半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉笑同，黎育文

（1.萍鄉(xiāng)公路勘察設(shè)計院有限責(zé)任公司，江西 萍鄉(xiāng) 337000；2.萍鄉(xiāng)市上栗公路事業(yè)發(fā)展中心，江西 萍鄉(xiāng) 337009）

0 引言

某城市次干路瀝青路面結(jié)構(gòu)自上而下依次為4cm 厚的細(xì)粒式瀝青混凝土、6cm 厚的中粒式瀝青混凝土、54cm 厚且水泥含量5%的水穩(wěn)碎石基層。車輛緊急制動過程中，水平力系數(shù)瞬間達(dá)到0.5 以上，考慮到高溫環(huán)境下路面摩擦因數(shù)降低，故在瀝青面層剪應(yīng)力計算時取水平力系數(shù)為0.5[1]。本文主要通過該次干路半剛性基層瀝青路面設(shè)計指標(biāo)的理論計算，在彈性半空間體計算理論的基礎(chǔ)上，應(yīng)用BISAR 軟件進(jìn)行半剛性基層路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析，為瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 設(shè)計指標(biāo)

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計主要受路面結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)兩類因素的影響。根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設(shè)計規(guī)范》（CJJ 169—2012）的規(guī)定，主干路、快速路半剛性瀝青路面設(shè)計指標(biāo)應(yīng)選擇路表彎沉值、半剛性材料基層層底拉應(yīng)力、瀝青層剪應(yīng)力等；路面結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)軸載選擇100kN 的單軸雙輪組荷載，各輪輪載25kN，單輪輪痕當(dāng)量半徑10.65cm[2]。瀝青路面受雙圓荷載作用后荷載情況詳見圖1。圖中A 為瀝青路面路表彎沉值計算點位，也就是雙輪輪痕中心點；B 為半剛性基層層底拉應(yīng)力計算點，即單圓荷載中心點；C 雙輪輪痕中心點；D 是荷載外邊緣距單圓荷載中心0.9r 處的面層剪應(yīng)力計算點，E 為路表距單圓荷載中心點r 處的面層剪應(yīng)力計算點。

圖1 瀝青路面受雙圓荷載作用后荷載情況（單位：cm）

規(guī)范中所提出的設(shè)計指標(biāo)必須在滿足可靠度要求的同時滿足以下條件：

式（1)～(3）中：γa：表示可靠度系數(shù)，可靠度為90%時取1.05；Ls：表示計算彎沉值（0.01mm）；Ld：表示設(shè)計彎沉值（0.01mm）；σm：表示基底拉應(yīng)力最大值（MPa）；[σR]：表示半剛性基層材料允許抗拉強(qiáng)度（MPa）；tm：表示路表剪應(yīng)力最大值（MPa）；[tR]：表示瀝青面層材料允許抗剪強(qiáng)度（MPa）[3]。

2 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)驗算

2.1 路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)計算

根據(jù)道路等級、基準(zhǔn)期內(nèi)累計當(dāng)量軸次、基層類型等綜合確定瀝青路面設(shè)計彎沉值，如式（4）所示。

式（4）中：ld：表示瀝青路面設(shè)計彎沉值（0.01mm）；Ne：表示基準(zhǔn)期內(nèi)累計當(dāng)量軸次；Ac：表示道路等級系數(shù)，次干路為1.1；As：表示道路路面類型系數(shù)，瀝青混合料面層取1.0；Ab：表示道路基層類型系數(shù)，半剛性基層取1.0。將相關(guān)參數(shù)取值代入式（4）后得到該次干路設(shè)計彎沉值為27.45（0.01mm）。

根據(jù)半剛性材料應(yīng)力-荷載作用次數(shù)關(guān)系疲勞方程推算半剛性基層材料允許抗拉強(qiáng)度，如式（5）所示。

式（5）中：σs：表示水穩(wěn)材料90d 齡期劈裂強(qiáng)度（MPa），該次干路取0.5MPa；Ks：表示無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料累抗拉強(qiáng)度機(jī)構(gòu)系數(shù)。根據(jù)式（5）可得出次干路基底半剛性基層材料允許抗拉強(qiáng)度取0.275MPa。

根據(jù)瀝青面層材料60℃抗剪強(qiáng)度與所對應(yīng)的抗剪強(qiáng)度結(jié)構(gòu)系數(shù)，確定半剛性瀝青路面材料允許抗剪強(qiáng)度，即：

式（6）中：ts：表示瀝青面層材料60℃抗剪強(qiáng)度值，該次干路取0.6MPa。通過式（6）可得該次干路瀝青面層允許抗剪強(qiáng)度取0.55MPa。

2.2 路面結(jié)構(gòu)指標(biāo)驗算

應(yīng)用BISAR 軟件計算瀝青面層彎沉值時必須借助修正系數(shù)將豎向變形轉(zhuǎn)換為彎沉值，轉(zhuǎn)換后的結(jié)果為Ls=21.41（0.01mm），滿足γaLs≤Ld的要求。半剛性材料基層底拉應(yīng)力取B、C 兩點中的較大值，勘測結(jié)果顯示C 點半剛性基層底拉應(yīng)力最大，滿足γaσm≤[σR]要求。瀝青面層剪應(yīng)力最大值取D、E 兩點中較大的E 點值，能滿足γatm≤[tR]要求。

3 路面設(shè)計指標(biāo)受車輛輪載的影響

瀝青路面在運(yùn)行過程中因遭受自然環(huán)境和行車荷載的反復(fù)作用容易出現(xiàn)各種裂縫、坑槽及變形病害。采用BISAR 軟件計算路表彎沉值、路表剪應(yīng)力、基底拉應(yīng)力等瀝青路面結(jié)構(gòu)輪載指標(biāo)，結(jié)果見表1。

表1 瀝青路面結(jié)構(gòu)輪載指標(biāo)結(jié)果

為得到各指標(biāo)與荷載關(guān)系，分別進(jìn)行了輪載與路表彎沉值、路標(biāo)剪應(yīng)力及基底拉應(yīng)力關(guān)系的擬合，擬合公式如下，其中Q為車輛輪載（kN）。

該瀝青路面路表彎沉值為27.45（0.01mm），半剛性基底拉應(yīng)力最大值為0.275MPa，瀝青面層剪應(yīng)力最大值為0.54MPa。根據(jù)擬合公式，該路段各項指標(biāo)達(dá)到設(shè)計要求時，路表設(shè)計彎沉、路表剪應(yīng)力最大值及半剛性基底拉應(yīng)力最大值所對應(yīng)的車輛輪載應(yīng)分別為29.77kN、35.24kN 及37.21kN，瀝青路面允許行車輪載應(yīng)選擇其中較低值，并應(yīng)將車輛超載率控制在17.12%以內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，路表彎沉值、剪應(yīng)力及基底拉應(yīng)力是半剛性基層瀝青路面的基本設(shè)計指標(biāo)，通過BISAR 軟件的應(yīng)用所得到的次干路路表彎沉、最大剪應(yīng)力及基底最大拉應(yīng)力值均符合該等級道路設(shè)計要求。當(dāng)前半剛性基層瀝青路面表面回彈彎沉值較小，在路面結(jié)構(gòu)損壞后彎沉值也比設(shè)計彎沉值小，為此本文建議，應(yīng)采用大交通量及重軸載半剛性基層瀝青路面設(shè)計彎沉和疲勞壽命關(guān)系式的修正結(jié)果，或者直接取消半剛性基層瀝青路面彎沉設(shè)計指標(biāo)。