP(Irwin，1983)、WESDEF(1989)、MODULUS(Uzah，1988)、SIDMOD(王復(fù)明，1996)等反算程序。2005年，SIDMOD與MODULUS、MODCOMP、WESDEF軟件的初值敏感性、用戶敏感性、擬合誤差、反算精度及實用性的對比結(jié)果表明，SIDMOD在“瀝青層+基層+路基”3層式的路面結(jié)構(gòu)中反算精度最高。在此基礎(chǔ)上，唐伯明(1989)建立了路表彎沉與路面性能之間的關(guān)系，并分別提出了路基、基層和面層彈性模量預(yù)估公式；黃衛(wèi)(1998)、Hee Mun Park(2001)通過回歸分析，建立了路面彎沉與路用性能指標(biāo)的關(guān)系。隨后，關(guān)于反算模量與室內(nèi)模量的對比研究也層出不窮，AASHTO(1993)、FHWA(1994)分別認(rèn)為反演模量是靜模量的3倍、2倍以上；職雨風(fēng)(2005)對各層材料反算結(jié)果的變異性進(jìn)行了分析，表明變異性由大到小依次為水穩(wěn)基層、瀝青面層、土基；朱金鵬(2016)根據(jù)FWD檢測到的路基動態(tài)彎沉，利用反算模型建立了路基動態(tài)靜態(tài)回彈模量之間的冪指數(shù)關(guān)系，以此評價路基的強度；彭妙娟(2018)通過建立瀝青路面黏彈性反算模量的有限元模型，將反算結(jié)果替換原始模型中的初始模量，并進(jìn)行正分析，結(jié)果表明正反分析的彎沉盆匹配度較高。

綜上所述，利用彎沉盆進(jìn)行模量反算的研究方法大體可以分為3類：① 利用反算模量進(jìn)行有限元數(shù)值模擬或者計算解析解來獲取關(guān)鍵層底應(yīng)力和應(yīng)變，以預(yù)估路面壽命；② 通過回歸分析等手段建立路面彎沉盆指標(biāo)與路面結(jié)構(gòu)使用性能之間的關(guān)系來評價路面結(jié)構(gòu)承載能力；③ 建立反演模量與室內(nèi)材料模量關(guān)系來評價路面結(jié)構(gòu)承載能力。

然而，第①類研究中的模量反算和疲勞壽命預(yù)估兩個階段的誤差累計會導(dǎo)致精度較低；第②類研究中的預(yù)估公式僅反映路面單一方面的使用性能，且適用性不高；第③類研究緊密聯(lián)系了反算模量與室內(nèi)材料模量的關(guān)系，但忽略了溫度對瀝青材料的影響，造成變異性較大、可行性差。

該文依托某高速公路科研試驗路中5種路面結(jié)構(gòu)的溫度采集數(shù)據(jù)，通過室內(nèi)試驗、彎沉盆反算、動態(tài)模量閾值確定，建立瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的評價方法，評價結(jié)果與試驗路使用性能相符。研究成果可為瀝青路面承載力的快速評價提供參考和借鑒。

1 試驗路概況

某高速公路科研路中的5種路面結(jié)構(gòu)形式如表1所示，上面層均采用4%SBS+4%UⅡ復(fù)合改性瀝青；中面層均采用3.5%SBS改性瀝青；下面層、柔性基層均采用70#基質(zhì)瀝青。

表1 某高速公路科研試驗路結(jié)構(gòu)形式

2 彎沉盆等效原理

彎沉盆等效原理用于將室內(nèi)動態(tài)模量初始值轉(zhuǎn)化為各結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量模量標(biāo)準(zhǔn)值。

具體應(yīng)用方法如下：在5種結(jié)構(gòu)中埋置溫度傳感器以獲取各結(jié)構(gòu)層實時溫度，結(jié)合瀝青混合料室內(nèi)動態(tài)模量試驗獲得的主曲線和移位因子，得到各結(jié)構(gòu)層在對應(yīng)溫度下的動態(tài)模量初始值；將動態(tài)模量初始值輸入Bisar3.0計算軟件，層間接觸條件設(shè)置為完全連續(xù)，得到各結(jié)構(gòu)對應(yīng)的理論彎沉盆；根據(jù)理論彎沉盆，應(yīng)用反算程序得到各結(jié)構(gòu)層的當(dāng)量模量，反算過程中假設(shè)層間接觸條件為完全連續(xù)，稱此當(dāng)量模量為標(biāo)準(zhǔn)值。

3 動態(tài)模量真值

3.1 瀝青混合料動態(tài)模量真值

已有研究表明：級配類型或膠結(jié)料的性能相似時，可將瀝青混合料動態(tài)模量歸為同類予以研究。根據(jù)科研試驗路瀝青混合料類型，膠結(jié)料相同時，將AC-13、SMA-13、Superpave12.5、AC-20歸為一類，同時將AC-25、AC-30、AM30、ATB30分別歸為一類。

歸類后，室內(nèi)共進(jìn)行了8種混合料的動態(tài)模量試驗，試驗溫度為-10、5、20、35、50 ℃，荷載頻率為0.5、1、2、5、10、20、25 Hz。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同混合料的主曲線模型

根據(jù)各結(jié)構(gòu)層埋置的溫度傳感器實測得到各結(jié)構(gòu)層的實時溫度，利用表2中已建立的動態(tài)模量主曲線模型，得到各瀝青層的動態(tài)模量初始值，如表3所示。

表3 試驗路瀝青層動態(tài)模量真值

3.2 基層材料動態(tài)模量真值

科研試驗路水穩(wěn)基層合成級配如表4所示；三灰穩(wěn)定碎石的配比為水泥∶石灰∶粉煤灰∶碎石=2∶5∶13∶80，其中，(1～3 cm碎石)∶(0.5～1 cm碎石)∶石屑=30∶25∶45；試驗采用P.O.42.5級水泥。

表4 水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計級配

在試件成型、養(yǎng)生28 d、密封保存180 d后，進(jìn)行恒定溫度20 ℃下的動態(tài)模量測試。

根據(jù)FWD荷載作用時間(約為0.28 s)換算荷載作用頻率為35 Hz左右。由表5試驗結(jié)果可得水穩(wěn)碎石的動態(tài)模量真值為1 435.4 ksi(9 818 MPa)，三灰碎石的動態(tài)模量真值為274 ksi(1 874 MPa)。

表5 基層材料試驗結(jié)果

3.3 底基層及土基模量真值

由于底基層及土基材料黏聚力較弱，在沖擊荷載作用下易分散，故難以通過動態(tài)模量試驗測試動態(tài)模量初始值。

因此，通過建設(shè)期FWD的大量測試反算數(shù)據(jù)，得到了壓實度、強度滿足規(guī)范要求下的級配碎石、水穩(wěn)砂礫及土基的動態(tài)模量真值，如表6最后一列所示。

表6 底基層材料及土基模量真值

4 動態(tài)模量衰減閾值

為了研究動態(tài)模量衰減閾值，開展了同溫度(20 ℃)、同頻率(10 Hz)、不同應(yīng)力比下瀝青混合料與水穩(wěn)碎石材料動態(tài)模量與彎拉勁度模量的比值關(guān)系研究，試驗結(jié)果如表7所示。在不同應(yīng)力比作用下，AC-20的動態(tài)模量與彎拉勁度模量比值基本相等，動態(tài)模量與彎拉模量同大或同小，表明彎拉模量同動態(tài)模量的變化規(guī)律一致。為了驗證該結(jié)論，在AC-20基礎(chǔ)上，通過分別改變?yōu)r青類型(4.5%SBS改性瀝青)、添加抗車轍劑(0.4%路寶)、添加纖維(0.4%纖維)，亦可得到此結(jié)論。此外，如表8所示，水泥穩(wěn)定碎石在不同應(yīng)力比下的比值也基本相同，進(jìn)一步驗證了此結(jié)論。因此，在難以獲取動態(tài)模量衰減規(guī)律時，可通過研究彎拉模量的衰減規(guī)律來間接獲取。

表7 不同材料動態(tài)模量與勁度模量比值

表8 水穩(wěn)材料動態(tài)模量與勁度模量比值

在試驗室內(nèi)獲取動態(tài)模量的衰減規(guī)律，目前暫無較好的方法。然而，MTS810試驗系統(tǒng)中的四點彎曲恒應(yīng)力疲勞試驗可以獲取彎拉模量的衰減規(guī)律，如此便為研究動態(tài)模量衰減規(guī)律和衰減閾值提供了一條途徑。定義彎拉衰減模量閾值為彎拉模量加速衰減時所對應(yīng)的彎拉模量，通過疲勞曲線中的轉(zhuǎn)折點來確定。根據(jù)上文彎拉模量與動態(tài)模量的同大同小變化規(guī)律，可以通過衰減模量閾值來確定動態(tài)模量衰減閾值。

瀝青混合料應(yīng)力水平共3個水平，分別為0.4、0.6、0.8；水泥穩(wěn)定碎石應(yīng)力水平共7個水平，分別為0.80、0.75、0.70、0.65、0.60、0.55、0.50；試驗溫度分別為15、20 ℃，試驗頻率均為10 Hz，加載波形均為偏正弦波，試件尺寸均為40 mm×40 mm×200 mm，平行試驗為3次。試驗結(jié)果如表9、10所示。

表9 不同混合料試件的勁度模量衰減閾值

表10 水泥穩(wěn)定碎石小梁試件動態(tài)彎拉勁度模量衰減閾值

由表9、10可得：隨著應(yīng)力比的增大，小梁試件疲勞壽命不斷降低，彎拉勁度模量衰減加快，勁度模量閾值減?。徊煌瑧?yīng)力比對應(yīng)不同的交通荷載等級，表明重載交通對于路面結(jié)構(gòu)使用年限減少作用顯著。瀝青混合料和水泥穩(wěn)定碎石衰減規(guī)律不同，后者隨著應(yīng)力比的增加衰減更為顯著?？梢?，對于不同交通荷載等級、不同材料類型應(yīng)給定不同的模量衰減閾值。

路基強度是整個路面結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)，路基結(jié)構(gòu)模量衰減對于路面結(jié)構(gòu)承載力水平影響極為重要。因此，路基結(jié)構(gòu)動態(tài)模量不宜采用衰減評價方法。

綜上考慮，將應(yīng)力比0.6作為劃分輕、重交通等級的界限。各結(jié)構(gòu)層模量衰減閾值如表11所示。

表11 各結(jié)構(gòu)層動態(tài)模量衰減閾值

5 瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力評價

在對科研試驗路進(jìn)行溫度采集的同時，應(yīng)用FWD以獲得路面結(jié)構(gòu)實際彎沉盆，再應(yīng)用反算程序得到各結(jié)構(gòu)層的反算模量，稱此反算模量為當(dāng)量模量衰減值。

文獻(xiàn)[6]表明SIDMOD反算程序在“瀝青層+基層+路基”3層式的路面結(jié)構(gòu)中精度最高，因此，選擇SIDMOD反算程序?qū)WD獲取的彎沉盆進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層的模量反算。此外，根據(jù)某科研路的交通量及通車后的實際路況，反算過程中提出層間完全連續(xù)的假設(shè)是合理的。

根據(jù)理論彎沉盆、實測彎沉盆反算得到了當(dāng)量模量標(biāo)準(zhǔn)值和當(dāng)量模量衰減值，通過將后者與前者的比值與閾值比較，以評價瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的強弱。

科研試驗路交通量約為2 500 pcu/d，貨車比例低，無超載車輛，屬于輕交通等級。此外，根據(jù)歷年病害統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)1、2柔性基層路面無車轍、開裂損壞；結(jié)構(gòu)3柔性基層路面有輕微的路面裂縫；結(jié)構(gòu)4、5半剛性基層瀝青路面試驗段存在基層反射開裂問題，無車轍損壞。

如此便建立了相同溫度下當(dāng)量模量標(biāo)準(zhǔn)值與當(dāng)量模量衰減值的一一映射關(guān)系，根據(jù)兩者比值同閾值的大小關(guān)系以進(jìn)行瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的評價，承載力評價結(jié)果如表12所示。

表12 科研試驗路路面結(jié)構(gòu)承載力評價

續(xù)表12

與表11的動態(tài)模量閾值比較，結(jié)構(gòu)1、2路面面層、基層、路基標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)模量與衰減動態(tài)模量比值均大于閾值，路面結(jié)構(gòu)承載力良好，結(jié)構(gòu)3路面面層標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)模量與衰減動態(tài)模量比值小于閾值，表明瀝青層承載力不良，結(jié)構(gòu)4、5路面基層標(biāo)準(zhǔn)動態(tài)模量與衰減動態(tài)模量比值小于閾值，表明半剛性基層承載力不良。

5種路面結(jié)構(gòu)承載力評價結(jié)果與路面使用性能總體表現(xiàn)一致，表明該文提出的承載力評價方法具備可行性和準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

(1) 基于彎沉盆等效原理，利用動態(tài)模量初始值、理論彎沉盆、實測彎沉盆數(shù)據(jù)，根據(jù)當(dāng)量模量衰減值與當(dāng)量模量標(biāo)準(zhǔn)值比值同閾值的大小關(guān)系，提出了一種評價瀝青路面結(jié)構(gòu)承載力的方法。

(2) 確定了輕、重交通荷載等級下瀝青層模量衰減閾值分別為0.6、0.7；而不同交通荷載等級下基層和路基的衰減閾值分別為0.7、1.0。

(3) 利用該方法，將科研路5種結(jié)構(gòu)的當(dāng)量模量衰減值和標(biāo)準(zhǔn)值的比值與閾值比較，可分別或綜合評價各結(jié)構(gòu)層或結(jié)構(gòu)整體的承載能力，評價結(jié)果與試驗路的實際路用性能一致。